變頻空調模糊控制系統(tǒng)的設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上變頻空調模糊控制系統(tǒng)的設計摘要隨著人民生活水平的不斷提高，家用空調器的需求量逐年增加。變頻空調由于性能優(yōu)異，節(jié)省能源等特點，逐漸成為各大空調器生產企業(yè)的發(fā)展方向，變頻技術也日漸得到各空調器廠商的重視。模糊控制變頻空調器的優(yōu)點是高效節(jié)能，起動電流小，工作噪聲小，溫度控制精度高，算法簡單，控制簡單等，可以創(chuàng)造出人體適應的溫度環(huán)境。采用無刷直流電機作為壓縮機的驅動電機，能獲得更好的控制性能，能效比高，且使用壽命更長。本論文通過對變頻空調模糊控制系統(tǒng)的設計，達到了預期的要求。通過對模糊控制的基本理論以及模糊控制器的基本結構的闡述，認識了設計模糊控制的基本方法，并聯(lián)系變頻空調的

2、實際，設計出適合變頻空調使用的模糊控制器。本論文以變頻空調的設計為主線，介紹了變頻空調基本結構，無刷直流電動機的工作原理，以及模糊控制的基本思想，闡述了以下的一些主要問題:變頻空調的優(yōu)勢，一般分體式空調的工作原理，無刷直流電動機工作原理，模糊控制的具體設計方案的選擇以及結合實際并在MATLAB下進行建模仿真。關鍵詞變頻空調；模糊控制；MATLABThe design for fuzzy control system of variable-frequency air-conditionAbstractWith the improvement of peoples standard of liv

3、ing, home air-conditioner will be more and more required. Recently, inverter air conditioner, with the merits of high performance and energy conservation, has become the developing direction of the main air conditioner manufacturing enterprises. Inverter technique has been increasingly focused on by

4、 the manufacturers.The advantage of fuzzy-control inverter air-condition lies on the high efficiency, high precision of temperature control, simple arithmetic, simple control theory, low start up current and low noise. Furthermore, using brushless DC motor as the compressor can get high efficiency a

5、nd long life span.The variable-frequency air-condition fuzzy controller are the major object of control in the design.It contains the basic theory of fuzzy control the basic structure of fuzzy logic controller,cognizes the method of fuzzy control,and contacts the actual applications ,designs a fuzzy

6、 logic controller of variable-frequency air-condition.This thesis focuses on the design of variable-frequency air-condition. It explains the theory of variable-frequency air-condition ,how the brushless DC motor works., The major issues have been addressed as follows: The characters of brushless DC

7、motor and parted air-condition , the advantage of variable-frequency air-condition than general air-condition, implementation of fuzzy arithmetic, how to use tool box of Matlab to set up the model of actual applications of variable-frequency air-condition , Simulink of Matlab and etc.Keywords variab

8、le-frequency air-condition; fuzzy control; Matlab不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印專心-專注-專業(yè)目錄摘要IAbstractII千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 課題背景空調器是室內空氣調節(jié)器的簡稱，它是一種向封閉空間提供經(jīng)過處理的空氣的設備。因其具有優(yōu)良的空氣調節(jié)性能，可為人們創(chuàng)造舒適的工作生活環(huán)境，正在眾多家庭及企事業(yè)單位得到廣泛的普及和應用。它可對房間的溫度、相對濕度、氣流速度和潔凈度等進行一定調節(jié)，其最

9、主要最基本的功能就是對溫度的調節(jié)。人們對空氣調節(jié)的追求與實踐已經(jīng)有100多年的歷史了。1851年，美國人約翰戈里制造了世界上第一臺商用制冷空調機。1859年，德國工程師費爾迪南卡爾林達發(fā)明了氨-水吸收式制冷機，它應用了水對氨氣具有強烈吸收能力的原理，這種較為原始的制冷機曾一度應用于生產和商業(yè)。1872年，美國人波依爾發(fā)明了活塞式氨氣壓縮制冷劑1，經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進，一直沿用至今。但是直到1902年，美國的開利（WillisHaviland Carrier）博士發(fā)明了世界上第一部真正意義上的空調。從此，隨著人們生活水平的不斷提高，空調器已經(jīng)成為家庭生活的必需品。人們對空調器的要求也已經(jīng)從初期的

10、僅僅滿足于制冷、制熱的簡單功能發(fā)展到追求舒適、享受的多種功能。在這發(fā)展的過程中，空調器也完成了從定頻空調向變頻空調的轉變，其控制策略也相應的發(fā)生了轉變。變頻空調器與普通空調器或稱定轉速空調器的主要區(qū)別是前者增加了變頻器。我國的電網(wǎng)電壓為220伏、50赫茲，因此在這種條件下工作的空調稱之為“定頻空調”。因為供電頻率不能改變，傳統(tǒng)的定頻空調的壓縮機轉速基本不變，其溫度控制原理是通過溫度傳感器感知室內溫度變化，并依靠其不斷地“開、?！眽嚎s機來調整室內溫度，其一開一停之間容易造成室溫忽冷忽熱，并消耗較多的電能。壓縮機的ONOFF控制方式、空調器自身的非線性和大延遲時滯系統(tǒng)的結構特點，以及壓縮機室內的輸

11、出與壓縮機室外的輸出相比有一定的滯后性，這樣就造成室內溫度波動性較大，勢必影響空調的溫度控制精度和人體的舒適性。所以，傳統(tǒng)空調對溫度的調節(jié)是一種斷續(xù)的變化過程，它不能根據(jù)環(huán)境溫度變化及時調整空調器工作狀態(tài)（即壓縮機轉速）。所以說，傳統(tǒng)空調器存在著溫度控制方式機械、能源浪費大、溫度舒適度差等問題。另外傳統(tǒng)空調采用PID控制算法，需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，也不易獲得。隨著制冷技術、電機控制技術、電力電子技術和智能控制技術的發(fā)展，近年來人們采用模糊邏輯控制算法并與變頻技術相結合，應用于空調，使得一種高效節(jié)能、高舒適度的空調常規(guī)模糊變頻空調成為消費者的所愛。這種空調可以通過改變壓縮機的轉速來連續(xù)

