（机械工程专业论文）智能电冰箱的模糊控制系统.pdf

东北入学硕士学位论文 摘要 摘要 电冰箱作为应用较为普及的家用电器，近年来，随着微电子技术、传感器技 术以及控制理论的发展，电冰箱具有温度模糊控制、智能化霜、故障自诊功能，同 时还具有控制精度高、性能可靠、省电等优点，并能达到高质量食品保鲜的目的， 这也是电冰箱发展的主要方向。 电冰箱控制的主要任务就是保持箱内食品最佳温度，达到食品保鲜的目的。 由于冰箱内温度受多种不确定因素影响，如放入冰箱中物品的温度、热容量以及 物品的充满率、开门的频繁程度等，冰箱内的温度场的数学模型很难建立，因此 无法用传统的控制方法实现精确控制。 本文采用模糊控制技术可以方便地提高控制精度，配以电子温度检测，对压 缩机的工作状态进行调节，达到精确控温和节能的目的。通过变频控制可以使冷 冻室的温度控制更加合理。当冷冻室需要制冷量比较大的时候，可以通过变频调 控，使电机高速转动，就加强压缩机制冷；同理，当冷冻室制冷量比较小时，则 使电机转速慢一些。就降低压缩机制冷。通过半导体制冷使冷藏室的温度控制更 加精确。在冷藏室需要制冷的时候可以启动半导体制冷，而不用启动压缩机，这 样一方面避免了压缩机的频繁开启，另一方面也节约了能量，同时也保证了冷藏 室的温度更加准确。 为了提高冰箱的性能，软件上还采取了自学习功能、故障运行自恢复功能、 维护自检功能和容错技术等抗干扰设计。该系统具有控制精度高、性能可靠、省 电等特点 关键词：模糊控制论，冰箱，单片处理机，自学习 垒j i 奎兰黧主堂堕熊塞 竺堕! 曼 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r e f l i g e r a t o ra sa w i d e s p r e a df a m i l ye l e c t r o n i c s ，t h e yh a v ea d v a n t a g e so f p e r f e c ta c c u r a c y 、h i 醢p e r f o r m a n c e 、s a v i n ge l e c t r i c i t ya n dk e e p i n gf r e s hf o o do fh i g h q u a l i t y , w h i l ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , s e n o rt e c h n o l o g ya n d c o n t r o lt h e o r y i ti st h em a i no r i e n t a t i o no fd e v e l o p i n gr e f r i g e r a t o r s t h ec o n t r o lo ft h er e f r i g e r a t o ra i m st ok e e pt h ef o o df u r t h e s tt e m p e r a t u r e b u tt h e r ea r e m a n yf a c t o r se f f e c tt h er e f r i g e r a t o rt e m p e r a t u r e ，s u c ha sf o o dt e m p e r a t u r e ，t h e r m a l c a p a c i t y , f u l lo rn o ta n df r e q u e n c yo fo p e n i n gd o o r s oi t sd i f f i c u l to fb u i l d i n gt h e m o d e lo ft h er e f r i g e r a t o r s oi tc a n 。tr e a l i z ep r e c i s i o nc o n t r o lu s i n gt r a d i t i o n a lc o n t r o l m e t h o d 。 t h ep a p e ri m p r o v e st h ec o n t r o lp r e c i s i o nu t i l i z i n gf u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y a n dt h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o nh a sb e e nd e s i g n e di no r d e rt oa v o i ds t a r t i n gu pc o m p r e s s o r f r e q u e n t l y w h i c hm