摘 要：介紹一種用目前檢測、控制領(lǐng)域的新技術(shù)
虛擬儀器技術(shù)及LabVIEW8．0 軟件開發(fā)平臺，結(jié)合經(jīng)典PID 控制，并根據(jù)樓宇遮陽自動控制系統(tǒng)的特點(diǎn)開發(fā)的具有自適應(yīng)功能的樓宇遮陽智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有原理簡單、高效、節(jié)能、高可靠性等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器樓宇 遮陽控制系統(tǒng)
引言
自1973 年發(fā)生石油危機(jī)以來，能源問題已成為一個永恒不變的話題。在全球的能源消耗中，盡管建筑能耗與各國的發(fā)達(dá)程度和其所處的地理位置緊密相關(guān)，但無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，在總能耗中，建筑能耗約為25%～45%。為此，建筑節(jié)能無疑被世界各國列為節(jié)能工作中的重點(diǎn)。其中，若能做到有效的遮陽，則對節(jié)能有著十分重要的意義。
建筑遮陽技術(shù)的應(yīng)用可以降低大量的能耗。特別是夏季，造成室內(nèi)溫度過高的主要原因是外墻的吸熱和陽光通過窗戶直射入室內(nèi)[1]。建筑遮陽可阻斷陽光照射，如果在建筑的外場和內(nèi)部附加遮陽設(shè)施，不僅可以減少陽光的直接射入室內(nèi)，從而避免室內(nèi)過熱，降低空調(diào)的制冷能耗，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)光線，合理利用自然光減少照明用電，還可以避免陽光直接輻射的眩光引起視覺的不舒適[2]。據(jù)光測和計(jì)算，采用遮陽系數(shù)小的白色窗簾／百葉，其能耗可降低1/3，而閉窗情況下，有、無遮陽，室內(nèi)溫差達(dá)1～2°C。冬季，遮陽系統(tǒng)打開，合理地采集陽光提升室內(nèi)溫度。
日照的變化和氣候的變化需要遮陽系統(tǒng)實(shí)時的調(diào)節(jié)，這樣才能最大限度地降低能耗，所以，在外窗運(yùn)用新型材料的同時還應(yīng)運(yùn)用遮陽系統(tǒng)及通風(fēng)系統(tǒng)控制技術(shù)，使其在適當(dāng)?shù)臏囟取⒖諝赓|(zhì)量、風(fēng)力及光線下自動調(diào)節(jié)百葉／遮陽簾的開度，減少空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時間和照明時間，合理利用自然能源達(dá)到降低能耗的目的。目前的遮陽方式大都沿用最古老的方式，要么室內(nèi)的遮陽簾／百葉，要么室外的遮陽蓬等。這其中絕大部分為人工來控制遮陽方式或是借助電動裝置通過人工來操縱遮陽簾的工作[3]。這種控制方式只能控制遮陽簾／百葉的開／關(guān)，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時的開啟／關(guān)閉及角度調(diào)節(jié)。因此，為了滿足樓宇遮陽系統(tǒng)具有性能最佳、而造價和運(yùn)營費(fèi)用最低的最優(yōu)設(shè)計(jì)要求，本文將具有高速、可靠、精確數(shù)據(jù)采集處理能力的虛擬儀器應(yīng)用在遮陽控制系統(tǒng)中，根據(jù)光照度的改變自動調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)效果，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時的節(jié)能控制。
1 遮陽自動控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)
遮陽的設(shè)備多種多樣，這里討論兩種最有效的百葉及卷簾遮陽。遮陽設(shè)備根據(jù)樓宇的結(jié)構(gòu)及建筑物的朝向分區(qū)布置 [4]。本系統(tǒng)通過采集樓宇中分散在各個位置的光照度傳感器的信號來做出反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動來推動遮陽百葉的直線推桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)而控制百葉的開度。
對于卷簾開閉則由電機(jī)控制滾軸轉(zhuǎn)動來完成，以此來阻隔太陽光的輻射及合理利用自然光，從而達(dá)到節(jié)能和防止眩光的目的。在此系統(tǒng)中軟件采樣NI 公司的專用測控軟件LabVlEW8.0，硬件采取用零槽控制器使
工控機(jī)與PXI 總線相連的方式，再配以NI 公司的DAQ (插入式數(shù)據(jù)采集卡)，利用LabVlEW8.0 的CIN 模塊實(shí)現(xiàn)與C 語言的接口，將采樣數(shù)據(jù)和系統(tǒng)各電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)寫入數(shù)據(jù)庫。這樣可以用VC++的ADO 對象管理工程數(shù)據(jù)庫，便于對系統(tǒng)遮陽的全部歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。卷簾的控制相對簡單，每個卷簾只需配置相應(yīng)的電機(jī)和照度傳感器，主機(jī)根據(jù)季節(jié)及照度編程即可控制其開和關(guān)。而百葉的調(diào)節(jié)相對復(fù)雜，因此在這里詳細(xì)說明。根據(jù)測量對象和控制目標(biāo)確定系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，控制電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的控制模塊和原理如圖1 和圖2 所示。本系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)有室內(nèi)外光照度，控制對象為電機(jī)。全部電機(jī)都通過步進(jìn)控制。
