摘 要：介紹一種用目前檢測、控制領域的新技術
虛擬儀器技術及LabVIEW8．0 軟件開發平臺，結合經典PID 控制，并根據樓宇遮陽自動控制系統的特點開發的具有自適應功能的樓宇遮陽智能控制系統。該系統具有原理簡單、高效、節能、高可靠性等特點。
關鍵詞：虛擬儀器樓宇 遮陽控制系統
引言
自1973 年發生石油危機以來，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達程度和其所處的地理位置緊密相關，但無論是發達國家還是發展中國家，在總能耗中，建筑能耗約為25%～45%。為此，建筑節能無疑被世界各國列為節能工作中的重點。其中，若能做到有效的遮陽，則對節能有著十分重要的意義。
建筑遮陽技術的應用可以降低大量的能耗。特別是夏季，造成室內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[1]。建筑遮陽可阻斷陽光照射，如果在建筑的外場和內部附加遮陽設施，不僅可以減少陽光的直接射入室內，從而避免室內過熱，降低空調的制冷能耗，可以調節室內光線，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]。據光測和計算，采用遮陽系數小的白色窗簾／百葉，其能耗可降低1/3，而閉窗情況下，有、無遮陽，室內溫差達1～2°C。冬季，遮陽系統打開，合理地采集陽光提升室內溫度。
日照的變化和氣候的變化需要遮陽系統實時的調節，這樣才能最大限度地降低能耗，所以，在外窗運用新型材料的同時還應運用遮陽系統及通風系統控制技術，使其在適當的溫度、空氣質量、風力及光線下自動調節百葉／遮陽簾的開度，減少空調系統的運行時間和照明時間，合理利用自然能源達到降低能耗的目的。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，不能實現實時的開啟／關閉及角度調節。因此，為了滿足樓宇遮陽系統具有性能最佳、而造價和運營費用最低的最優設計要求，本文將具有高速、可靠、精確數據采集處理能力的虛擬儀器應用在遮陽控制系統中，根據光照度的改變自動調節通風系統效果，從而實現實時的節能控制。
1 遮陽自動控制系統的軟硬件結構
遮陽的設備多種多樣，這里討論兩種最有效的百葉及卷簾遮陽。遮陽設備根據樓宇的結構及建筑物的朝向分區布置 [4]。本系統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，通過調節電機轉動來推動遮陽百葉的直線推桿機構，進而控制百葉的開度。
對于卷簾開閉則由電機控制滾軸轉動來完成，以此來阻隔太陽光的輻射及合理利用自然光，從而達到節能和防止眩光的目的。在此系統中軟件采樣NI 公司的專用測控軟件LabVlEW8.0，硬件采取用零槽控制器使
工控機與PXI 總線相連的方式，再配以NI 公司的DAQ (插入式數據采集卡)，利用LabVlEW8.0 的CIN 模塊實現與C 語言的接口，將采樣數據和系統各電機的運行參數寫入數據庫。這樣可以用VC++的ADO 對象管理工程數據庫，便于對系統遮陽的全部歷史數據進行統計分析。卷簾的控制相對簡單，每個卷簾只需配置相應的電機和照度傳感器，主機根據季節及照度編程即可控制其開和關。而百葉的調節相對復雜，因此在這里詳細說明。根據測量對象和控制目標確定系統的軟硬件結構，控制電機驅動系統的控制模塊和原理如圖1 和圖2 所示。本系統需要采集的數據有室內外光照度，控制對象為電機。全部電機都通過步進控制。
圖 1 系統控制模塊圖
圖 2 控制原理圖
所有采集的模擬信號都經過信號調理后經A/D 轉換輸入計算機，計算機隨數據進行處理后發出命令經D/A 轉換給執行機構。驅動電動機的動作通過變速總成轉換為直線推桿機構（設所選電動機為直線驅動器）的動作，從而控制推桿行程進而調節百葉的開度。
2 PID 實現控制目標
系統的硬件原理圖如圖3 所示。因為建筑物內部結構復雜，需控制的情況各不相同，又從經濟性出發，故本系統采用獨立并行的PID 控制模塊，每個PID 對應控制兩臺電機。為了使遮陽百葉的開度隨著光照度的改變而合理調整，可以把照度在一定范圍內劃分為幾個區域對電機進行控制，分別調整百葉的開度為最大開度的1/3、1/2、3/4 等，從而使整個系統具有更好的靈活性和動態特性。由
數據采集卡采集傳感器信號并送入計算機，經過程序分析后作出相應的動作去調節對應此傳感器附近的電機，表現出來的硬件操作便是PID 控制器的輸出經D／A 變換后的電壓信號作為對應電機的控制信號。
圖 3 系統硬件圖
常規PID 控制的傳遞函數為[5]
G(S) = Kp + Ki/S + Kd S
將式(1)轉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和微分常數。Kp=0.6 Kc，Kp和Kd 的變化范圍分別為[Kp,min , Kp,min ]和[Kd,,min , Kd,,min ]，這范圍可以由經驗或實驗來確定[5]。
PID 控制中最主要的3 個常數是增益系數Kc、積分時間常數Ti、微分時問常數Td。這3 個常數值的大小取決于控制對象的動態特性，過大或過小都將使輸出變量產生震蕩。對于通風控制系統而言，由于系統響應時間長，信號變化緩慢，合理設置PID 控制的比例系數、微分時間常數和控制的循環時間常數是系統控制成敗的關鍵。考慮到季節與照度的關系，不同范圍內的照度調節其時間常數會有些差異，本系統對各照度傳感器的信號的處理程序進行了細分，描述了一個適應各調節范圍的控制參數表，系統將根據控制對象的變化情況自動選擇控制參數，以達到最佳的控制效果。
3 結束語
虛擬儀器技術在測控領域中的應用非常廣泛，本系統中利用虛擬儀器給系統的開發與集成帶來了極大的方便，大幅度地縮短了開發周期，提高了開發質量及控制精度。利用AutoPID控制算法的良好自適應控制能力，能夠保證實現遮陽系統的自動控制，有很好的發展空間，DAQ
數據采集卡并用LabVIEW 8.0 為開發工具，軟硬件開發周期約為幾周時間，真個系統響應速度快，運行非常可靠并且結構簡單，易于故障診斷，經濟實用；相對類似的系統如果采用普通開發工具如C／C++、VC++等，雖能大大的縮短開發周期，但常常需要維護且不可靠。可見Lab VIEW 在縮短開發周期、實時性、提高工程質量及可靠性方面的優點非常明顯，而且系統的節能效果很好。
參考文獻
1 卜 震，陸善后，范洪武.窗戶遮陽技術在節能住宅中的應用研究[J].上海建設科技，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 陳一飛．智能型遮陽控制系統的研究及構建[J]．安徽建筑工業學院學報(自然科學版)，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 陶永華,尹怡欣等. 新型PID 控制及其應用[M]. 機械工業出版社, 1998 年09 月第1 版 2,222