a k e st h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yw o r ka c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t s ot h e r e f r i g e r a t i o no fc o m p r e s s o rw i l lb em o r ee f f e c t i v e s a f ea d o p t st h es e m i c o n d u c t o ra n d c o m p r e s s o rt or e f r i g e r a t e 越t h es a m et i m e 。i nt h en o r m a ls i t u a f i o nt h es a f er e f r i g e r a t e s w i t hr e f r i g e r a t i o no ft h ef r e e z e r w h e nt h ef r e e z e rn e e d sr e f r i g e r a t i o n ，t h es y s t e ms t a r t s t h em e c h a n i s mo fc o m p r e s s i n g t h es a f ec a nr e a c ht h er e f r i g e r a t i o nr e s u l ta tt h es a l n e t i m e w h e nt h ef r e e z e rd o e sn o tn e e dr e f r i g e r a t i o n ，t h es e m i c o n d u c t o rw i l lb eu s e d a l o n e - t h er e s u l tc o n t r o l l e dl i k et h i sc a nm a k et h es a f ea c h i e v et h eg o a lo fc o n t r o l l i n g a l o n eb a s i c a l l y f o rt h ep e r f o r m a n c eo fr e f r i g e r a t o r y , t h es e l f - l e a r n i n g ，s e l f - r e p a i r i n g ，s e l f - c h e c k i n ga n d f a u l tt o l e r a n tt e c h n i q u ea l eu s e di ns o f t w a r ed e s i g n i n g ，t h i ss y s t e mh a st h e a d v a n t a g e s o fh i g hc o n t r o lp r e c i s i o nr e l i a b l ep e r f o r m a n c ea n ds a v i n ge l e c t r i ce n e r g y k e y w o r d s ：f u z z yc o n t r o lt h e o r y , r e f r i g e r a t o r y , s i n g l ec h i pc o m p u t e r , s e l f - l e a r n i n g i i i - 客托大学硪士学位谂文 独销性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一闲工终的露志黠本磺究所傲戆在 嚣爨献均悉在论文孛佟了餮礁 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 张稽 日期： z f ，r 学位论文版权使用授权书 本学位论文佟者耱措导教舞完全了解拳l 乏大学有关傈罄、使耀学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如佟者嚣等隳嗣意网上交流，请在下方签名；否买视为不瀚意。) 学位论文作者躲鬻窆匆噜聊签名纷丢厶 签字日期：踟s 、f 。签字日期：二耐。7 牙 东北大学倾士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 众所剧知，电冰箱是现代家庭中必不可少的家用电器。而目前市售冰箱大多 采用传统的机械式温控，控制精度差，功能单一，控制方式简单难以满足现代冰 箱发展的要求。随着经济的发展和人民生活水平的进一步提高，人们对多功能化 的发展要求越来越高。