基于變頻式模糊控制分體空調(diào)器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

空調(diào)技術(shù)的目標(biāo)就是要為人們創(chuàng)造一個(gè)舒適的環(huán)境，但從室內(nèi)環(huán)境而言，恒溫環(huán)境并非是衛(wèi)生和舒適的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。因?yàn)槌藴囟纫酝?，還有濕度、空氣流速等多種因素影響到舒適的程度。而常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)大多采用簡(jiǎn)單的機(jī)械溫控開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定控制溫度，通過(guò)壓縮機(jī)的停開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的恒溫控制。這種以溫度為變量的運(yùn)行方式一方面忽略了影響人體舒適感的多因素性；另一方面由于壓縮機(jī)頻繁的起動(dòng)和停止，不僅壓縮機(jī)易損壞，且將造成一定的能量損耗。而采用模糊控制的變頻式空調(diào)器，可以自動(dòng)根據(jù)室內(nèi)的熱環(huán)境因素調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，為人們創(chuàng)造一個(gè)舒適環(huán)境，同時(shí)也有利于節(jié)約電能，延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用壽命。

1 變頻空調(diào)器的工作原理

變頻空調(diào)器采用由變頻壓縮機(jī)、電子膨脹閥、 室內(nèi)外換熱器和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的可變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)，該系統(tǒng)主要完成三大調(diào)節(jié)功能，即：壓縮機(jī)功率調(diào)節(jié)、制冷劑流量調(diào)節(jié)和熱交換器能力的調(diào)節(jié)。其中壓縮機(jī)功率調(diào)節(jié)由變頻器完成，制冷劑流量則由電子膨脹閥調(diào)節(jié)，而熱交換能力則由風(fēng)扇調(diào)節(jié)。

變頻空調(diào)器采用模糊控制技術(shù)對(duì)輸入變量作模糊技術(shù)處理后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多變量的動(dòng)態(tài)控制，其控制關(guān)系如圖１所示。它包括三個(gè)輸入量：室內(nèi)溫差及其隨時(shí)間的變化率，室內(nèi)換熱器管壁的溫度及其隨時(shí)間的變化率，室外換熱器管壁的溫度及其隨時(shí)間的變化率。輸出量包括對(duì)空調(diào)器的制冷、制熱、除濕、化霜、風(fēng)向、風(fēng)量等功能實(shí)行智能化控制。

變頻空調(diào)器的工作原理可參見(jiàn)圖2，它可分為模糊輸入接口、模糊推理判別決策機(jī)構(gòu)和模糊輸出接口三個(gè)部分。

模糊輸入接口的主要功能是根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計(jì)算所選擇的系統(tǒng)的輸入變量，并將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?，即將被控系統(tǒng)的溫差及溫差變化率的精確值轉(zhuǎn)化為模糊量，以便進(jìn)行模糊推理和決策。

模糊決策機(jī)構(gòu)的主要功能是根據(jù)輸入變量的模糊量和模糊推理規(guī)則表推斷出控制決策。

模糊輸出接口的主要功能是把經(jīng)模糊推理決策后所得的模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量，去控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 模糊控制在變頻空調(diào)器中的實(shí)現(xiàn)

變頻空調(diào)器的控制器在自動(dòng)工作方式下，根據(jù)溫差和溫差變化率推斷出變頻器的工作頻率，進(jìn)而控制壓縮機(jī)的運(yùn)行速度。

2.1 精確量的模糊化

本系統(tǒng)采用目前廣泛采用的二維模糊控制器。設(shè)模糊變量為：e？溫差、de/dt？溫差變化率、f？輸出量。相應(yīng)的模糊語(yǔ)言變量取值為：

e=？負(fù)大（NB）？負(fù)?。∟S）？零（ZO）？正?。≒S），正大（PB） ？

△e=？負(fù)高（NH）？負(fù)低（NL）？零（ZO）？正低（PL）？正高（PH）？

f=？零（ZO）？低（L）？中（M）？高（H）？最高（MH）？

精確量的模糊化主要是求各詞集的隸屬函數(shù)。

2.2.1 溫差模糊子集的隸屬函數(shù)

可將溫差論域劃分為7檔？-3，-2，-1，0，1，2，3？，通過(guò)統(tǒng)計(jì)可得模糊變量e的統(tǒng)計(jì)表，如表1所示。

2.2.2 溫差變化率模糊子集的隸屬函數(shù)