12、的調節(jié)壓縮機的負荷，以適應動態(tài)變化的空調房間負荷需要，較定頻空調具有更優(yōu)越的運行經(jīng)濟性和舒適性，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在制冷（制熱）迅速、控溫精確、適應范圍寬、節(jié)能等方面。盡管常規(guī)模糊變頻空調與傳統(tǒng)的定頻空調相比，技術上有了很大的進步，但是常規(guī)模糊變頻空調其技術參數(shù)的確定，通常是根據(jù)專家經(jīng)驗事先設定好的。由于其參數(shù)值是按標準環(huán)境設定的，不能很好考慮空調所在室內環(huán)境的差異、季節(jié)的變化以及個體舒適度等因素。如青年人希望空調溫度調節(jié)變化速率快一些，而老年人則希望空調溫度調節(jié)變化速率慢一些；有的人認為夏季空調室內溫度設置為20左右為好；而另外一些人則認為室內外溫差不宜太大，否則人們會有不舒適感覺。常規(guī)模糊變頻

13、空調，由于控制規(guī)則已經(jīng)事先確定了，當環(huán)境溫度變化較大時，會出現(xiàn)輸出突變的情況（忽上忽下），這樣不但浪費能量，而且使人感到不舒適。這就要求變頻空調在用戶使用的過程中具有自學習功能，即空調的運行參數(shù)能根據(jù)室內環(huán)境的差異、季節(jié)的變化及個體舒適度差異等因素，進行調節(jié)，不再根據(jù)標準環(huán)境設定的參數(shù)運行，能“以人為本”的最優(yōu)化參數(shù)自動運行。這樣空調不僅給人們帶來更舒適的感覺，而且能節(jié)約更多的電能，達到真正的智能。1.2 空調控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 空調因其具有優(yōu)良的空氣調節(jié)性能，可為人們創(chuàng)造舒適的工作生活環(huán)境，正在眾多家庭及企事業(yè)單位得到廣泛的普及和應用。 從空調控制系統(tǒng)的發(fā)展過程看，其經(jīng)歷了從傳統(tǒng)定速空調控制

14、系統(tǒng)到變頻調速空調控制系統(tǒng)的轉變。傳統(tǒng)定速空調器控制系統(tǒng)中一直采用單相異步電動機，對電機采取簡單的開關式控制，壓縮機的轉速不可調節(jié)，電能損耗、被控環(huán)境溫度波動及噪音都很大，壓縮機容易受沖擊損壞。隨著人們生活水平的提高及能源短缺問題的出現(xiàn)，舒適與節(jié)能性空調的研究逐漸提到日程上來，在制冷技術、電機控制技術、電力電子技術、微電子技術和控制理論發(fā)展的帶動下，變頻空調就應運而生并因其節(jié)能舒適等優(yōu)越性能越來越受到大家的青睞，逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)定速空調走入歷史舞臺。變頻空調控制系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境熱負荷的變化來控制壓縮機的轉速，從而控制空調器的制冷量（制熱量）。當室內需要急速降溫或急速升溫、室內空調負荷加大時壓縮機轉

15、速在微處理器的控制下加快，制冷量(或制熱量)按比例增加;當室內負荷減小時，壓縮機轉速則按比例減小，因此，隨著季節(jié)和晝夜的變化，空調器的變速運轉既可以節(jié)能又可保證房間內舒適。變頻空調器控制系統(tǒng)改善了普通空調控制系統(tǒng)的不足，具有很多優(yōu)點：如壓縮機采用了比單相電機效率更高的三相電機，在電機的控制上采用了變頻調速技術，在室內溫度的調節(jié)上則引入了自動控制理論，采用了智能模糊控制的控制策略，使得在大部分運轉時間電機的運轉速度能和室內的負荷相協(xié)調，避免了壓縮機的斷續(xù)運轉，與普通空調相比有效地延長了壓縮機的使用壽命；壓縮機從低頻啟動，啟動電流小，對電網(wǎng)無沖擊，對其它電器無干擾等；啟動后，壓縮機能夠高速運轉，快

16、速接近設定溫度；當室內溫度趨向設定溫度時，壓縮機低速運轉，減少開停次數(shù)，降低室溫波動，提高舒適度等。因此，變頻空調的出現(xiàn)是空調器發(fā)展的一次變革，有廣闊的發(fā)展前景，是空調的一個重要發(fā)展方向。1.3 模糊控制在變頻空調器上的應用隨著電力電子技術和單片機技術的發(fā)展，空調器的控制方法發(fā)生了很大的變化。以單片機為核心的溫度控制器采用PID調節(jié)，能構成一個閉環(huán)連續(xù)控制系統(tǒng)。由于空調系統(tǒng)的被控對象是房間的溫度場，它與空調器進行熱交換的工況相當復雜，制約因素太多，系統(tǒng)的數(shù)學模型很難確定，而PID調節(jié)器參數(shù)的整定在很大程度上依賴于精確的數(shù)學模型，兩者的矛盾很難統(tǒng)一。模糊控制FLC（Fuzzy Logic Con

17、trol）是人工智能領域中形成最早、應用最廣泛的一個重要分支，適合于結構復雜且難以用傳統(tǒng)理論建模的問題。在空調系統(tǒng)的控制過程中，由于控制對象的時滯，時變和非線性的特征比較明顯，導致控制參數(shù)不易在線調節(jié)，而FLC卻能較好地適應這些特征，因此引起了空調領域的普遍關注，目前已經(jīng)成功地應用到家用空調器上，日本、西歐等發(fā)達國家在這一領域處于領先水平。隨著模糊控制技術在空調器中應用研究的不斷深入，在控制目標方面從早期的溫度控制發(fā)展到與其它人工智能領域相結合的職能模糊控制。為了提高控制器的控制效果，適應過程參數(shù)的變化對控制系統(tǒng)的要求，出現(xiàn)了在線模糊參數(shù)的自適應、自組織模糊控制器等。如在日本已經(jīng)出現(xiàn)了基于遺傳