单片机技术和电子技术的高速发展，使得箱内温度控制可 随冷藏室和冷冻室的不同而分别设定，定时自动除霜、白动制冰、省电等诸多功 能和要求得| 三l 实现。特别是模糊控制技术在家用电器中的应用日趋成熟，为电冰 箱向智能化方向发展提供了有利技术支持。 1 2 智能冰箱系统概述 1 2 1 智能冰箱的发展 智能控制技术的发展，正在改变着人们的生活方式，更加舒适、更加可靠的 家用电器可日益提高人们的生活水平。单片机是智能家电的核心单元，因为单片 机芯是嵌入在家用电器中，没有自己独立的外壳，通常称为嵌入式系统，如今嵌 入式系统无处不在，正推动着二十一世纪一场新的产业革命。为了适应智能控制 技术的发展，单片机在它诞生以来的二十多年内，发生了迅猛的变化，从四位机 发展到六十四位机，4 5 6 架构也在发生变化，从普通的7 4 6 发展到8 9 5 。 电冰箱是白色家电中最有代表性的，在中国，电冰箱在家庭中的普及率很高， 而且，制造技术也非常成熟，关键技术处于国际先进水平，部分技术还领先于国 际同行。科龙公司作为中国最大的制冷家电企业之一，在国内电冰箱行业率先采 用智能控制技术，使消费者感受到了智能电冰箱带来的一缕节能、环保、舒适的 清风。家用电冰箱的模糊控制技术、多段变温技术、自动制冰技术、瞄准冷却技 术、自动开门技术、变频技术、信息化网络化技术等都不同程度的折射出智能控 制技术在家用电器中的广泛应用前景。 制技术在家用电器中的广泛应用前景。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 智能冰箱的功能 家用电冰箱智能化控制系统真花从用户考虑出发尽心设计，充分研究了日常 生活中人的习惯特征，充分考虑了现代人机关系，运用了模糊控制、人枫工稷学 等现代理念，真正意义上的对冰箱进行核心控制，实现人们所渴求的智能冰箱。 本竣诗主要鸯鞋下功缝： 冷冻室模糊制冷 翻翊模糊控裁按零，在冷冻室嚣器铡冷麴露谈，快速寤凌，并慧设计了交蒙 调速系统，避免了压缩机的频繁开启，使电机能够按照所需疆的进行工作，使压 缩机制冷更加台理有效。 冷藏室模糊制冷 冷藏室制冷和以往的冰箱制冷不一样，过去冷藏室的温度变化怒随着冷冻室 敕瀑度瑟交缳豹，当冷冻室鼹要毒冷翡露候，压续掇右舞始囊动嚣l 泠，这就建或 了当冷冻室的温度比较低不需要制冷的时候，而冷藏室的温度比较商需要制冷， 这榉虢产生了一令矛藩，镬冷藏室不貉这到缀努豹铡冷羧栗。零设计克鞭了主透 缺点，采用半导体和压缩机同时制冷，正常的情况下冷藏室还是随糟冷冻室的制 冷瑟翻冷，溺冷冻塞需要制冷时，瘸动嚣缩辊裁冷，冷藏室同对也能达到纛| 冷效 果；当冷冻嶷不需要制冷时，这时不启动压缩机制冷，而是用半导体单独对冷藏 室制冷，当达到预定的效采荫，半导体停止制冷。这样控制的效果熊使冷藏室基 本上迭到独巍控割髓曩靛。 模糊化耩 潋翦，冰箍静霆辩纯耩与瑟籍门煞关游乏阗没蠢塞菝关系。瑗褒，运麓摸羧 神经智 能控翻技术将冰箱门舜闭次数、歼阕频率和最馕诧霜时蠲魏醴统计和分析， 预置于控制稷序中，让其记忆，然后，根据冰箱的实际运符选择在冰箱门开闭最 少的时间段内进行自动化霜，使冰箱内温度波动最小，对食龋质量影响最小。 其它功能 开门时间过长报警功能，当任何一个箱门打开超过4 分钟，报警提示，但不 影瞬系统垂常王 睾。在溶箨麓莲援上骞滚螽曩示器，霹越显示冷冻蹇帮冷漩塞錾 东莸大学硕士学位论文第一章绪论 滠度，并通过按键可对冷冻室和冷藏室的温度进程调控，以达到用户爨鼹要数澡 度。 1 3 智能冰箱的控铜方法综述 1 3 1 单片橇概述 荸冀微型诗算礁( s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，楚黎擎片谵算撬。裁楚将c p u 、 r a m 、r o m 、定时计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机。 焚主要黪焘螽下： ( 1 )片内存储容缀较小； 原因是受集成度的隈制。r o m 一般小于8 k b ，r a m 一般小于2 5 6 b ，僵可敬 在外部扩展。通常r o m 、r a m 砸分别扩展至6 4 k b 。 ( 2 ) 可靠性高： ( a ) 因先蕊肄是按工业测控坯境要求设计的，赦摭干扰的力优予p c 撬。 ( b ) 系统软件( 如：程序指令、常数、表格) 固化襁r o m 中，不易受病毒 菠舔。 ( c ) 许多信号的通邋均在个芯片内，故遗作时系统稳定可靠。 ( 3 ) 便予扩震： 片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的( 总线、并 行和串行的输入输出) 管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。 ( 4 )控制功能强： 具有丰富的控制指令；如：条件分支转移指令、i o 闭的逻辑操作指令、位处 壤糖令。 ( 5 )实用性好： 傣积小、臻耗低、价格便宜、易于声蕊纯。 ( a ) 第1 阶段( 1 9 7 1 年一1 9 7 8 年) ，以m c s 4 8 系刿为代表，称4 位单片机。 在片内： c p u 有4 位戏8 位；r o m 窍i k b 或2 k b ；r a m 鸯6 4 b 或1 2 8 b ；只有势嚣 接口，无串行接闪；只有1 个8 位的定时，汁时器；中断源只有2 个。 在冀羚： 3 。 东北大学硕十学位论文 第一章绪论 寻址范围只有4 k b ；芯片引脚有4 0 个。 ( b ) 第2 阶段( 1 9 7 8 年一1 9 8 3 年) ，以m c s 一5 1 系列为代表，称8 位单片机。 在片内： c p u 有8 位；r o m 有4 k b 或8 k b ；r a m 有1 2 8 b 或2 5 6 b ；有串并行接口； 有2 个或3 个1 6 位的定时计时器；中断源有5 至7 个。 在片外： 寻址范围有6 4 k b ；芯片引脚有4 0 个。 ( c ) 第3 阶段( 1 9 8 3 年以后) ，以m c s 。9 6 系列为代表，称1 6 位单片机。 在片内： c p u 有1 6 位；r o m 有8 k b ；r a m 有2 3 2 b ；有串并行接口；有4 个1 6 位 的定时计时器；中断源有8 个；增加了d a 和a d 转换电路。 在片外： 寻址范围有6 4 k b ；芯片引脚有4 8 个或6 8 个。 ( 6 ) 单片机主要应用如下几个方面 ( a ) 家用电器： 如高档的洗衣机、空调器、电冰箱、彩电、d v d 、音响、手机、高档电子玩 具等电器，用单片机做自动控制。 ( b ) 智能设各： 用单片机改造普通仪器、仪表、读卡机等，使其( 集测量、处理、控制功能 为一体) 智能化、微型化。 ( c ) 网络与通信的智能接口： 在大型计算机控制的网络或通信电路与外围设备的接口电路中，用单片机来 控制或管理，可大大提高系统的运行速度和接口的管理水平。 ( d ) 工业测控： 对工业设备( 如机床、汽车、高档中西餐厨具、锅炉、供水系统、生产自动 化、自动报警系统、卫星信号接收等) 进行智能测控，大大地降低了劳动强度和 生产成本，提高了产品质量的稳定性。 单片机技术的进步，模糊控制技术的完善，为家用电器的发展实现智能控制 成为一种趋势。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 p i d 控制概述 计算法和增量计算法增量计算法是相对于标准计算法的相临两次计算之 差，得到的结果是增量，也就是说，在上一次的控制量基础上增加( 负值意味着 减少) 控制量，例如对于可控硅电机调速系统，就是可控硅的触发相位还需要提 ( 或迟后) 的量，对于温度控制就是需要增加( 或减少) 加热比例，根据具体的 应用适当选择采用哪一种算法，但基本的控制方法、原理是完全一样的，直接计 算方法得到的是当前需要的控制量，相邻两次控制量的差就是增量； 基本偏差e ( t ) 表示当前测量值与设定目标间的差，设定目标是被减数，结 果可以是正成负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向 比例项用的一个变动数据。 累计偏差e e ( t ) = e ( t ) + e ( t 1 ) + ( t 2 ) + + e ( 1 ) ，这是我们每 一次测量到偏差值的总和，这是代数和，考虑到他的正负符号的运算的，这是面 向积分项用的一个变动数据。 基本偏差的相对偏差e ( t ) e ( t - 1 ) ，用本次的基本偏差减去上一次的基本 临差，用于考虑当前控制的对象的趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微 分项的一个变动数据。 三个基本参数k p ，k d 。这是做最好的控制器的关键常数，分别称为比例 常数、积分常数和微分常数，不同的控制对象他们需要选择不同的数值，还需要 经过现场调试才能获得较好的效果。 标准的直接计算法公式： p o u ( t ) = k p + e ( t ) + k i e ( c ) + k d + ( e ( t ) - o ( t - 1 ) ) ： 上一次的计算值： p o u ( t 一1 ) = k p 4e ( t - 1 ) + k i e ( t 1 ) + k d ( e ( t - 1 ) - e ( t - 2 ) ) ： 两式相减得到增量法计算公式： p d l t ：k p + ( e ( t ) 一e ( t - 1 ) + k i + e ( t ) + k d ( e ( t ) 一2 e ( t - 1 ) + e ( t 一2 ) ) ： 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节 立即产生调节作用用| 三l 减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是 过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 东北人学硕士学位论文 第一章绪论 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调 节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取 决与积分时间常数t i ，t i 越小、，积分作用就越强。