2 3 3 EL ECTRIC DRIV E 　2008 　Vol. 38 　No. 12 电气传动 　2008 年 　第 38 卷 　第 12 期 基于 VC + + 和 Matlab 的中央空调温度 控制系统设计 王贵刚 ,王艳 (北京交通大学 电气工程学院 ,北京 100044) 　　摘要 :针对中央空调传统控制方法损耗较大以及调速控制策略上的缺点 ,结合被控对象温度具有大惯性 、 响应慢的特点 ,提出了在 VC + + 中调用 Matlab 脚本的方法来实现对温度的模糊控制的方法 ;再加上 CAN 网 络系统对循环水系统进行整体的优化控制功能 ,节能效果会更为明显 。应用表明该系统设计合理 、性价比高 , 具有很强的实际应用价值与广阔的前景 。 关键词 :中央空调 ;模糊控制 ;温度 ;VC + + 和 Matlab ;节能 中图分类号 : TP272 　　　　文献标识码 :A Design of Control System for Temperature of Central Air Based on VC + + and Matlab WAN G Gui gang , WAN G Yan conditioning ( School of Elect rical Engineering , Bei jing J iaotong University , Bei jing 100044 , China) for central air Abstract :With respect to the disadvantages of high loss and speed regulation in traditional control strategy conditioning , a method that Matlab Script is called in VC + + in order to realize fuzzy control of temperature was p ropo sed due to it s big inertia and low response. At the same time , the CAN network system optimize the water circulate system f rom the whole view , the energy saving effect is becoming more obviously. The successf ully application indicates that the design is logical and valuable. Key words :central air conditioning ;f uzzy control ;temperature ;VC + + & Matlab ;energy saving 　　近年来 ,随着高层建筑的兴起和人们生活水 平的提高 ,中央空调的应用变得越来越普遍 。中 央空调传统上采用比例阀进行机械式调温 ,由比 例阀控制器调节热交换器进水口阀门开度的过程 中 ,是以增加进水的阻力来减少流体 (冷冻水) 在 热交换器中的流动速度 ,这样就以浪费一大部分 冷冻水的动能来达到调温 ,然而浪费的这一部分 动能恰恰是中央空调的冷冻泵所给予 ,而冷冻泵 电机是要消耗电能的 ,也就是说采用比例阀调温 浪费了一部分的电能 。其次 ,盘管风机是以电机 来驱动的 ,而电机是长期以满速运行的 ,即以工频 运行 ,因此风机的机械转动部分易产生磨损 ,机械 磨损之后增加了风机电机的负载 ,甚至引起电机故 障 ,减少了电机的使用寿命。有些中央空调末端采 用的是开环挡位控制 ,凭感觉调温。感觉温度过高 则增加阀门开度 ,感觉温度过低则减少阀门开度 , 该调节方式是人工调节而不是自动恒温调节。另 外比例阀性能不稳定也造成调温效果不理想。 本文将中央空调设计成一个温度闭环自动控 制系统 ,并结合控制对象大惯性、迟滞严重的特点 , 采用温度的模糊控制策略。本文结合了 VC + + 和 Matlab 的优点 ,通过在 VC + + 中调用在 Matlab 中 编写的模糊函数的方法实现对温度控制。 1 　中央空调系统的控制策略 中央空调系统设计成一个 3 环系统 (如图 1) ,分别是温度环 、转速环和电流环 。 温度传感器采集控制现场的温度 ,经过合适 的调理电路和 A/ D 转换 ,然后通过 CAN 总线发 送到上位机 ,上位机根据设定温度 T i 和采集的 温度 Vi 做模糊决策 ,输出量经适当的调理作为转 n 。转速环和电流环的调节器 速 环的给定电压V 　　基金项目 :“北京交通大学论文攀登计划”资助项目 ( PD 　　作者简介 :王贵刚 (1981 - ) ,男 ,硕士研究生 , Email :wgg227 @gmail. com 073) 37 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

