導(dǎo)語：嵌入式系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)空調(diào)舒適溫度控制一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：通過計(jì)算機(jī)實(shí)施的環(huán)境控制策略是將人類熱舒適研究的新知識(shí)與機(jī)械空調(diào)機(jī)組相結(jié)合的最有效途徑之一。近年來，隨著空調(diào)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的迅速發(fā)展，室內(nèi)最優(yōu)最舒適的氣溫不僅僅取決于室內(nèi)的環(huán)境，而且來自室外空氣氣溫的變化，傳統(tǒng)的溫度測(cè)定方法不能直接作為設(shè)定最佳溫度的方式。因?yàn)槭覂?nèi)住戶對(duì)于空氣的動(dòng)態(tài)溫度的適應(yīng)程度來自穿衣以及戶外活動(dòng)，所以室外氣溫等也越來越成為舒適溫度的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。此文提出了一個(gè)模擬自適應(yīng)函數(shù)的算法來具體量化室內(nèi)最佳最舒適氣溫的嵌入式原型的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。從理論角度出發(fā)，提出了一種結(jié)合灰色預(yù)測(cè)模型的自適應(yīng)舒適模型，探索了基于舒適溫度的空調(diào)空間控制的實(shí)際應(yīng)用，證實(shí)了通過嵌入式系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)空調(diào)機(jī)組實(shí)現(xiàn)室內(nèi)舒適溫度適應(yīng)性的可行性。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)控制；空調(diào)機(jī)組；嵌入式系統(tǒng)；室內(nèi)舒適氣溫

人類室內(nèi)住戶的健康和身體素質(zhì)受空調(diào)舒適程度的影響極大。近年來，提高空調(diào)控制的效率的關(guān)鍵組成元素是空調(diào)機(jī)的控制方法以及嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)算速度。此外，室內(nèi)環(huán)境的熱量可接受程度越來越收到科研人士的矚目［1］，創(chuàng)新低功耗的空調(diào)系統(tǒng)的控制算法成為研究人員亟待解決的問題。這種現(xiàn)狀不斷地要求一系列可以替換空調(diào)軟件系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，以保證大多數(shù)人員在整個(gè)操作過程中的舒適性，從而有效地利用能源。在空調(diào)質(zhì)量和空氣質(zhì)量都能夠達(dá)到較高水平的前提下，給空調(diào)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)氣操作可以極大地提高資源的利用率。通常情況下，通風(fēng)可以提高室內(nèi)帶有空調(diào)的空氣環(huán)境的品質(zhì)，如圖1所示，從室外環(huán)境引入適量的新鮮空氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用最佳的送新風(fēng)和回風(fēng)［2］可以保證空氣的質(zhì)量。有了這一基礎(chǔ)，處理空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜問題可以簡(jiǎn)化為控制送風(fēng)的物理?xiàng)l件，如送風(fēng)的溫度、濕度等，以達(dá)到熱舒適。目前，市場(chǎng)上的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，并有實(shí)際的溫度推薦依據(jù)。該方案應(yīng)用于一個(gè)典型的空調(diào)系統(tǒng)，即在環(huán)境動(dòng)態(tài)變化和居住者適應(yīng)性強(qiáng)的情況下，室內(nèi)空氣溫度被調(diào)節(jié)在一個(gè)固定的參考溫度，這在實(shí)際上是相當(dāng)理想的。

1相關(guān)工作

根據(jù)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55－1981［3］，熱舒適被定義為表達(dá)對(duì)熱環(huán)境滿意的心理狀態(tài)。熱環(huán)境感知受六個(gè)熱變量的影響：（1）空氣溫度，（2）輻射溫度，（3）相對(duì)濕度，（4）空氣流速，（5）居住者在各種活動(dòng)中的代謝率，（6）衣物［4］。通過實(shí)驗(yàn)研究，得到的預(yù)測(cè)平均投票（PMV）方程可以從這6個(gè)熱變量中估計(jì)人類對(duì)熱環(huán)境的平均響應(yīng)。PMV的熱響應(yīng)指數(shù)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(shí)存在最小不滿意率，并且隨著熱響應(yīng)指數(shù)遠(yuǎn)離中性，不滿意率呈指數(shù)增長(zhǎng)。需要指出的是，上面的最后兩個(gè)熱變量，即代謝率和衣服，可以由居住者自己根據(jù)人的感覺、當(dāng)?shù)貧夂蚧蚣竟?jié)和地理等環(huán)境約束自由調(diào)整為中性。在應(yīng)用工作中，根據(jù)利雅得［5］氣候條件下的熱舒適圖推薦了月調(diào)溫方案。據(jù)了解，強(qiáng)調(diào)人工調(diào)節(jié)參考溫度，鼓勵(lì)居住者了解到在可接受熱舒適的建筑物中有哪些節(jié)能措施。然而，手動(dòng)設(shè)定的參考值在實(shí)施自適應(yīng)舒適溫度的實(shí)時(shí)控制中可能并不方便有效。近年來，許多研究試圖根據(jù)熱環(huán)境的變化，開發(fā)一種可調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)參考溫度，使大多數(shù)居住者始終能夠滿足熱舒適條件［6］?；诂F(xiàn)場(chǎng)研究提出的自適應(yīng)熱舒適模型，使居住者在使用服裝、活動(dòng)甚至改變熱環(huán)境的可用氣候控制方面的實(shí)際適應(yīng)性行為具有可行性。本研究采用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，檢測(cè)嵌入式系統(tǒng)對(duì)典型的動(dòng)態(tài)環(huán)境下的空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定和計(jì)算機(jī)化控制的效果。

