嵌入式系統如何實現空調舒適溫度控制

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摘要：通過計算機實施的環境控制策略是將人類熱舒適研究的新知識與機械空調機組相結合的最有效途徑之一。近年來，隨著空調軟件系統設計的迅速發展，室內最優最舒適的氣溫不僅僅取決于室內的環境，而且來自室外空氣氣溫的變化，傳統的溫度測定方法不能直接作為設定最佳溫度的方式。因為室內住戶對于空氣的動態溫度的適應程度來自穿衣以及戶外活動，所以室外氣溫等也越來越成為舒適溫度的一個標準。此文提出了一個模擬自適應函數的算法來具體量化室內最佳最舒適氣溫的嵌入式原型的系統，該系統可以實現空調軟件系統的實時控制。從理論角度出發，提出了一種結合灰色預測模型的自適應舒適模型，探索了基于舒適溫度的空調空間控制的實際應用，證實了通過嵌入式系統對傳統空調機組實現室內舒適溫度適應性的可行性。

關鍵詞：自適應控制；空調機組；嵌入式系統；室內舒適氣溫

人類室內住戶的健康和身體素質受空調舒適程度的影響極大。近年來，提高空調控制的效率的關鍵組成元素是空調機的控制方法以及嵌入式系統的運算速度。此外，室內環境的熱量可接受程度越來越收到科研人士的矚目［1］，創新低功耗的空調系統的控制算法成為研究人員亟待解決的問題。這種現狀不斷地要求一系列可以替換空調軟件系統的控制系統，以保證大多數人員在整個操作過程中的舒適性，從而有效地利用能源。在空調質量和空氣質量都能夠達到較高水平的前提下，給空調機進行補氣操作可以極大地提高資源的利用率。通常情況下，通風可以提高室內帶有空調的空氣環境的品質，如圖1所示，從室外環境引入適量的新鮮空氣。實驗結果表明，采用最佳的送新風和回風［2］可以保證空氣的質量。有了這一基礎，處理空調系統的復雜問題可以簡化為控制送風的物理條件，如送風的溫度、濕度等，以達到熱舒適。目前，市場上的常規空調系統已得到廣泛應用，并有實際的溫度推薦依據。該方案應用于一個典型的空調系統，即在環境動態變化和居住者適應性強的情況下，室內空氣溫度被調節在一個固定的參考溫度，這在實際上是相當理想的。

1相關工作

根據ASHRAE標準55－1981［3］，熱舒適被定義為表達對熱環境滿意的心理狀態。熱環境感知受六個熱變量的影響：（1）空氣溫度，（2）輻射溫度，（3）相對濕度，（4）空氣流速，（5）居住者在各種活動中的代謝率，（6）衣物［4］。通過實驗研究，得到的預測平均投票（PMV）方程可以從這6個熱變量中估計人類對熱環境的平均響應。PMV的熱響應指數包含以下類別：冷（－3），冷（－2），微冷（－1），中性（0），微暖（1），暖（2）和熱（3）。理論上，在熱中性（PMV＝0）時存在最小不滿意率，并且隨著熱響應指數遠離中性，不滿意率呈指數增長。需要指出的是，上面的最后兩個熱變量，即代謝率和衣服，可以由居住者自己根據人的感覺、當地氣候或季節和地理等環境約束自由調整為中性。在應用工作中，根據利雅得［5］氣候條件下的熱舒適圖推薦了月調溫方案。據了解，強調人工調節參考溫度，鼓勵居住者了解到在可接受熱舒適的建筑物中有哪些節能措施。然而，手動設定的參考值在實施自適應舒適溫度的實時控制中可能并不方便有效。近年來，許多研究試圖根據熱環境的變化，開發一種可調節的空調系統參考溫度，使大多數居住者始終能夠滿足熱舒適條件［6］。基于現場研究提出的自適應熱舒適模型，使居住者在使用服裝、活動甚至改變熱環境的可用氣候控制方面的實際適應性行為具有可行性。本研究采用理論分析和實驗研究相結合的方法，檢測嵌入式系統對典型的動態環境下的空調控制系統進行實時測定和計算機化控制的效果。