18、算法的模糊空調器、模糊神經(jīng)元控制的空調系統(tǒng)等2。國內在模糊控制方面的研究雖然起步較晚，但是發(fā)展很快，取得了一些令人鼓舞的成就。第2章 變頻空調器的結構及原理2.1 變頻空調技術簡介變頻空調與普通空調器或稱定轉速空調器的主要區(qū)別是前者增加了變頻器。變頻空調的微電腦隨時收集室內環(huán)境的有關信息與內部的設定值比較，經(jīng)運算處理輸出控制信號。交流變頻空調的工作原理是把工頻交流電轉換為直流電源，并把它送到功率模塊(大功率晶體管開關組合)；同時模塊受微電腦送來的控制信號控制，輸出頻率可調的交變電源(合成波形近似正弦波)，使壓縮機電機的轉速隨電源頻率的變化作相應的變化，從而控制壓縮機的排量，調節(jié)制冷量或制熱量。

19、直流變頻空調同樣把工頻交流電轉換為直流電源，并送至功率模塊，模塊同樣受微電腦送來的控制信號控制，所不同的是模塊輸出受控的直流電源(無逆變環(huán)節(jié))送至壓縮機的直流電機，控制壓縮機的排量，因此直流變頻空調更省電，噪聲更小。變頻空調的壓縮機由變頻電機拖動，電源變頻器輸出頻率變化的交流電給電動機，使電動機的轉速可以根據(jù)室內制冷量的需要而連續(xù)變化，最終壓縮機的制冷量達到連續(xù)變化的自動控制。為了配合制冷量的連續(xù)變化，制冷系統(tǒng)中采用了電子膨脹閥，由脈沖電機開關閥芯，快速控制進入蒸發(fā)器的制冷劑流量。其主要特點為： 變頻器能使壓縮機電動機的轉速無級連續(xù)可調，其轉速是根據(jù)室內空調負荷而成比例變化的，當室內需要急速降

20、溫(或急速升溫)，空調負荷加大時，壓縮機轉速就加快，制冷量(或制熱量)就按比例增加，當達到設定溫度時，隨即處于低速運轉維持室溫基本不變。變頻空調的節(jié)流是運用電子膨脹閥控制量，它的室外微處理器可以根據(jù)設在膨脹閥進出口、壓縮機中氣管處的溫度傳感 器收集的信息來控制閥門的開啟度，隨時改變制冷劑的流量。壓縮機的轉速與膨脹閥的開啟度相對應，使蒸發(fā)器的能力得到最大限度的發(fā)揮。同時，由于采用了電子膨脹閥作為節(jié)流元件，化霜時不停機，利用壓縮機排氣的熱量先向室內供熱，余下熱量送到室外，將換熱器翅片上的霜融化。變頻空調將逐步取代傳統(tǒng)的定轉速空調，成為空調控制技術發(fā)展的主流。變頻技術已從交流式向直流式轉化，控制技術

21、由PWM(脈沖寬度調制)發(fā)展為PAM(脈沖振幅調制)。采用PWM控制方式的壓縮機轉速受到上限轉速的限制，一般不超過7000轉/分，而采用PAM控制方式的壓縮機轉速可提高1.5倍左右，這樣大大提高了制冷和低溫下的制冷能力4。2.2 變頻空調的特點所謂的“變頻空調”是與傳統(tǒng)的“定頻空調”相比較而產生的概念。眾所周知，我國的電網(wǎng)電壓為220V、50Hz，在這種條件下工作的空調稱之為“定頻空調”。由于供電頻率不能改變，傳統(tǒng)的定頻空調的壓縮機轉速基本不變，依靠其不斷地“開、停”壓縮機來調整室內溫度，其一開一停之間容易造成室溫忽冷忽熱，并消耗較多電能。而與之相比，“變頻空調”變頻器改變壓縮機供電頻率，調節(jié)

22、壓縮機轉速。依靠壓縮機轉速的快慢達到控制室溫的目的，室溫波動小、電能消耗少，其舒適度大大提高。而運用變頻控制技術的變頻空調，可根據(jù)環(huán)境溫度自動選擇制熱、制冷和除濕運轉方式，使居室在短時間內迅速達到所需要的溫度并在低轉速、低能耗狀態(tài)下以較小的溫差波動，實現(xiàn)了快速、節(jié)能和舒適控溫效果。 供電頻率高，壓縮機轉速快，空調器制冷（熱）量就大；而當供電頻率較低時，空調器制冷（熱）量就小，這就是所謂“定頻”的原理。變頻空調的核心是它的變頻器，變頻器是20世紀80年代問世的一種高新技術，它通過對電流的轉換來實現(xiàn)電動機運轉頻率的自動調節(jié)，把50Hz的固定電網(wǎng)頻率改為30至130Hz的變化頻率，使空調完成了一個新

23、革命。同時，還使電源電壓范圍達到140V至270V，徹底解決了由于電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定而造成空調器不能正常工作的難題。變頻空調每次開始使用時，通常是讓空調以最大功率、最大風量進行制熱或制冷，迅速接近所設定的溫度。由于變頻空調通過提高壓縮機工作頻率的方式，增大了在低溫時的制熱能力，最大制熱量可達到同品牌、同級別空調器的1.5倍，低溫下仍能保持良好的制熱效果。此外，一般的分體機只有四檔風速可供調節(jié)，而變頻空調器的室內風機自動運行時，轉速會隨壓縮機的工作頻率在12檔風速范圍內變化，由于風機的轉速與空調器的能力配合較為合理，實現(xiàn)了低噪音的寧靜運行。當空調高功率運轉，迅速接近所設定的溫度后，壓縮機便在低轉速