2嵌入式控制的仿真和實(shí)現(xiàn)

2．1嵌入式控制的仿真

在本節(jié)中，對(duì)提出的方法進(jìn)行理論分析，揭示了嵌入式系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中量化確定空調(diào)機(jī)組實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)室內(nèi)舒適溫度的可行性。采用空調(diào)系統(tǒng)的單一區(qū)域空間的室內(nèi)空氣溫度控制是該領(lǐng)域的一個(gè)傳統(tǒng)問題。室內(nèi)空氣溫度應(yīng)保持在參考溫度。在空調(diào)控制系統(tǒng)中，采用溫度控制器對(duì)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減小參考溫度與室內(nèi)空氣溫度之間的偏差。在數(shù)學(xué)建模中，將空調(diào)空間視為集總熱電容。根據(jù)能量平衡原理，空調(diào)空間儲(chǔ)存的能量變化率等于以下各項(xiàng)之和：通過空間包膜獲得熱量的速率、從供應(yīng)空氣冷卻的速率、設(shè)備產(chǎn)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(gè)裝有空調(diào)的室內(nèi)空氣的溫度（℃）；To是室外溫度（℃）；Ts是空調(diào)機(jī)組送風(fēng)的溫度（℃）；C是空調(diào)空間的整體熱容（kJ／℃）；η是整個(gè)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(nèi)部的熱負(fù)荷熱代（kW）；Q是從滲透或外溢中獲得的熱（kW）；t是的時(shí)間（s）。由式（1）可以看出，在空調(diào)空間內(nèi)，不僅可以利用送風(fēng)的流量，還可以利用送風(fēng)的溫度，根據(jù)參考溫度來改變室內(nèi)空氣的溫度。在前者中，采用變風(fēng)量的方法通過冷卻盤管的流量來調(diào)節(jié)送風(fēng)。在實(shí)踐中，可以通過風(fēng)門或變速風(fēng)扇來控制空間的送風(fēng)流量。然而，當(dāng)需要較低的送風(fēng)流量時(shí)，這種操作可能會(huì)導(dǎo)致送風(fēng)流量不足，無法吸收新鮮空氣。在后者中，送風(fēng)溫度可變控制被廣泛利用，成為實(shí)現(xiàn)能源效率和舒適環(huán)境的最有效手段之一，獨(dú)立調(diào)節(jié)送風(fēng)，使室內(nèi)空氣質(zhì)量適宜?？梢酝ㄟ^改變冷卻盤管中流體的溫度來調(diào)節(jié)供氣的溫度。在本仿真研究中，采用變溫控制來保持空調(diào)系統(tǒng)的熱舒適。對(duì)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(fēng)溫度可達(dá)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(fēng)溫度由溫控器調(diào)節(jié)，可通過以下方式確定：Tst（）＝T×＋u（t）（3）式中：T×是給定運(yùn)行條件下送風(fēng)的溫度。溫度控制器用于比較空調(diào)空間內(nèi)室內(nèi)空氣的參考溫度和測(cè)量溫度。由此產(chǎn)生的誤差表示為室內(nèi)實(shí)際溫度與參考溫度的偏差。在有誤差的情況下，應(yīng)用式（2）中的控制律來產(chǎn)生送風(fēng)溫度的微分，即使室外環(huán)境或冷負(fù)荷發(fā)生變化，室內(nèi)空氣的真實(shí)值也遵循參考溫度。本文提出了室內(nèi)舒適溫度的確定方法，以確定空調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)的參考溫度。一種自適應(yīng)舒適溫度方法描述如下。該方法通過對(duì)居住人員真實(shí)生活條件下的PMV七點(diǎn)舒適性量表進(jìn)行訪談，獲得居住人員在空調(diào)空間的熱舒適感知。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)熱舒適調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，居民的室內(nèi)舒適溫度與室外溫度呈線性相關(guān)關(guān)系?？梢员硎緸椋篢c＝mTo＋c（4）式中：To為室外溫度；m和c為常系數(shù)，可由擬合現(xiàn)場(chǎng)熱舒適訪談數(shù)據(jù)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(jié)引起的主要影響因素，它使居住者在其變化時(shí)通過選擇衣服、活動(dòng)、情緒等來進(jìn)行相應(yīng)的適應(yīng)。需要指出的是，模型獲得的舒適線表明了在給定的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中，受試者會(huì)感到舒適的室內(nèi)溫度。它可以作為實(shí)施的初始猜測(cè)，在進(jìn)一步獲得居住者的熱舒適信息后進(jìn)行微調(diào)。由式（4）可知，當(dāng)且僅當(dāng)室外溫度已知時(shí)，可以確定室內(nèi)舒適溫度。實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵困難在于無法提前知道室外溫度，而這正是空調(diào)的溫度控制系統(tǒng)所需的要求。為了避免這一問題，在室外溫度數(shù)據(jù)已知的基礎(chǔ)上，建立灰色預(yù)測(cè)模型，生成室外溫度的離散時(shí)間序列數(shù)據(jù)。在灰度預(yù)測(cè)方案中，室外溫度的變化在一定范圍內(nèi)被視為一個(gè)“灰度”值的時(shí)變過程?；叶阮A(yù)測(cè)采用數(shù)據(jù)生成方法，從過去和現(xiàn)在已知的室外溫度數(shù)據(jù)中獲得一個(gè)有規(guī)則的生成序列，以預(yù)測(cè)未來數(shù)據(jù)。在這段時(shí)間內(nèi)有兩種主要的數(shù)學(xué)運(yùn)算：累積生成運(yùn)算和反向累積生成運(yùn)算，它們生成用于捕獲這種灰度過程的基本工具。為簡(jiǎn)便起見，當(dāng)且僅當(dāng)環(huán)境變化足夠小時(shí)，室外溫度的測(cè)量值可以用來估計(jì)參考溫度。顯然，室外溫度的行為是受復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境控制的。在該方法中，模型預(yù)測(cè)控制器利用灰度預(yù)測(cè)模型以及當(dāng)前和過去室外溫度的測(cè)量來確定室外溫度本身未來的變化。利用預(yù)測(cè)的室外溫度，確定與實(shí)際值相近的相應(yīng)的室內(nèi)舒適溫度，作為下一個(gè)時(shí)間步的設(shè)定點(diǎn)。從技術(shù)上講，用預(yù)測(cè)值代替電流實(shí)測(cè)值，使控制信號(hào)延遲的后果最小。雖然需要一些復(fù)雜的計(jì)算，但在嵌入式控制系統(tǒng)中易于實(shí)現(xiàn)，預(yù)測(cè)知識(shí)具有對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中隨時(shí)發(fā)生重大變化的魯棒自適應(yīng)能力。