2 电气传动 　2008 年 　第 38 卷 　第 12 期 都采用 PI 调节器 ,稳态无静差[ 1 ] 。 2 　系统的硬件设计与实现 中央空调下位机主要完成信号的采集 、显示 和控制策略的选择 。结构见图 2 。其控制核心是 89C51 单片机 ,下位机的温度 、流量信号的采集以 及电机转速的给定都是由单片机来控制完成 ,此 外 ,它还负责与上位机信息的交换 。 考虑到实际应用中 ,有时候要改造原有的循 环水系统 ,为了达到最佳的节能效果 ,不会更换所 有的原有电机 ,此时为了通过主控计算机对未更 换的电机进行启停的控制 ,需要加入继电器 ,直接 对未更换电机启停控制 。 图 2 　下位机水泵或风机控制器结构图 Fig. 2 　The st ruct ure of t he fan or water pump cont roller 3 　系统的软件设计与实现 中央空调系统控制现场信号的采集由下位机 完成 ,主要采集进风口温度 、出风口温度 、电机的 转速和故障信号以及电机的启停信号 。这些信号 通过 CAN 总线送到上位机 ,在上位机主要完成 系统的记录查询 、记录打印 、密码管理 、水泵切换 、 电机启停 、温度和温差设定等 。工作人员可以随 时查询系统运行状况 、改变温度和温差值 ,也可以 根据实际水泵的运行状态进行水泵的切换 。其主 控界面如图 3 所示 。 3. 1 　水泵节点的启停切换控制 假设冷却水有循环泵 3 台 ,2 台为可调速电 机 ,记为 1 # 和 2 # ,1 台为不可调速电机 ,记为工频 47 图 3 　中央空调主控界面 Fig. 3 　The interface of the central air conditioning control system 图 4 　冷却水设定温度低于实际温度控制的程序流程图 Fig. 4 　The flow chart when t he given value is lower t han t he act ual temperat ure 3. 2 　模糊控制器的设计与实现 通常取温度误差 e 和误差的变化率 ec 为输 入量 ,输出量经调理后作为电机的转速给定量 ,设 为 v n 。模糊控制器的结构如图 5 所示 。 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 王贵刚 ,等 :基于 VC + + 和 Matlab 的中央空调温度控制系统设计 Fig. 1 　The st ruct ure of t he cent ral air conditioning system 图 1 　中央空调控制方框图 机。正常运行时 3 台泵为两用一备。冷却水设定 温度低于实际温度控制的程序流程如图 4 所示 。 3 

2 王贵刚 ,等 :基于 VC + + 和 Matlab 的中央空调温度控制系统设计 3 电气传动 　2008 年 　第 38 卷 　第 12 期 图 5 　模糊控制器的结构图 Fig. 5 　The st ruct ure of t he f uzzy cont roller 　　输入量温度误差 e 和误差变化率 ec 以及输 出量 v n 的隶属度函数的确定方法类似 。以温度 误差 e 为例 ,其隶属函数如图 6 所示 ,其论域取 [ - 3 , + 3 ] ,语言值取 7 个 ,即为{ N B , N M , N S , ZO , PS , PM , PB } 。根据专家经验 , 通常 N B 取 Z 形隶属度函数 。 PB 取 S 形隶属度函数 , 其余 取三角形隶属度函数 。 图 6 　温度误差 e 的隶属度函数 Fig. 6 　The membership f unction of t he temperat ure error 　　借助于专家经验 ,建立冬季水冷式中央空调 的控制规则 。