24、、低能耗狀態(tài)運轉，僅以所需的功率維持設定的溫度。這樣不但溫度穩(wěn)定，還避免了壓縮機頻繁地開開停停所造成的對壽命的衰減，而且耗電量大大下降，實現(xiàn)了高效節(jié)能。變頻空調器有交流變頻空調器和直流變頻空調器兩種。交流變頻空調器的壓縮機采用三相感應電動機。其工作原理是把交流電源轉變?yōu)橹绷麟娫?，作為變頻器的電源，再改變壓縮機電流的頻率。控制器根據(jù)室內機檢測到的信號，通過微機運算產生運轉頻率信號。這個頻率可變的運轉頻率信號，通過逆變器產生三相交流電，施加到壓縮機上，從而改變壓縮機的轉速。直流變頻空調器中的壓縮機采用直流電動機。其變頻原理是把交流電變?yōu)橹绷麟?，把可變的直流電壓送至直流電動機，控制壓縮機的排量。變頻

25、空調器的控制技術逐步由PWM(脈沖寬度調制)向PAM(脈沖振幅調制)發(fā)展。變頻技術從交流式向直流式發(fā)展。變頻器由微電腦芯片進行控制3，控制系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-1 變頻式空調器控制系統(tǒng)框圖2.3 變頻空調的優(yōu)勢一般空調機由于電源頻率50Hz是固定的，所以壓縮機的轉速是固定的，也就是被稱為“空調機血液”的冷媒（氟利昂）的循環(huán)是恒量的，在一定時間內冷媒的循環(huán)量越大，空調機的輸出功率就越高。也就是說，壓縮機的轉速決定了空調機的輸出功率。而變頻空調是一種使用變頻壓縮機和模糊控制技術的空調器，能根據(jù)室內氣溫的變化，調節(jié)制冷速度。具有低噪音、耗能低等特點。一個15平方米的房間，變頻空調比定頻式調溫

26、速度快610分鐘。達到設定溫度后，變頻空調又能以僅為定頻空調10%的功率低速運轉，以調節(jié)溫度細微損耗，維持恒溫狀態(tài)。試驗顯示，變頻空調噪音低56分貝，壽命長58年，是空調市場未來的發(fā)展方向。表2-1 變頻空調的優(yōu)點項目常規(guī)空調變頻空調適應負荷的能力不能自動適應負荷變化自動適應負荷的變化溫控精度開/關控制，溫度波動范圍2降頻控制，溫度波動范圍0.5啟動性能啟動電流大于額定電流軟啟動，啟動電流很小節(jié)能性開/關控制，不省電自動以低頻維持，省電30%低電壓運轉性能180V以下很難運轉低至150V也可以正常運轉制冷、制熱速度慢快熱冷比小于120%大于140%低溫制熱效果0以下效果差-10時效果仍好化霜性

27、能差準確快速，只需常規(guī)空調一半時間除濕性能定時開/關控制，除濕時有冷感低頻運轉，只除濕不降溫滿負荷運轉無此功能自動以高頻強勁運轉保護功能簡單全面普通空調的壓縮電機采用交流異步電機，轉速不變，50Hz時轉速約為2880r/min。而變頻空調是先把220V、50Hz的單相交流電轉變成為三相變頻交流電(25118Hz)，供給壓縮機，通過頻率變化來調節(jié)壓縮機轉速，使制冷量連續(xù)變化，適應空調負荷的需要。變頻空調相對于普通空調的優(yōu)點如表2-11所示。1. 快速達到制冷、制熱設定溫度。 因為變頻技術的應用，壓縮機的轉速可根據(jù)環(huán)境狀況而調節(jié)，啟動時溫差大，壓機轉速高，制冷(或制熱)能力大。如1.5 匹變頻空調

28、，短時最大的輸出能力相當于2匹定速空調，因此，達到設定溫度快。2. 舒適性好。 當溫度達到設定值附近時，變頻空調壓機調整到合適的轉速，維持當前溫度，使空調的輸出能量與房間環(huán)境之間的交換能量平衡。壓縮機保持輕負荷運行從而室溫變化小。定速空調在溫度達到上限(設定值)后，壓機停止工作，達到下限(設定值)，壓機以定速運轉，室溫變化大。此外，壓機的頻繁啟動、停止，更縮短了壓機的使用壽命。由此可見，變頻空調的制冷(或制熱)效果優(yōu)于定速空調。3. 長時間運行節(jié)電。 節(jié)能家電是時下家電市場宣傳中使用頻率非常高的一個詞，尤其是在目前全社會都提倡節(jié)能的氛圍中，節(jié)能家電的宣傳也顯得愈發(fā)誘人。有人做過同功率變頻和定頻

29、空調的測試，在運行四十分鐘以前，雖然變頻空調耗電量超過定速空調，然后在四十分鐘左右，有一個交匯點，從這一點以后，時間逐漸推長的時候，變頻空調耗電量在逐漸減少。而一般冬天開40分鐘空調不太可能迅速提高房間的溫度，尤其是夜晚空調要開長達七、八的小時以上，其節(jié)電性能就很明顯了。比如定速空調用一度電，變頻空調只需要零點七度，甚至更少。 4. 溫度控制穩(wěn)定。 變頻空調壓縮機的轉速是可以調節(jié)的，通過旋轉的快慢來調節(jié)溫度的變化。而普通空調壓縮機運轉速度是不變的，因此被稱作定速空調。變頻空調對房間里的溫度控制比較穩(wěn)定，而定速空調它的房間溫度有一定的波動范圍，大概會比變頻空調溫度波動范圍大兩度左右。此外變頻空調

30、達到設定的溫度比定速空調達到房間設定的溫度大概要快一倍的時間。5. 能適應不同電網(wǎng)頻率 50Hz與60Hz地區(qū)都可使用，并可以更好的實現(xiàn)一臺室外機帶多臺室內機的運轉。6. 變頻空調器的其他特點：1) 更好的舒適感 變頻空調器從低速起動到達所設定的室內溫度所需的時間比普通空調器減少了近一半以上，室溫波動小，使人體感覺更加舒適。避免了頻繁起動，減少了起動時的噪聲。2) 更寧靜的室內環(huán)境 變頻空調器風速范圍比普通空調器大得多，隨著壓縮機的工作頻率能在十幾檔風速下變化。降低了運行噪聲，使環(huán)境更寧靜。3) 更寬的電壓工作范圍 變頻空調器輸出電源的頻率由內部的變頻器所控制，因此更加適應外部電壓不穩(wěn)定的情況