反之t i 大则积分作用弱，加 入积分调节使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结 台，组成p i 调节器或p i d 调节器。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见 偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微 分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下， 可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加 微分调节，对系统抗干优不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化 时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要另外两种调节规律相结合， 组成p d 或p i e ) 控制器。 1 3 3 模糊控制概述 数字p i d 控制在生产过程中是一种普遍采用的控制方法，在冶金t 机械、化 工等行业中获得广泛应用。 传统的反馈控制、近代控制理论和大系统理论，都是建立在精确的系统数学 模型的基础上的。而且，研究这些系统时，必须提出一些比较苛刻的假设。因此 传统控制所面临的难题是： ( 1 ) 实际系统存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一 般无法获得精确的数学模型。 ( 2 ) 为研究这类系统提出并遵循的一些假设在应用中与实际不符。 ( 3 ) 对于某些复杂的和包含不确定性的对象，无法以传统数学模型来表示。 ( 4 ) 为了提高性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的初 始投资和维修费用，降低系统的可靠性。 自动控制领域面临上述难题其解决途径是：( 1 ) 推进控制硬件、软件和智能 的结合。( 2 ) 实现自动控制科学与其它相关学科( 科学) 的结合。 特别是人工智能的出现和发展，促进了自动控制向着它的更高层次一智能控制 发展。图1 1 是自动控制的发展过程。 6 畚l 大学联士学镌谂变 第一举缝论 丽1 1 囊动靛臻l 靛发疑谶稷 f i 9 1 。1 d e v e l o p m e n tp l e s so f a u t o m a t i o nc o n t r o l 放入王餐簸角寝鼙，餐蕤按剃愚罄糖辩攀黪一令羧瓣瘦翔谈域；纛麸爨凄攘 髑瓣角魔羲，键# 控翻热浚铡稀攀一令耩浚震戆攀秘。 褰怒豹逶，纛臻鹭妖瓣阗内，缀少露入疆裂缝裁褒谂每入王餐戆夔联系。不 j 霪，这魄不是炎爨，嚣搀传统鹣羧割溪谂( 锈撂蠢熊骢灏泛投鹣 釜瓣涉及辩奄 镄菱撬擒鸯关熬系绞戢装鬻邈黪攥圣筝岛数学遮簧，溪入王餐戆掰荧心豹粼主要薅 符芍运繁获逶辍攘邂京荚。 饕魏控镧瓣濒第一次溱瑗予鞠冬我，恁耱蘩戆按期鹣爨錾秘磐法褥爨褥懑秘 发袋。零蒎3 0 零蘩，学灌按制鲍磷究靛专磐瓣裁，势获餐旋爱。攀露裁嚣麴簧镶 麓褒攘剿论爨瑷熬露谈撬瓣鹣。爨攀嚣箨蠡逶废穷法皱嚣发瘸予释决攘耧系统瓣 骧穰褥瞧| 、霾题。 横獭撩稍怒餐熊攘京l 的又一灞跃磷究领壤。z a d e h 予1 9 6 5 舔发表了镌鞠羲愈 谂文“楱辫集会( f u z z ys e t s ) ”，嚣麓了攘獭控澍豹赣鼷皱。魏嚣，在貘糊接裁麴 东北人学硕士学位论文第一章绪论 理论探索和实际应用两个方面，都进行了大量研究，并取得一批令人感兴趣的成 果。1 9 7 3 年又发表了语言与模糊逻辑相结合的系统建立方法【1 2 】。 第一阶段：1 9 6 5 年一1 9 7 4 年模糊控制发展与形成的阶段。 第二阶段：1 9 7 4 年一1 9 7 9 年，这是产生简单模糊控制器的阶段。美国加州一 公司率先生产了第一支模糊逻辑芯片。1 9 8 0 年丹麦的史密斯公司首次应用芯片在 水泥烘干机成功实现了模糊控制。 第三阶段：1 9 7 9 年至今是发展高性能模糊控制器。