模糊控制器的控制规则为 :1) 如果 温度误差 E 为很大 ( PB) ,且误差变化率 EC 也很 大 ( PB) , 那么应该把制冷闸门开得很大 ( PB ) 。 依次类推 ,共计 49 条模糊控制器的控制规则 。如 表 1 所示 。控制现场的传递函数[2 ] (图 1 中的转 速环 、执行机构和空调房间) G( s) = 20/ (1. 6s2 + 4. 4s + 1) ,在给定温度为 25°时 ,其模糊控制仿真 结构如图 7 所示 。 表 1 　冬季水冷式中央空调的模糊控制规则 Tab . 1 　Fuzzy control rules of central air conditioning (in winter) EC N B N M N S E ZO u PS PM PB N B N M N S ZO PS PM PB N B N B N B N M N M N S N S N M N S ZO N S N S N S ZO PS N B N B N M N S N B N M N M ZO ZO PS PS PM N M N S ZO PS PS PM PM PB PS PS PM PM PB PB PB PS PS PM PM PB PB PB 　　用 Matlab 实现模糊控制数值的运算 ,可以发 挥其运算速度快 ,编程简单的特点。但由于 Matlab 开发平台的局限性 ,在其上面开发的程序不能脱离 图 7 　模糊控制器的仿真波形图 Fig. 7 　The simulation waveform of the fuzzy controller Matlab 运行环境 ,因而在处理一些实际应用问题时 显得灵活性不足 ,而 VC + + 则在一定程度上能够弥 补这一漏洞 ,在 VC + + 集成环境下利用 Matlab 引 擎实现模糊控制程序的编写 ,可以发挥两者的优 势。在应用程序中添加调用 Matlab 引擎的程序代 码 ,就可以利用 Matlab 引擎库函数 engEvalString 来调用在 Matlab 编写的模糊控制函数了。在 VC + + 中访问 Matlab 函数设置如下。 1) Visual C + + 6. 0 编译环境的设置 :通过菜 单 Tools/ Options ,打开 Visual C + + 6. 0 设置属 性页 ,进入 Directories 页面 ,在 Show Directories for 下拉列表中选择 Include Files ,添加路径 :D : \ Matlab6p5\ extern\ include (在 Matlab 的安装路 径下) ;再选择下拉列表的 Library Files ,添加路 径 :D :\ Matlab6p5\ extern\ lib\ win32\ Micro soft \ msvc60 (在 Matlab 的安装路径下) 。编译环境只 需设置一次 。 2) 添加库文件 : 通过菜单 Projects / settings , 进入 Link 页面 ,在 Object/ Library Modules 框中 , 添加库文件名 :libmx. lib ,libmat. lib ,libeng. lib。每 个新的工程文件都要单独添加库文件。 3) 在使用 engine 函数的程序头文件中包含 如下 2 个头文件 : # include“engine. h” # include < stdlib. h > 4) 在应用程序中添加调用 Matlab 引擎的程 序代码 : { ep ; Engine if ( ! (ep = engOpen (“\ 0”) ) ) / / 打开 Matlab 引擎 ,建立与本 地 Matlab 的连接 { 　fprintf ( stderr ,“\ n Can’t start Matlab engine\ n”) ; 　Exit ( - 1) ; 　} } 以上步骤是对 VC + + 与 Matlab 混合编程的 编译环境进行设置 ,在完成了以上基本步骤后 ,就 57 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