2．2嵌入式控制的實(shí)現(xiàn)

本文提出的方法使室內(nèi)舒適溫度可以一直作為參考溫度進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在不了解這一點(diǎn)的情況下，如參考文獻(xiàn)［6］中的調(diào)查，據(jù)報(bào)道，在目前使用的常規(guī)空調(diào)機(jī)組中，參考溫度通常設(shè)置在較低的溫度。另一方面，在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，參考溫度也可以設(shè)定在較高的溫度。該嵌入式系統(tǒng)由實(shí)時(shí)溫度控制器、室內(nèi)舒適溫度確定計(jì)算單元組成。一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了室外空氣溫度和室內(nèi)空氣溫度的測(cè)量。計(jì)算單元根據(jù)室外溫度的順序數(shù)據(jù)確定參考溫度。溫度控制器用于調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組的受控變量，即送風(fēng)溫度，其方式是使空調(diào)空間內(nèi)進(jìn)風(fēng)口的空氣溫度遵循參考溫度。

3結(jié)語

本文章的工作是利用計(jì)算機(jī)控制方法和技術(shù)將人體熱舒適的新概念設(shè)計(jì)集成到機(jī)械空調(diào)機(jī)組的一次高潛力的嘗試。該嵌入式系統(tǒng)通過市場(chǎng)上可用的標(biāo)準(zhǔn)控制密集的微控制器，被設(shè)計(jì)用于執(zhí)行實(shí)時(shí)計(jì)算功能，從傳感器和控制空調(diào)單元相應(yīng)地測(cè)量獲取空氣溫度。通過對(duì)實(shí)際人員熱舒適反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，推導(dǎo)出該知識(shí)，并通過室外空氣溫度的函數(shù)簡(jiǎn)要推導(dǎo)出室內(nèi)舒適溫度。在此基礎(chǔ)上，建立了自適應(yīng)舒適模型和灰度預(yù)測(cè)模型，對(duì)嵌入式系統(tǒng)中溫度設(shè)定點(diǎn)控制的自適應(yīng)控制算法進(jìn)行灰度計(jì)算。在現(xiàn)場(chǎng)研究中，對(duì)受試者的熱舒適滿意度進(jìn)行了問卷調(diào)查。本文系統(tǒng)地進(jìn)行了理論和現(xiàn)場(chǎng)研究，首次展示了嵌入式自適應(yīng)熱舒適控制系統(tǒng)的技術(shù)和實(shí)踐進(jìn)展的具體前景。所提出的方法在將自適應(yīng)舒適知識(shí)融入嵌入式系統(tǒng)、在服務(wù)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(duì)濕度作為一個(gè)可控制的變量，以更嚴(yán)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(shí)施實(shí)踐是有理論和實(shí)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(shè)計(jì)制造有限公司 青島海爾創(chuàng)新科技有限公司