31、。在市電150250V的范圍內能可靠運行。同時，由于不存在對電網(wǎng)沖擊的起動電流，減少了對電網(wǎng)的干擾。4) 更先進的除霜功能變頻空調器的制冷循環(huán)系統(tǒng)，采用了電子膨脹閥節(jié)流，利用壓縮機排氣的熱量先向室內供熱，余下的熱量輸送到室外，使換熱器翅片上的霜溶化，實現(xiàn)化霜不停機。 在傳統(tǒng)的空調計算機控制中，使用的是冷熱的概念，中間過程被忽略，當模糊概念應用于空調器，可將溫度劃分為人體感覺的太冷、冷、稍冷、稍熱、熱、太熱等。所以說模糊邏輯可以根據(jù)溫差和溫度變化率等其它多項干擾量，按照人類思維模式進行預測和控制，以達到最舒適的目的。模糊控制變頻空調器的優(yōu)點是高效節(jié)能，起動電流小，工作噪聲小，溫度控制精度高，算法

32、簡單，控制簡單等，可以創(chuàng)造出較舒適的溫度環(huán)境。采用無刷直流電機作為壓縮機的驅動電機，能獲得更好的控制性能，能效比高，且使用壽命更長。變頻空調是隨著制冷技術，電機控制技術，電力電子技術，微電子技術和現(xiàn)代智能控制技術的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型空調器。它能根據(jù)室內需求溫度的不同，連續(xù)、動態(tài)的調節(jié)功率，以大功率迅速制冷，小功率維持室內的溫度恒定，而改變壓縮機功率是靠調節(jié)壓縮機工作頻率來實現(xiàn)的。正是由于這一特點，使變頻空調器的發(fā)展具有巨大的社會經(jīng)濟效益，可以節(jié)約空調用電量，減輕電力供應的壓力，因而變頻空調器得到了國內外人士和業(yè)界的廣泛關注3。隨著電力電子技術和模糊控制技術在空調器中的應用，機電一體化的設計，

33、降低成本的新技術的開發(fā)與研制，會令變頻空調器有更好的市場發(fā)展前景。2.4 變頻空調器的工作原理及基本結構本論文研究的空調器為現(xiàn)在使用最多的分體式空調器，它采用直流變頻，直流變頻控制器原理12如圖2-2所示。變頻空調由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、電磁四通閥、電子膨脹閥、除霜閥、雙毛細管等部件組成。工作時，空調器根據(jù)空調房間的需要，使電動機的轉速加快，壓縮機的制冷量加大，達到快速制冷或制熱的目的，相反，當房間的制冷或制熱量較小時，壓縮機以正常速度或較低速度運轉，因此，變頻空調具有連續(xù)的制冷量調節(jié)，使得房間的溫度波動較小。在壓縮機工作過程中，微電腦系統(tǒng)控制變頻壓縮機的同時，控制電子膨脹閥的開啟度，保持適

34、當?shù)闹评鋭┝髁?，從而直接改變蒸發(fā)器中制冷劑的流量使其狀態(tài)發(fā)生改變，壓縮機的轉速與膨脹閥的開啟度相對應，壓縮機的排氣量與膨脹閥的供液量相對應，使過熱度不至于太大，使蒸發(fā)器的能力得到最大限度的發(fā)揮，從而使制冷系統(tǒng)實現(xiàn)最高效率的控制。圖2-2直流變頻控制器原理框圖它是由室內機和室外機組成的，兩者之間通過制冷劑管道和電纜連接。以制冷為例，說明分體式空調器的工作原理。在制冷循環(huán)中，經(jīng)室外機組中的壓縮機工作，將低溫低壓的制冷劑R22蒸汽壓縮為高溫高壓的過熱蒸汽，并排入冷凝器中，由于風扇的冷卻散熱作用，使過熱的制冷劑氣體逐漸由汽態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，即由過熱蒸汽變?yōu)楦娠柡驼羝?，再由干飽和蒸汽變?yōu)槠?、液共存的濕蒸汽。繼

35、續(xù)冷卻時，濕蒸汽變?yōu)轱柡鸵?。冷凝后的制冷劑液體進入又長又細的毛細管中進行節(jié)流降壓，由于毛細管阻礙制冷劑液體流動，故壓力下降，因此就為在蒸發(fā)器中汽化創(chuàng)造了條件。在蒸發(fā)器中，制冷劑由低壓液體狀態(tài)變?yōu)槠蟮母娠柡驼羝麪顟B(tài)。在此變化的過程中，實現(xiàn)了熱量的轉移，其結果是蒸發(fā)器外表面及周圍的空氣被冷卻，從而達到了室內制冷的目的。分體式空調器的制冷原理如圖2-3所示。圖2-3 分體式空調器制冷原理圖下面分別說明分體式空調器室內室外機的原理及功能。2.4.1 分體式空調室內機工作原理室內機控制器驅動一路風扇電機、兩路擺葉式步進電機，室內機控制器接收來 自紅外遙控器設定的指令，根據(jù)室溫及室內熱交換器 、室內溫

36、度傳感器采集的溫度 ，進入相應的工作狀態(tài) ，并顯示出運轉狀態(tài) 。室內機控制器包含以下模塊 ：室內機處理器(8位單片機)及其外圍電路。顯示驅動電路(LED/LCD)。室內風扇電機驅動電路。擺葉式步進電機驅動電路。溫度傳感采樣電路。紅外遙控接收/發(fā)送電路。室內外裝置串行通信電路。室內機控制電路框圖如圖2-4所示。圖2-4室內機控制電路框圖室內機 CPU 主要控制室內風機轉速 ，接收/發(fā)送室外機指令。由8位微處理器完成 ，選用美國Microchip公司的 PIC16C73單片機 ，內部采用獨立分離的 8位數(shù)據(jù)總線和 14位指令總線的“哈佛”結構，它是一種精減指令集 RISC結構的高性能比嵌入控制器