1 9 7 9 年t j p r o c k y 和 m a m d a n i 共同提出了自学习的概念，使系统性能大大改善 1 3 1 。1 9 8 7 年日本仙台 地铁线采用了模糊控制器。1 9 9 0 年，日本人率先把模糊逻辑应用于家用电器等产 品，如模糊电冰箱、模糊空调等，涌向市场。 1 4 本文的主要工作 电冰箱的主要作用是保持箱内食品的最佳温度，达到食品保鲜的目的因而本 文控制器的主要功能是温度控制和智能化霜，根据不同型号冰箱的要求，也可带 有自动制冰功能此外，该控制器还具有过欠压保护功能、断电后压缩机开启延时 功能、开门报警功能、自学习功能及故障运行自恢复功能等 ( 1 ) 电冰箱温度自动调节功能 该功能是电冰箱应具备的主要功能。电冰箱设存冷冻室和冷藏室，冷冻室的 温度为一6 - 1 8 ，冷藏室的温度为o l o c ，在该温度范围内，食品保鲜 效果较好，因此，对控制器的要求是将冷冻室和冷藏室的温度自动控制在各自的 范围内。 ( 2 ) 自动除霜功能 冷冻室中的水分会凝结成霜，因此，电冰箱应有自动除霜功能。该功能的实 现方法是通过累计压缩机运行时间和检测环境温度，来判断是否满足化霜条件， 当满足化霜条件时，接通化霜加热丝，同时断开压缩机和风机，3 0 分钟后断开化 霜加热丝，接通压缩机，再过1 5 分钟后接通风机。 ( 3 ) 电源过欠压保护功能 为了使电冰箱安全可靠地运行，要求其电源电压在1 7 6 v 2 4 0 v 之间。因此， 当电源电压小于1 7 6 v 或大于2 4 0 v 时，压缩机应自动停机并报警显示。 8 东北人学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 压缩机丌启延时功能 该功能要求压缩机停机时间超过3 分钟才能启动，以延长压缩机的寿命。这 就要求在每次电冰箱上电时，都要检查压缩机停机是否到3 分钟，若未达到，需 延时到3 分钟后才能启动。因此，在设计时应有判断与延时功能。 ( 5 ) 故障自检报警功能 该功能要求在电冰箱运行过程中，不断诊断电冰箱的运行状态，当发现严重 故障时，电冰箱停机并报警显示。 ( 6 3 变频控制 通过变频控制可以使冷冻室的温度控制更加合理。当冷冻室需要制冷量比较 大的时候，可以通过变频调控，使电机高速转动，压缩机制冷就多一些；同理， 当冷冻室需要制冷量比较小的时候，则使电机转速慢一些，压缩机制冷就少一些。 东北大学硕士学位论文 第二章系统介绍 第二章系统介绍 2 1 概逑 2 。l + l 邀冰箱鳇热受黄 家用电冰箱的制冷系统露压缩桃、冷凝器、干燥器、节流毛细管、蒸发器等 构成，如下阉2 , 1 所豕 蒸 发 器 冷 凝 器 图2 1 制冷系统流程简豳 f i 9 2 , 1f r e e z i n gs y s t e mc h a r t i n g 压缩机排气经冰箱冷暖气( 在冰箱背面或侧面) 冷凝后遴入干燥过滤器，去 除水分和杂激，在通过毛细管节流。节流后的气液混合物先精流入冷冻室和冷藏 室，农蒸发器中吸收热量蒸发，使冷冻室和冷藏室骢温度达到设定要求从蒸发器 流出的制冷剂流入压缩机。 2 。1 2 电冰箱的系统结构 本文戆磷究黯象建大容狻、多凌靛无氟魄滚籍，这耪耄滚籍一羧蹙多门努捧 结构、一套制冷装置，多通道风冷式。箱体结构如图2 , 2 所示。控制濑度的手段主 要是疆缩税静开箨，循环风扁的转速、通风邋风门的歼痘程发等 】o 东北大学硕士学位论文 第二章系统介绍 图2 2 电冰箱的结构图 f i 9 2 2r e f r i g e r a t o rs t l u c t u r ec h a r t i n g 2 2 系统设计与功能简介 传感器组主要由冷冻室、冷藏室、冰温室及环境温度等传感器组成，通过温 度及风门状态检测和信号处理、根据模糊推理决策，控制压缩机及相应风门、风 扇、电机、制冰机等运转模式 图2 3 冷冻室温控制模糊推理框图 f i 9 2 3 f r e e z e rt e m p e r a t u r ef u z z yc o n t r o ll o g i cc h a r t i n g 一1 1 - 乐j b 大学硕士学位论文第二章系统介绍 冰麓瀑羧滠理溜懿图2 3 掰示。l 更i 冷式怒踩辖的露l 冷系绫设置褒冷冻室，内器 缀掇爨来黪裹滠、薅爨滚态测冷裁，经冷凝嚣冷却嚣，被邀到设置在冷冻囊潮周 翡蒸发嚣中蒸发为气态，闷时吸收外界的热量，达到黼冷的嗣的。雉缩杌的开停 决迩箭冷酌程度。 在冷藏室和蔬菜室中不设蒸发器，而怒将冷冻宣的冷气经公用风邋，由风机 传送绘备濑区，用器嚣的风门控制该激区麴澄度变化。冷冻窒和其它滠医麴瀑度 控制暇配问题闱模糊控制器协调。 冷冻室帮冷藏窒鹣湿度较涮方案基本怒穗溺弱，窳是控剃对象琴阏。蔫誊控 卷l 惩缕提舞终，层糍调苓飚撬风门。瑷以冷冻塞努键，说鞠澄发控涮燕统模耧控 制器酌设计阔藤。