圖 1 系統(tǒng)控制模塊圖
圖 2 控制原理圖
所有采集的模擬信號都經(jīng)過信號調(diào)理后經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)隨數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)出命令經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。驅(qū)動電動機(jī)的動作通過變速總成轉(zhuǎn)換為直線推桿機(jī)構(gòu)（設(shè)所選電動機(jī)為直線驅(qū)動器）的動作，從而控制推桿行程進(jìn)而調(diào)節(jié)百葉的開度。
2 PID 實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)
系統(tǒng)的硬件原理圖如圖3 所示。因?yàn)榻ㄖ飪?nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需控制的情況各不相同，又從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，故本系統(tǒng)采用獨(dú)立并行的PID 控制模塊，每個PID 對應(yīng)控制兩臺電機(jī)。為了使遮陽百葉的開度隨著光照度的改變而合理調(diào)整，可以把照度在一定范圍內(nèi)劃分為幾個區(qū)域?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行控制，分別調(diào)整百葉的開度為最大開度的1/3、1/2、3/4 等，從而使整個系統(tǒng)具有更好的靈活性和動態(tài)特性。由
數(shù)據(jù)采集卡采集傳感器信號并送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過程序分析后作出相應(yīng)的動作去調(diào)節(jié)對應(yīng)此傳感器附近的電機(jī)，表現(xiàn)出來的硬件操作便是PID 控制器的輸出經(jīng)D／A 變換后的電壓信號作為對應(yīng)電機(jī)的控制信號。
圖 3 系統(tǒng)硬件圖
常規(guī)PID 控制的傳遞函數(shù)為[5]
G(S) = Kp + Ki/S + Kd S
將式(1)轉(zhuǎn)化為另一種等價的形式為
式中，Ti= Kp / Ki 、Td= Kd / Kp，分別稱積分時間常數(shù)和微分常數(shù)。Kp=0.6 Kc，Kp和Kd 的變化范圍分別為[Kp,min , Kp,min ]和[Kd,,min , Kd,,min ]，這范圍可以由經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)來確定[5]。
PID 控制中最主要的3 個常數(shù)是增益系數(shù)Kc、積分時間常數(shù)Ti、微分時問常數(shù)Td。這3 個常數(shù)值的大小取決于控制對象的動態(tài)特性，過大或過小都將使輸出變量產(chǎn)生震蕩。對于通風(fēng)控制系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)響應(yīng)時間長，信號變化緩慢，合理設(shè)置PID 控制的比例系數(shù)、微分時間常數(shù)和控制的循環(huán)時間常數(shù)是系統(tǒng)控制成敗的關(guān)鍵。考慮到季節(jié)與照度的關(guān)系，不同范圍內(nèi)的照度調(diào)節(jié)其時間常數(shù)會有些差異，本系統(tǒng)對各照度傳感器的信號的處理程序進(jìn)行了細(xì)分，描述了一個適應(yīng)各調(diào)節(jié)范圍的控制參數(shù)表，系統(tǒng)將根據(jù)控制對象的變化情況自動選擇控制參數(shù)，以達(dá)到最佳的控制效果。
3 結(jié)束語
虛擬儀器技術(shù)在測控領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，本系統(tǒng)中利用虛擬儀器給系統(tǒng)的開發(fā)與集成帶來了極大的方便，大幅度地縮短了開發(fā)周期，提高了開發(fā)質(zhì)量及控制精度。利用AutoPID控制算法的良好自適應(yīng)控制能力，能夠保證實(shí)現(xiàn)遮陽系統(tǒng)的自動控制，有很好的發(fā)展空間，DAQ
數(shù)據(jù)采集卡并用LabVIEW 8.0 為開發(fā)工具，軟硬件開發(fā)周期約為幾周時間，真?zhèn)€系統(tǒng)響應(yīng)速度快，運(yùn)行非常可靠并且結(jié)構(gòu)簡單，易于故障診斷，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；相對類似的系統(tǒng)如果采用普通開發(fā)工具如C／C++、VC++等，雖能大大的縮短開發(fā)周期，但常常需要維護(hù)且不可靠。可見Lab VIEW 在縮短開發(fā)周期、實(shí)時性、提高工程質(zhì)量及可靠性方面的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，而且系統(tǒng)的節(jié)能效果很好。
參考文獻(xiàn)
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