37、，可以達到很高的運行速度。時鐘振蕩為 4MHz時，指令周期達1s。另外，它還集成了眾多功能模塊，如雙向可編程的I/0 端 口，具有高驅動電流，可直接驅動LED顯示 ；兩個捕捉/比較/脈沖調制 (CCP)模塊，SSP/SCI串行口，看門狗電路 ，5路 8位 A/D采樣等功能。2.4.2 分體式空調室外機工作原理室外機控制器直接控制著熱交換系統(tǒng) ，工作環(huán)境惡劣，安全 、可靠、高效的性能是設計的重點。室外機控制器包含以下模塊 ：室外機處理器 (8位單片機)及其外圍電路。與室內機的串行通信接口電路。模擬參量傳感器采集 電路。電子膨脹閥及四通閥控制電路。變頻調速壓縮機電機驅動電路。功率控制 (干擾抑制、

38、功率因數(shù)調整等)電路。 LED顯示監(jiān)測電路 。開關電源電路 (IPM 模塊內含)。保護電路。分體式空調室外機的原理圖如圖2-5所示。圖2-5 分體式空調器室外機的原理圖此外，壓縮機采用了無刷直流電動機，這是直流變頻空調器的關鍵所在，因此，在以下對無刷直流電動機進行介紹。2.4.3 無刷直流電動機2.4.3.1 無刷直流電動機概述變頻空調控制器包括遙控發(fā)射器、室內控制單元及室外控制單元三個相對獨立的部分，而壓縮機控制是整個室外機控制的核心。直流電動機一般都有換向器和電刷，其間形成滑動的機械接觸并容易產生火花，引起無線電干擾，過大的火花甚至影響電機的正常運行。此外，因存在著滑動接觸，又使維護麻煩，

39、影響到電機工作的可靠性。所以人們總希望尋求直流電動機的無接觸式換向。近年來，隨著晶體管和大功率可控硅元件的廣泛采用，出現(xiàn)了用晶體管開關電路和位置傳感器來代替電刷和換向器的無刷直流電動機。該電動機既具有直流伺服電動機的機械特性和調節(jié)特性，又具有交流電動機的維護方便、運行可靠等優(yōu)點。無刷直流電機(Brushless DC Motor) (以下簡稱BLDCM)是隨著電力電子技術的發(fā)展和新型永磁材料的出現(xiàn)而迅速發(fā)展起來的一種新型機電一體化電機。下面介紹其主要部分的結構和功能，以及各元件的選擇原則和方法。無刷直流電機的參數(shù)5如下： (1)電機類型：無刷直流電機(BLDCM)； (2)極對數(shù)：p=2； (

40、3)額定轉速：3600rpm； (4)額定輸出功率：650w； (5)每相繞組電阻：R=0.9(20C)； (6)工作頻率：20190Hz； (7)轉子轉動慣量：(Nm)；(8)電勢系數(shù)(mV/rpm)；(9)轉矩系數(shù)(Nm/A)；2.4.3.2 無刷直流電動機的工作原理一般的有刷永磁式直流電動機的定子由永久磁鋼組成，由其在電動機氣隙中產生磁場。電樞繞組放在轉子上，通電以后產生反應磁場。由于電刷的換相作用，使得這兩個磁場的方向在直流電機運行過程中始終保持相互垂直，從而產生最大轉矩驅動電動機不停的旋轉。圖2-6電機運行原理框圖無刷直流電動機為了實現(xiàn)直流電動機的無電刷換向，一般將電樞繞組放在定子上

41、，把永磁磁鋼放在轉子上，與傳統(tǒng)永磁直流電動機的結構剛好相反。但僅這樣做還是不行，沒有電刷的換流作用，用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產生固定磁場，它不能與運動中的轉子磁鋼所產生的永磁磁場相互作用，來產生持續(xù)的單一方向的轉矩，也就無法驅動轉子連續(xù)轉動。所以，無刷直流電機除了由定子和轉子組成電機本體外，還要有位置檢測電路、電子換向電路來共同構成電子換向裝置，如圖 2-6無刷直流電機原理框圖所示，使得無刷直流電機在運行過程中定子繞組所產生的電樞磁場與轉動中的轉子磁鋼產生的永磁磁場，在空間始終保持90左右的電角度。因此，無刷直流電機的基本結構可以認為由電子換向電路、電機本體以及位置檢測電路三者共

42、同組成。 無刷直流電機的電機本體在結構上和永磁同步電動機相似，但是沒有籠型繞組和其他起動裝置，其定子繞組一般為多相(二相、四相、五相等)結構，轉子按一定極對數(shù)（P=1，2)組成。無刷直流電機的運行方式因電動機本體的繞組形式不同而各異，多數(shù)無刷直流電機的定子繞組是三相繞組，本文主要針對這種結構的無刷直流電動機來進行分析研究。圖 2-7 無刷直流電機三相全控電路三相繞組無刷直流電機繞組的連接方式有三相星形連接和三相三角形連接。三相星形三相繞組無刷直流電機的繞組連接方式有三相星形連接和三相三角形連接。三相星形連接有兩種運行方式：三相半控電路方式和三相全控電路方式。圖2-7 所示為三相全控電路方式。三

43、相全控電路運行方式轉矩脈動小，繞組利用率高，應用十分廣泛。三相全控方式因同時導通的繞組數(shù)的區(qū)別而分為兩兩導通方式(也稱為120導通方式)和三三導通方式(也稱為180導通方式)78910。下面以兩兩導通方式來說明三相星形連接的無刷直流電機的工作原理。兩兩導通方式就是指每一瞬間有兩個功率管導通，每隔1/6周期 (60 電角度)換相一次，每次只換相一個功率管，每個功率管導通 120 電角度，如圖 2-2所示，各功率管的導通順序依次是V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1下面來分析其工作原理。當功率管 V1和V2導通時，電流經(jīng)V1管，從A相繞組流入，C相繞組流出，再由V2管回到電源