模糊控制亳冰箱不仅要考虑至d 冷冻蜜温度的恒温调节，两时也 要考虑弼冷漆窳温浚与食品温度未必籀间这一因素。簸终残使食品温囊保持在某 一范围内，从而达到僳鲜的目的，这是它与传统的p i d 恒漱调节系统追求的控制 目标闻的差别。 食品放进冷冻室即开始降温，经过一段时阅，冷冻室的温度可能融降剿绘定 篷，毽逮聪食黥漫发还没鸯遮到保辩溢度憨要求，疆鼗，这瓣蹑缝缀举痤关麟， 必须继续剁冷，延长豹时耀，援款入黪食熬戆热容爨 l 霪定。在嚣缝辍荚断戮黪， 冷冻室豹溢度汗始瑟释，当秘辩爨缭窳值辩，疆应将舔缩视荐次投入遮行。餐实 际上，这时食赫靛溢庭由予热惯桎辩不与冷漆蹇空阉漱度一致，麸节黥的瓣点趣 发，应延时起动压缩机，延时多长，也与放入食品的熟容量有关。以上分析说明， 最艏一次投入的食黼的热容璧( 初瀑和霾量) 在以厢鹣压缭枫控制决策麴诚整中 起赣重要的作用。但投入食品的热容敷是无法检测的，不能指望用户输入，藤必 须剥爝模糊接璎羁软臻感按术。 投入的食熙热签爨的检测爨在食嶷放入冷冻室势关门蜃5 m 遗内逃嚣黪。一 般清况下，冷冻室瀚澄液帮在- 1 8 ( 3 淀杏，当食赫存入戳螽冷冻畿静漱度急骤上辩， 上秀懿绝对篷秘交纯率，决定予靛入食晶戆滠发和煞客鸯，溢液酌交纯盏线翔图 2 4 所示。 执图2 4 ( b ) 可以看融，在食品漫量糨等的媾嚣下，食懿温度愈离( tl t 2 t 3 ) 温度升高的变化率愈大，制冷压缩机成愈早投入运行。图2 4 ( a ) 说明， 在敖入食品湿发糨麟麴馕况下，食晶震爨越大 q3 ) ，其瀑瘦上舟褒 1 2 ， 东北人学硕士学位论文第二章系统介绍 化率愈大，制冷压缩机启动后温度的下降愈缓。我们通过实验摸索了这一规律， 并且建立了文中所述的模糊推理关系。同时应该指出，存放食品时，动作的快慢， 门开启时间的长短，以及室温的高低，对冷冻室的温度也有相当大的影响，在判 断食品温度时应该予以考虑。 p j 懿 螭 罐 积 - q 。协编 原 对 ( ； l 盟4 魏 p p 憾 蠛 嘲 舷 z jl i 原。 y - n i n 舻n ( a l ( b ) 图2 4 存入食品后冷冻室温度的变化 f i 9 2 4t e m p e r a t u r ec h a n g i n gi nf r e e z e ra f t e ri n p u t t i n gf o o d 根据以上分析，设计了冷冻室温度模糊控制推理框图。初投食品后，根据冷 冻室温度及其变化率，应用模糊推理1 判断食品的温度及热容量。根据该次投放 食品时开门次数和持续时间及当时室温，应用模糊推理2 确定修正系数，前两者 通过乘法器得到该次投放食品的热容量。这种判断是一次性的，只对该次投入食 品以后的温度控制有效。判定的食品热容量，作为确定压缩机控制决策的模糊推 理3 的输入。它的另一个输入是冷冻室给定温度与实际温度的差值，差值为零是 压缩机开停的理论界面，必须根据投入食品的热容量，应用模糊推理3 确定开停 时间的修正值。 必须指出，这种控制过程是一次性的，以每次投入食品为周期，但控制策略 是一贯的，推理法则是一致的。对于原来存放在冷冻室的食品，纳入箱体热惯性 考虑，不参与控制过程，引起的误差在工程上是允许的。 1 3 东北大学硕b 学位论文 第三章系统数学模型与智能控制理论 第三章系统数学模型与智能控制理论 3 1 概述 电冰箱的主要任务是保证所储存的食品在经过冷冻、冷藏之后，仍然色、味 不变，其主要手段是通过保持箱体内的最佳温度达到食品保鲜的目的。传统的p i d 控制方法是一种线性的控制方法，对于电冰箱这个非线性系统来说，它已经不能 很好地满足系统控制的要求。随着现代控制理论的发展，以及智能控制理论在各 行各业中的应用，电冰箱控制系统可以采用智能控制方法进行控制。模糊控制理 论发展于2 0 世纪6 0 、7 0 年代，它也是一种智能控制方法。将电冰箱控制系统与 模糊控制理论有机的结合起来，必能实现理想的控制效果。+ 3 2 电冰箱模糊控制系统 系统结构如图3 1 所示 3 1 电冰箱模糊控制系统 f i 醪1f u z z yc o n t r o ls y s t e mo fr e f r i g e r a t o r 东北大学硕士学位论文第三章系统数学模型与智能控制理论 3 3 模糊智能控制理论 3 3 1 模糊智能控制的发展现状 模糊理论是在美国帕克莱加州大学电气工程系l o t f i a z a d e h 教授于1 9 6 5 年创 立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、 模糊推理和模糊控制等方面的内容。 早在2 0 世纪2 0 年代，就已经有学者开始思考和研究如何描述客观世界中普 遍存在的模糊现象。著名的哲学家和数学家b r u s s e l l 在1 9 2 3 年就写出了有关“含 糊性”的论文。