基于LabVIEW的楼宇遮阳控制系统研究 - 文章

基于LabVIEW的楼宇遮阳控制系统研究

作者：华东理工大学张葵凌志浩

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摘要：介绍一种用目前检测、控制领域的新技术虚拟仪器技术及LabVIEW8．0 软件开发平台，结合经典PID 控制，并根据楼宇遮阳自动控制系统的特点开发的具有自适应功能的楼宇遮阳智能控制系统。该系统具有原理简单、高效、节能、高可靠性等特点。
关键词：虚拟仪器楼宇遮阳控制系统

引言

自1973 年发生石油危机以来，能源问题已成为一个永恒不变的话题。在全球的能源消耗中，尽管建筑能耗与各国的发达程度和其所处的地理位置紧密相关，但无论是发达国家还是发展中国家，在总能耗中，建筑能耗约为25%～45%。为此，建筑节能无疑被世界各国列为节能工作中的重点。其中，若能做到有效的遮阳，则对节能有着十分重要的意义。

建筑遮阳技术的应用可以降低大量的能耗。特别是夏季，造成室内温度过高的主要原因是外墙的吸热和阳光通过窗户直射入室内[1]。建筑遮阳可阻断阳光照射，如果在建筑的外场和内部附加遮阳设施，不仅可以减少阳光的直接射入室内，从而避免室内过热，降低空调的制冷能耗，可以调节室内光线，合理利用自然光减少照明用电，还可以避免阳光直接辐射的眩光引起视觉的不舒适[2]。据光测和计算，采用遮阳系数小的白色窗帘／百叶，其能耗可降低1/3，而闭窗情况下，有、无遮阳，室内温差达1～2°C。冬季，遮阳系统打开，合理地采集阳光提升室内温度。

日照的变化和气候的变化需要遮阳系统实时的调节，这样才能最大限度地降低能耗，所以，在外窗运用新型材料的同时还应运用遮阳系统及通风系统控制技术，使其在适当的温度、空气质量、风力及光线下自动调节百叶／遮阳帘的开度，减少空调系统的运行时间和照明时间，合理利用自然能源达到降低能耗的目的。目前的遮阳方式大都沿用最古老的方式，要么室内的遮阳帘／百叶，要么室外的遮阳蓬等。这其中绝大部分为人工来控制遮阳方式或是借助电动装置通过人工来操纵遮阳帘的工作[3]。这种控制方式只能控制遮阳帘／百叶的开／关，不能实现实时的开启／关闭及角度调节。因此，为了满足楼宇遮阳系统具有性能最佳、而造价和运营费用最低的最优设计要求，本文将具有高速、可靠、精确数据采集处理能力的虚拟仪器应用在遮阳控制系统中，根据光照度的改变自动调节通风系统效果，从而实现实时的节能控制。

1 遮阳自动控制系统的软硬件结构

遮阳的设备多种多样，这里讨论两种最有效的百叶及卷帘遮阳。遮阳设备根据楼宇的结构及建筑物的朝向分区布置 [4]。本系统通过采集楼宇中分散在各个位置的光照度传感器的信号来做出反应，通过调节电机转动来推动遮阳百叶的直线推杆机构，进而控制百叶的开度。

对于卷帘开闭则由电机控制滚轴转动来完成，以此来阻隔太阳光的辐射及合理利用自然光，从而达到节能和防止眩光的目的。在此系统中软件采样NI 公司的专用测控软件LabVlEW8.0，硬件采取用零槽控制器使工控机与PXI 总线相连的方式，再配以NI 公司的DAQ (插入式数据采集卡)，利用LabVlEW8.0 的CIN 模块实现与C 语言的接口，将采样数据和系统各电机的运行参数写入数据库。这样可以用VC++的ADO 对象管理工程数据库，便于对系统遮阳的全部历史数据进行统计分析。卷帘的控制相对简单，每个卷帘只需配置相应的电机和照度传感器，主机根据季节及照度编程即可控制其开和关。而百叶的调节相对复杂，因此在这里详细说明。根据测量对象和控制目标确定系统的软硬件结构，控制电机驱动系统的控制模块和原理如图1 和图2 所示。本系统需要采集的数据有室内外光照度，控制对象为电机。全部电机都通过步进控制。