44、，如下圖(a)所示。這時，兩相繞組中的電流在空間產生的合成磁場方向為如圖b中所示的Fac 的方向，該磁場與轉子磁場相互作用，使轉子沿圖a箭頭方向 (順時針)轉動。當轉子轉到如圖 2-8(c) 所示位置后，V1管關斷。V3管導通，電流經(jīng) V3管，從 B相繞組流入，C相繞組流出，再由 V2管回到電源。這時，兩相繞組中的電流在空間產生的合成磁場方向為如圖2-8(d) 中所示的Fbc的方向，該磁場與轉 子磁場相互所用，使轉子繼續(xù)朝順時針方向轉動，如圖 2-8(c) 箭頭所示。當轉 廣轉到如圖 2-8(e) 所示位置后，V2管關斷，V4管導通，電流經(jīng) V3管，從 B相繞組流入，A相繞組流出，再由 V4管

45、回到電源。這時，兩相繞組中的電流在空間產生的合成磁場方向為如圖2-8(f) 中所示的Fba的方向，該磁場與轉子磁場相互作用，使轉子保持朝順時針為向轉動，如圖2-8(e) 箭頭所示。如此，在 V1V2V3V4V5V6六個管子的循環(huán)輪流導通控制下，每兩相之間依次饋電，轉子磁場始終受到定子合成磁場的作用，使得轉子沿順時針方向連續(xù)轉動，實現(xiàn)電機的旋轉。不難看出，在換相過程中，定子繞組電流在空間內所形成的合成磁場不是連續(xù)的旋轉磁場，而是一種跳躍式的旋轉磁場，每個步進角度為60電角度。(a) (b) (c) (d) (e) (f)圖2-8開關順序及定子磁場旋轉示意圖從上述的分析可以看出，轉子每轉過60電角

46、度，逆變器開關管之間就進行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次。如果標記 VIV2功率管導通時的狀態(tài)為狀態(tài) 1的話，后面依次可以標記為狀態(tài) 2,3,4,5,6。電機總共有 16六個磁狀態(tài)，每一個磁狀態(tài)都是兩相導通，每相繞組中流過電流的時間相當于轉子旋轉 120電角度的時間，每個開關管的導通角為 120電角度，所以這種逆變器稱為120導通型逆變器，這種導通方式習慣上也稱之為 120導通方式。本系統(tǒng)中的電機采用無位置傳感器的無刷直流電機。在設計控制軟件時，主要部分是電機的調速，需控制電機完成起動和正常運行，當切換完成后，電機的運行與有位置傳感器無刷直流電機14相似。切換時，通過軟件調整運行電壓，使切換時

47、刻最佳?？刂茻o刷直流電機起動的軟件流程圖如圖2-9所示12。圖2-9 起動軟件流程圖2.5 本章小結本章主要介紹了變頻空調器的特點以及其相對于傳統(tǒng)空調的優(yōu)勢，對變頻空調技術作了簡單介紹。以分體式直流變頻空調器為例闡述了空調器室內外部分的工作原理，并對采用的無刷直流電動機原理作了簡要分析。第3章 變頻空調模糊控制策略的研究3.1 模糊控制簡介3.1.1 模糊控制基本理論的產生和發(fā)展模糊數(shù)學和模糊控制的概念由美國加州大學的L.A.Zadeh教授在自1965年起相繼發(fā)表的、和等著名論著中首先提出。表達事物模糊性的重要概念隸屬函數(shù)的出現(xiàn)，突破了19世紀末笛卡爾的經(jīng)典集合理論，奠定模糊理論的基礎。197

48、4年，英國的Mamdani首次用模糊邏輯和模糊推理實現(xiàn)了世界上第一個實驗性的蒸汽機控制，并取得了比傳統(tǒng)的直接數(shù)字控制算法更好的效果。1980年丹麥的斯密司公司首次將模糊邏輯芯片應用在水泥烘干機中并取得了成功，這是第一個商業(yè)化的有實際意義的模糊控制器。到目前為止，模糊控制主要應用在動力系統(tǒng)控制、智能機器人和交通管理系統(tǒng)。近年來，模糊控制在水質控制、船舶自動駕駛、鍋爐控制等方面也有廣泛應用。1990年模糊家電在日本興起，模糊技術的應用從大系統(tǒng)轉向了小系統(tǒng)，如房間空調器、洗衣機、電飯煲、照相機等。目前，美國、日本等許多大公司生產的家用電器都應用了模糊控制技術，該技術被稱為21世紀家電的核心技術。我國

49、模糊控制理論及其應用方面的研究工作是從1979年開始的，至今己有20多年，大多是在高等院校和研究所中進行的理論研究，而其成果主要集中于工業(yè)方面，目前在家用電器方面也開始了應用。模糊控制方法是以人的經(jīng)驗和知識為依據(jù)，具有模糊邏輯功能的控制方法，是模仿人的思維方式和人的控制經(jīng)驗來實現(xiàn)的一種控制方法。模糊控制與傳統(tǒng)控制理論有本質的不同，傳統(tǒng)控制立足于對被控對象進行精確的數(shù)學描述，而模糊控制的核心在于只用己知的對系統(tǒng)的粗略的知識描述系統(tǒng)，并在此基礎上引入模糊控制算法。這種方法有三個特點11:1. 不用數(shù)學方程，而用以語言為代表的模糊變量描述系統(tǒng)；2. 用條件命題語句記述模糊變量之間的關系；3. 用模糊

50、推理方法實現(xiàn)系統(tǒng)的運算。事實上，模糊理論應用最有效、最廣泛的領域就是模糊控制，模糊控制在各種領域出人意料地解決了傳統(tǒng)控制理論無法解決或難以解決的問題，模糊控制在工業(yè)大系統(tǒng)中得到了推廣，并取得了一些令人信服的成效。隨著科學技術的高度發(fā)展，被控對象也越來越復雜，其突出表現(xiàn)為它的多輸入多輸出間的強耦合性、系統(tǒng)參數(shù)的時變性、系統(tǒng)結構的嚴重非線性與不確定性，這類系統(tǒng)沒有明確的物理規(guī)律可遵循，傳統(tǒng)的定量分析也是十分困難甚至是無法實現(xiàn)，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論則無法取得好的控制效果。對于此類系統(tǒng)，以模糊集合和模糊邏輯推理為基礎的“模糊模型”的建立，卻是一個理想的途徑。早期的經(jīng)典模糊控制器與常規(guī)的控制器如P