設(shè)溫差變化率論域劃分為7檔？-3，-2，-1，0，1，2，3？， 通過(guò)統(tǒng)計(jì)可得模糊變量de/dt的賦值表，如表2所示。

2.2.3 輸出量模糊子集的隸屬函數(shù)

設(shè)輸出量量化論域劃分為7檔？0，1，2，3，4，5，6？，通過(guò)統(tǒng)計(jì)可得輸出變量f的賦值表如表3所示。

2.2 模糊控制規(guī)則的形成

對(duì)于雙輸入單輸出模糊控制器，其控制規(guī)則可寫成如下形式：

IF e=Ai and de/dt=Bj then f=Cij ？i=1 2？…？n j=1 2？…？m

其中Ai：溫差e模糊子集，Bj？溫差變化率de/dt模糊子集，Cij？輸出量f模糊子集。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析、歸納，可確定模糊控制規(guī)則如表4所示。

2.3 模糊推理

表4中的控制規(guī)則可表示成一個(gè)總的模糊關(guān)系R，即R的隸屬函數(shù)為？

當(dāng)輸入模糊變量分別取模糊集Ai、Bj時(shí)，根據(jù)模糊推理合成規(guī)則可得輸出量Cij？

Cij= AiXBj oR

則輸出量C的隸屬函數(shù)為？

根據(jù)以上公式得到輸出量的隸屬函數(shù)后，采用加權(quán)平均法，則系統(tǒng)最終的精確量

3 變頻空調(diào)器硬件系統(tǒng)

新型的變頻式模糊控制空調(diào)器實(shí)際上是一個(gè)多CPU控制系統(tǒng)，如圖3和圖4所示。

它主要包括三個(gè)部分：紅外遙控發(fā)射系統(tǒng)、室內(nèi)機(jī)組控制系統(tǒng)、室外機(jī)組控制系統(tǒng)。其中紅外遙控發(fā)射系統(tǒng)是一個(gè)良好的人機(jī)交互系統(tǒng)，便于用戶選擇相應(yīng)的空調(diào)器工作方式和工作參數(shù)，控制空調(diào)器的開(kāi)停；室內(nèi)機(jī)組控制系統(tǒng)接收來(lái)自于發(fā)射系統(tǒng)的遙控指令，借助于傳感技術(shù)，采用模糊邏輯推理自動(dòng)設(shè)定風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)工作頻率，控制室內(nèi)風(fēng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速以及風(fēng)門的搖擺動(dòng)作，并且將有關(guān)的決策信息通過(guò)串行通信方式傳遞到室外機(jī)組；室外機(jī)組控制系統(tǒng)接收室內(nèi)機(jī)組的串行指令，利用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的制冷量連續(xù)調(diào)節(jié)。三者既相互獨(dú)立，又能有效地傳遞、交換信息，最終成為一個(gè)有機(jī)的整體，使之達(dá)到操作方便、工作可靠、技術(shù)性能穩(wěn)定、性價(jià)比高等期望結(jié)果。

4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

變頻式模糊控制分體空調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)分為室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)和遙控器三部分。室內(nèi)機(jī)與遙控器之間通過(guò)紅外信號(hào)編碼傳遞控制指令，室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)之間由串行通信接口傳送信息。

室內(nèi)機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，其軟件控制系統(tǒng)由主程序和若干子程序組成。子程序包括三個(gè)層次，最高層次有制冷子程序、除濕子程序、快速／超靜子程序、應(yīng)急控制子程序；中間層次有風(fēng)機(jī)速度控制子程序、風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)控制子程序、紅外遙控指令輸入捕捉中斷服務(wù)子程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷服務(wù)子程序、IRQ外部中斷服務(wù)子程序；最低層次有串行通信子程序、數(shù)據(jù)采集及濾波子程序、延時(shí)子程序、報(bào)警提示子程序、模糊推理機(jī)等。其主程序流程圖如圖5所示。

室外機(jī)控制系統(tǒng)軟件可分為壓縮機(jī)變頻控制模塊，與室內(nèi)機(jī)的通信模塊和信號(hào)采集、控制輸出三大模塊。其中變頻控制軟件是室外機(jī)控制系統(tǒng)的核心。其主程序流程圖如圖6所示。

變頻式空調(diào)器，采用模糊控制技術(shù)可根據(jù)周圍環(huán)境狀況自動(dòng)采取最佳運(yùn)行方式，以達(dá)到最舒適的環(huán)境。它抗干擾能力強(qiáng)，成本低，又省電，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

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