2嵌入式控制的仿真和實現

2．1嵌入式控制的仿真

在本節中，對提出的方法進行理論分析，揭示了嵌入式系統在實際應用中量化確定空調機組實時控制系統室內舒適溫度的可行性。采用空調系統的單一區域空間的室內空氣溫度控制是該領域的一個傳統問題。室內空氣溫度應保持在參考溫度。在空調控制系統中，采用溫度控制器對空調機組進行調節，以減小參考溫度與室內空氣溫度之間的偏差。在數學建模中，將空調空間視為集總熱電容。根據能量平衡原理，空調空間儲存的能量變化率等于以下各項之和：通過空間包膜獲得熱量的速率、從供應空氣冷卻的速率、設備產生熱量的速率、從滲透獲得熱量的速率和從流出冷卻損失的速率。常微分方程可以表示為：CdTdt＝T（o－T）＋ρcpqsT（s－T）＋L＋Q（1）式中：T是在一個裝有空調的室內空氣的溫度（℃）；To是室外溫度（℃）；Ts是空調機組送風的溫度（℃）；C是空調空間的整體熱容（kJ／℃）；η是整個墻壁，地板和天花板的透光率（kW／℃）；ρ是空氣的密度（m3／s）；cp是空氣的比熱（kJ／（kg℃））；qs是供給空氣的流量（m3／s）；L是來自內部的熱負荷熱代（kW）；Q是從滲透或外溢中獲得的熱（kW）；t是的時間（s）。由式（1）可以看出，在空調空間內，不僅可以利用送風的流量，還可以利用送風的溫度，根據參考溫度來改變室內空氣的溫度。在前者中，采用變風量的方法通過冷卻盤管的流量來調節送風。在實踐中，可以通過風門或變速風扇來控制空間的送風流量。然而，當需要較低的送風流量時，這種操作可能會導致送風流量不足，無法吸收新鮮空氣。在后者中，送風溫度可變控制被廣泛利用，成為實現能源效率和舒適環境的最有效手段之一，獨立調節送風，使室內空氣質量適宜。可以通過改變冷卻盤管中流體的溫度來調節供氣的溫度。在本仿真研究中，采用變溫控制來保持空調系統的熱舒適。對于知名的溫度控制器，可以采用比例積分（PI）控制律：ut（）＝kpTrt（）－T（）（t）＋ki∫（Trt（）－T（t））dt（2）式中：Tr為參考溫度（℃）；u為送風溫度可達到的差值；kp和ki分別為控制律的比例增益和積分增益。因此，送風溫度由溫控器調節，可通過以下方式確定：Tst（）＝T×＋u（t）（3）式中：T×是給定運行條件下送風的溫度。溫度控制器用于比較空調空間內室內空氣的參考溫度和測量溫度。由此產生的誤差表示為室內實際溫度與參考溫度的偏差。在有誤差的情況下，應用式（2）中的控制律來產生送風溫度的微分，即使室外環境或冷負荷發生變化，室內空氣的真實值也遵循參考溫度。本文提出了室內舒適溫度的確定方法，以確定空調系統實時運行時的參考溫度。一種自適應舒適溫度方法描述如下。該方法通過對居住人員真實生活條件下的PMV七點舒適性量表進行訪談，獲得居住人員在空調空間的熱舒適感知。據現場熱舒適調查數據顯示，居民的室內舒適溫度與室外溫度呈線性相關關系。可以表示為：Tc＝mTo＋c（4）式中：To為室外溫度；m和c為常系數，可由擬合現場熱舒適訪談數據的最小二乘法確定。需要注意的是，室外溫度可以直接作為由天氣或季節引起的主要影響因素，它使居住者在其變化時通過選擇衣服、活動、情緒等來進行相應的適應。需要指出的是，模型獲得的舒適線表明了在給定的實驗場中，受試者會感到舒適的室內溫度。它可以作為實施的初始猜測，在進一步獲得居住者的熱舒適信息后進行微調。由式（4）可知，當且僅當室外溫度已知時，可以確定室內舒適溫度。實時控制的關鍵困難在于無法提前知道室外溫度，而這正是空調的溫度控制系統所需的要求。為了避免這一問題，在室外溫度數據已知的基礎上，建立灰色預測模型，生成室外溫度的離散時間序列數據。在灰度預測方案中，室外溫度的變化在一定范圍內被視為一個“灰度”值的時變過程。灰度預測采用數據生成方法，從過去和現在已知的室外溫度數據中獲得一個有規則的生成序列，以預測未來數據。在這段時間內有兩種主要的數學運算：累積生成運算和反向累積生成運算，它們生成用于捕獲這種灰度過程的基本工具。為簡便起見，當且僅當環境變化足夠小時，室外溫度的測量值可以用來估計參考溫度。顯然，室外溫度的行為是受復雜的動態環境控制的。在該方法中，模型預測控制器利用灰度預測模型以及當前和過去室外溫度的測量來確定室外溫度本身未來的變化。利用預測的室外溫度，確定與實際值相近的相應的室內舒適溫度，作為下一個時間步的設定點。從技術上講，用預測值代替電流實測值，使控制信號延遲的后果最小。雖然需要一些復雜的計算，但在嵌入式控制系統中易于實現，預測知識具有對現實環境中隨時發生重大變化的魯棒自適應能力。

2．2嵌入式控制的實現

本文提出的方法使室內舒適溫度可以一直作為參考溫度進行系統的實現。在不了解這一點的情況下，如參考文獻［6］中的調查，據報道，在目前使用的常規空調機組中，參考溫度通常設置在較低的溫度。另一方面，在動態環境下，參考溫度也可以設定在較高的溫度。該嵌入式系統由實時溫度控制器、室內舒適溫度確定計算單元組成。一個模數轉換器實現了室外空氣溫度和室內空氣溫度的測量。計算單元根據室外溫度的順序數據確定參考溫度。溫度控制器用于調節空調機組的受控變量，即送風溫度，其方式是使空調空間內進風口的空氣溫度遵循參考溫度。

3結語

本文章的工作是利用計算機控制方法和技術將人體熱舒適的新概念設計集成到機械空調機組的一次高潛力的嘗試。該嵌入式系統通過市場上可用的標準控制密集的微控制器，被設計用于執行實時計算功能，從傳感器和控制空調單元相應地測量獲取空氣溫度。通過對實際人員熱舒適反應的實驗評價，推導出該知識，并通過室外空氣溫度的函數簡要推導出室內舒適溫度。在此基礎上，建立了自適應舒適模型和灰度預測模型，對嵌入式系統中溫度設定點控制的自適應控制算法進行灰度計算。在現場研究中，對受試者的熱舒適滿意度進行了問卷調查。本文系統地進行了理論和現場研究，首次展示了嵌入式自適應熱舒適控制系統的技術和實踐進展的具體前景。所提出的方法在將自適應舒適知識融入嵌入式系統、在服務使用中保持人體熱舒適方面具有較高的可行性。在今后的工作中，可將相對濕度作為一個可控制的變量，以更嚴格地滿足熱舒適。在這種控制條件下研究熱舒適滿意度、能源效率和實施實踐是有理論和實際意義的。

作者：吳劍 高榮娜 孫雁 孫魯寧 倪金 單位：青島海高設計制造有限公司 青島海爾創新科技有限公司