51、ID調節(jié)器相比具有無須建立被控對象的數(shù)學模型、對被控對象的非線性和時變性具有一定的適應能力，即魯棒性較好等特點。但它也有一些需要進一步改進和提高的地方，例如常規(guī)的模糊控制器在結構上過于簡單，系統(tǒng)上升特性不理想、超調大、調節(jié)時間長甚至產生振蕩、抗干擾能力差、控制動作欠細膩，穩(wěn)態(tài)精度欠佳是經(jīng)典模糊控制的一個弱點?；谝陨显蛟S多人對模糊控制策略進行了研究，對常規(guī)模糊控制器進行了改進，如與經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論相結合的多模態(tài)復合型模糊控制器，如模糊+PI，模糊PID等。此類模糊控制器設計出發(fā)點是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，加快動態(tài)響應。當誤差大時采用模糊控制以獲得良好的瞬態(tài)性能，達到一定范圍后則采用PID進行

52、控制以良好的穩(wěn)態(tài)性能。另外為了優(yōu)化控制效果和適應過程參數(shù)的變化，與其它智能方法相結合，如利用神經(jīng)網(wǎng)絡來在線調整模糊控制參數(shù)形成自適應、自組織模糊控制器，利用遺傳算法對模糊規(guī)則進行優(yōu)化等，或在常規(guī)模糊控制器上加性能測試等功能模塊后，使模糊控制向自適應、自組織、自學習方向發(fā)展。目前，模糊控制主要還是建立在人的直覺的、經(jīng)驗的基礎上，也就是說，操作人員對被控系統(tǒng)的了解不是通過精確的數(shù)學表達式，而是通過操作人員豐富的實踐經(jīng)驗和直觀感覺。這種方法可以看成是一組探索式?jīng)Q策規(guī)則，且具有以下特點:1.由于人決策的過程本質上就具有模糊性，所以控制動作具有一定的主觀隨意性，因而對操作人員的控制行為就很難精確解釋。2

53、.人不但可以對簡單物理量的變化做出反應，而且能對復雜變量進行識別和判斷，甚至可以對一些無法測量的事情和現(xiàn)象做出反應。我們可以用語言把操作者的控制策略描述出來，以構成用語言表達的定性的，不確定的決策規(guī)則。在一個控制系統(tǒng)中，控制規(guī)則可以有多個。模糊推理算法不是這些規(guī)則的順序執(zhí)行，而是同時依據(jù)每一條規(guī)則進行推理，把每一條規(guī)則推理的結果綜合起來得出一個有代表性的值作為最終的控制量進行控制。綜上所述，模糊控制就是以人的經(jīng)驗和知識為依據(jù)，采用語言規(guī)則表示的一種人工智能控制規(guī)則，它有一套完整的基礎理論與設計、綜合方法。模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為

54、理論基礎，采用計算機控制技術構成一種具有反饋通道的閉環(huán)結構的數(shù)字控制系統(tǒng)，它的組成核心是具有智能性的模糊控制器18。3.1.2 模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(shù)學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎的數(shù)字控制系統(tǒng)，采用計算機控制技術構成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結構，它的組成核心是智能型的模糊控制器。模糊控制系統(tǒng)的基本結構如圖3-1所示模糊控制系統(tǒng)一般由以下五個部分組成16。 圖3-1 模糊控制器基本結構1.模糊控制器 這是模糊控制系統(tǒng)的核心部分，也是和其它控制系統(tǒng)區(qū)別最大的環(huán)節(jié)。模糊控制器由四個基本部分組成；模糊化: 主要功能是把輸入的精確量轉化為模糊童。即將模糊控制

55、器的輸入信號的精確量轉化到模糊論域上的模糊量，以便進行模糊推理和決策。知識庫: 知識庫中包含了具體應用領域中的知識和要求的目標，通常由數(shù)據(jù)庫和模糊規(guī)則庫兩部分組成。數(shù)據(jù)庫主要包括各語言變量的隸屬度函數(shù)、尺度變換因子和模糊空間的分級數(shù)等;規(guī)則庫包括了用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則，它們反映了控制專家的經(jīng)驗和知識。模糊推理: 模糊推理是模糊控制器的核心，模糊推理決策機構的主要功能是模擬人的基于模糊概念的推理能力，根據(jù)總結人工控制策略取得的語言控制規(guī)則進行模糊推理，決策出模糊輸出控制量。解模糊: 作用是將模糊推理得到的控制量 (模糊量)變換為實際可用于控制的精確量，它包括兩部分內容:一是將模糊控

56、制量經(jīng)過解模糊變換變成表示在論域范圍的精確量;二是將表示在論域范圍的精確量經(jīng)量程轉換變成實際的控制量。2.輸入/輸出接口裝置 在實際系統(tǒng)中，多數(shù)被控對象的控制量及其可觀測狀態(tài)量是模擬量，因此模糊控制器需要通過模/數(shù)轉換從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器的輸出控制量經(jīng)數(shù) /模轉換為模擬信號，送給執(zhí)行機構去控制被控對象。3.被控對象 可以是線性或非線性的、定?；驎r變的，也可是單變量或多變量，以及具有強耦合和干擾等多種情況。一般而言，對于那些難以建立精確數(shù)學模型的復雜對象，適宜選擇模糊控制。4.執(zhí)行機構 可是電氣的，如交、直流電動機，伺服電動機、步進電動機等;也可為氣動和液壓的，如各類氣動調節(jié)閥和液壓馬達、液壓閥等。5.傳感器 由于被控制對象往往為溫度、壓力、