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图 1 系统控制模块图

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图 2 控制原理图

所有采集的模拟信号都经过信号调理后经A/D 转换输入计算机，计算机随数据进行处理后发出命令经D/A 转换给执行机构。驱动电动机的动作通过变速总成转换为直线推杆机构（设所选电动机为直线驱动器）的动作，从而控制推杆行程进而调节百叶的开度。

2 PID 实现控制目标

系统的硬件原理图如图3 所示。因为建筑物内部结构复杂，需控制的情况各不相同，又从经济性出发，故本系统采用独立并行的PID 控制模块，每个PID 对应控制两台电机。为了使遮阳百叶的开度随着光照度的改变而合理调整，可以把照度在一定范围内划分为几个区域对电机进行控制，分别调整百叶的开度为最大开度的1/3、1/2、3/4 等，从而使整个系统具有更好的灵活性和动态特性。由数据采集卡采集传感器信号并送入计算机，经过程序分析后作出相应的动作去调节对应此传感器附近的电机，表现出来的硬件操作便是PID 控制器的输出经D／A 变换后的电压信号作为对应电机的控制信号。

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图 3 系统硬件图

常规PID 控制的传递函数为[5]

G(S) = Kp + Ki/S + Kd S

将式(1)转化为另一种等价的形式为

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式中，Ti= Kp / Ki 、Td= Kd / Kp，分别称积分时间常数和微分常数。Kp=0.6 Kc，Kp和Kd 的变化范围分别为[Kp,min , Kp,min ]和[Kd,,min , Kd,,min ]，这范围可以由经验或实验来确定[5]。

PID 控制中最主要的3 个常数是增益系数Kc、积分时间常数Ti、微分时问常数Td。这3 个常数值的大小取决于控制对象的动态特性，过大或过小都将使输出变量产生震荡。对于通风控制系统而言，由于系统响应时间长，信号变化缓慢，合理设置PID 控制的比例系数、微分时间常数和控制的循环时间常数是系统控制成败的关键。考虑到季节与照度的关系，不同范围内的照度调节其时间常数会有些差异，本系统对各照度传感器的信号的处理程序进行了细分，描述了一个适应各调节范围的控制参数表，系统将根据控制对象的变化情况自动选择控制参数，以达到最佳的控制效果。

3 结束语

虚拟仪器技术在测控领域中的应用非常广泛，本系统中利用虚拟仪器给系统的开发与集成带来了极大的方便，大幅度地缩短了开发周期，提高了开发质量及控制精度。利用AutoPID控制算法的良好自适应控制能力，能够保证实现遮阳系统的自动控制，有很好的发展空间，DAQ 数据采集卡并用LabVIEW 8.0 为开发工具，软硬件开发周期约为几周时间，真个系统响应速度快，运行非常可靠并且结构简单，易于故障诊断，经济实用；相对类似的系统如果采用普通开发工具如C／C++、VC++等，虽能大大的缩短开发周期，但常常需要维护且不可靠。可见Lab VIEW 在缩短开发周期、实时性、提高工程质量及可靠性方面的优点非常明显，而且系统的节能效果很好。

参考文献
1 卜震，陆善后，范洪武.窗户遮阳技术在节能住宅中的应用研究[J].上海建设科技，2005.3：33～36
2 Athanassios Tzempelikos , Andreas K. Athienitis The impact of shading design and control on building cooling and lighting demand[J]. Solar Energy, 2006.06 ,8
3 陈一飞．智能型遮阳控制系统的研究及构建[J]．安徽建筑工业学院学报(自然科学版)，2004，Vol.12 No.4 31～33
4 E.S. Lee *, S.E. Selkowitz The New York Times Headquarters daylighting mockup:Monitored performance of the daylighting control system[J]. Energy and Buildings 2006.03. 917
5 陶永华,尹怡欣等. 新型PID 控制及其应用[M]. 机械工业出版社, 1998 年09 月第1 版 2,222(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/31/2010)


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