2 2 2 2 系统的稳定性和节能方面都有很重要的意义 。充 分利用 VC + + 和 Matlab 各自的优点 ,使模糊控制 的编程和人机交互界面的设计也变的简单 。而且 系统上位机既可以通过 CAN 网对中央空调进行 远程控制 ,也可以直接进行就地控制 。系统还可 以根据实际的应用状况和要求进行节点的扩展 。 但是对循环水流量进行控制时 ,会使中央空调机 组制冷机的制冷效率 ( CO P) 下降 ,这两者之间的 最佳搭配还需要进一步的研究 。 该系统经使用证明 ,系统设计合理 ,工作可 靠 ,性价比高 ,具有很强的实际应用价值与广阔的 前景 。 参考文献 [ 1 ] 　王宏华. 开关磁阻电机调速控制技术[ M ] . 北京 :机械工业 出版社 ,1995. [ 2 ] 　楼顺天 ,胡昌华 ,张伟. 基于 MA TL AB 的系统分析与设计 模糊系统[ M ] . 西安 :西安电子科技大学出版社 ,2001. [ 3 ] 　孙鑫 ,余安萍. VC + + 深入详解[ M ] . 北京 :电子工业出版 社 ,2006. [ 4 ] 　饶运涛 ,邹继军 ,王进宏 ,等. 现场总线 CAN 原理与应用技 术[ M ] . 第 2 版. 北京 :北京航空航天大学出版社 ,2003. 收稿日期 :2007 修改稿日期 :2008 11 06 06 12 结构简单 、使用方便 ,在实际工程中得到很好的 应用 。 参考文献 [ 1 ] 　郭立伟 ,杨荃. 全连续冷连轧机自动控制系统的设计与实现 [J ] . 冶金自动化 ,2006 ,31 (2) :57 - 60. [ 2 ] 　天津电气传动设计研究所. 电气传动自动化技术手册[ M ] . 北京 :机械工业出版社 ,1992 :554 - 559. [ 3 ] 　张美. 冷轧酸洗线入口活套控制系统[J ] . 电气开关 ,2001 , 39 (1) :42 - 46 [ 4 ] 　高海军 ,史军. 活套电控系统在冷轧厂中的应用[J ] . 基础自 化 ,1999 ,6 (6) :21 - 24. [ 5 ] 　李浚源 ,秦忆 ,周永鹏. 电力拖动基础[ M ] . 武汉 :华中理工 大学出版社 ,1999 :39 - 43. 收稿日期 :2007 修改稿日期 :2008 12 31 05 22 电气传动 　2008 年 　第 38 卷 　第 12 期 王贵刚 ,等 :基于 VC + + 和 Matlab 的中央空调温度控制系统设计 可以利用 Matlab 引擎库函数 engEvalSt ring 来调 用在 Matlab 编写的模糊控制函数 。 4 　实验结果 以冬季采暖水的 3 台 15 kW 水泵为例 ,未进 行改造前 ,工作状况为两用一备 ,均为不可调速工 频机组 ,额定转速为 2 950 r/ min 。改造后 ,工作状 况为一台不可调速水泵和一台可调速水泵同时工 作 ,此时可测得不可调速水泵的工作电流为 22. 6 A 。可调速水泵的转速为 2 400 r/ min 时 ,即可满 足中央空调机组的运行要求 。 从流体力学原理可知 :流量 q 与电机转速 n 成正比 ,压力 Pa 与电机转速 n 的二次方成正比 ,而 轴功率 p 与转速 n 的三次方成正比。当转速降到 2 400 r/ min 时 , 实 际 功 率 P = ( 2 400/ 2 950) 3 × 100 % = 54 % ,即实际功率仅为额定功率的 54 % , 节电 46 %。此时实测调速水泵的工作电流为 11 A ,实际节电率为 51 % ,节电效果很明显 。如果加 上 CAN 网络系统对循环水系统进行整体的优化 控制 ,节电效果会更为明显 。 5 　结论 采用模糊控制的方法对系统的温度进行控 制 ,可以减少系统的超调量和调节时间 ,对于提高 (上接第 61 页) 　　5) 焊接完毕冲套 。机组入口段开始升速 ,带 钢以高于轧机入口的速度经过 1 # 张力辊和 1 # 立 式纠偏进入活套 ,电机速度为正 ,转矩为正 ,电机 工作状态位于第一象限 ,当接收到同步信号后 ,轧 机入口段速度降至轧机入口速度 ,入口段与轧机 同步运行 。 5 　结语 本文以活套张力控制系统为例结合张力控制 原理设计了一种利用全数字传动装置对活套张力 进行控制的方法 。张力调控的过程属于开环控 制 。当系统产生扰动时 ,如摩擦 、速度动态变化等 因素 ,此时通过系统内部运算补偿张力电流给定 值 ,该 5 连轧稳态运行时活套张力波动为 ±2 % , 加 、减速过程中张力波动为 ±4 % ,达到预期的设 计要求 ,实现了很好的控制效果 。这种控制方法 67 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net