他认为所有的自然语言均是模糊的，比如“红的”和“它的”就 都不是清晰的或明确的，它们没有明确的内涵和外延，这些概念实际上是模糊的。 可是，在特定的环境中，人们用这些概念来描述某个具体对象时却又能心领神会， 很少引起误解和歧义。 时隔十余年之后，英国学者m b l a e k 在1 9 3 7 年也曾对“含糊性”问题进行 过深入研究，并提出了“轮廓一致”的新慨念，这完全可以看作是后来的“隶属 函数”这一重要概念的思想萌芽。应该说他已经走到了真理的边缘，可谓模糊集 合理论的鼻祖。可惜，他在描述某概念的“真实接近程度”时，错用了“用法 的接近程度”，最终与真理擦肩而过，失之交臂。 与b r u s s e l l 同时代的逻辑学家和哲学家j l u k a s i e w i c z 发现经典的二值逻 辑只是理想世界的模型而不是现实世界的模型，因为它在对待诸如“某人个子 比较高”这一客观命题时不知所措。他在1 9 2 0 年创立了多值逻辑，为建立正式的 模糊模型走出了关键的第一步。但是，多值逻辑本质上仍是精确逻辑，它只是二 值逻辑的简单推广。 美国加州大学的l a z a d e h 博土在1 9 6 5 年发表的f u z z y s e t 时论文中首次提出 f 表达事物模糊性的重要概念隶属函数，从而突破了1 9 世纪术德国数学家 g c o n t o r 创立的经典集合理论的局限性。借助于隶属函数可以表达一个模糊概念从 “完全不同于”到“完全隶属于”的过渡才能对所有的模糊概念进行定量表示。 隶属函数的提出奠定了模糊理论的数学基础。这样，像“冷”和“热”这些在常 规经典集合中无法解决的模糊概念就可在模糊集合中得到有效表达。这就为计算 机处理这种语言信息提供了一种可行的方法。 】5 东北大学硕士学位论文 第三章系统数学模型与错能控制理论 1 9 6 6 年，p n m a r i n o s 发表了模糊递辑的研究撮告，这一报告真正标志着 模糊逻辑的诞生。模糊逻辑和经典的二值逻辍不同，模糊逻辑是种连续逻辑。 一个模糊命题是一个可以确定隶属度的句子，它的真值可取f o ，1 n 区间中的任何 数。缀明显，模糊逻辑是二壤逻辑的扩展，嚣二值逻爨只是模糊逻辑豹特殊漆况。 模糊逻辑有糟更加普遍的实际意义，它摒弃了二值逻辑简单的肯定或否定，把客 鼹逻辑嫠器餐成是其骞连续灰度等缀变纯静，它龛诲令愈蘧麓；鼗亦被，存在 着部分肯定和部分否定。只不过隶属程度不同而已，这就为计算机模仿人的思维 方式来处理普遍存在的语言倍怠提供了可能医丽其有翔对代的现实意义。 1 9 7 4 年，l a z a d e h 又进行了模糊逻辑推理的研究，从此，模糊理论成了一个 热门的课题。建立在模糊逻辑基础上的模糊推理是一种近似推理，可以在所获得 数模糊信息翦提下遂撂有效憋刿叛葶鞋决策。嚣基于：佳逻辑麴演绎撩理露妇皴推 理此时却无能为力，因它要求前提和命题都怒精确的，不能肖半点含糊。 1 9 7 4 年，茭嚣豹e 。h m a m d a n i 蓄次器漠獭逻嚣衽模精撵疆实溪了整赛上第一 个试验性的蒸汽机控制，并取得了比传统的盥接数字控制算法更好的效果。它的 成功也标志箭久稍采糟貘颧滋辑迸李亍_ 工监控潮的开始，获丽濑告了模糊控翻静闷 世，第一个商较大进展的商业化模糊控制嚣是在丹麦诞生的。1 9 8 0 年工程癖 l e h o l m b l a d 和o s t e r g a r d 在水泥窑炉上安装丁模糊控制器并获得了成功，这个成 果弓l 起了有关学者瓣极大关逐。事实上，模糊逻辑应瞬最鸯效、最广泛的颁域裁 是模糊控制，模糊控制在各种领域出人意料地解决了传统控制理论光法解决戚难 鞋解决懿阏趱，势取褥了一黧令人信浆戆残效。 对于模糊理论这样一个新生事物，学术界一直有两种不同的观点，其中持否 定态液的蕊煮在一段辩阗肉搦占据上风。客溉趟说，有醣下风个方覆静原困。其 一是推崇模糊理论的学者在强调其不依赖于糟确的数学模型时过分地夸大了其功 效，无意之中将自己攘上了“被告席”。正确的观点似乎应该魁模糊控制不依赖于 被控对象的糙确数学模型，当然它也不应该掇绝有效瓣数学攘型。模糊控铡蠼谂 在特定条件下可以达到经典控制理论滩以达到的“满意控制”，而不怒最佳控制。 其二蹩摸壤骥论熬确逐寿谗多不完善之处，魄翔摸獭爆裂懿获致霸确定，隶簇透 数的选择以及比较敏感的稳定性问题趸今仍来得到完善的解决。尽臀如此，也不 应否定摸赣臻谚静科攀牲稻有效性，它事实土甚经藏舞簪麓拣稍豹一个重要分支。 1 6 f j , 1 k , 大学硕士学位论文第三章系统数学模型与智能控制理论 以日本、中国、欧美为代表的各国科技人员正就以下各个方面开展深入研究。 ( 1 ) 模糊理论基础研究 为了开拓更新更广的应用，完善模糊理论的理论体系，必须加强以基本概念 为核心的模糊理论和模糊方法论的研究，其重点在于应用模糊理论对人的思维过 程和创造力进行理论研究。同时也要对已有基础理论中的基本概念，比如模糊的 概念、模糊推理的概念等进行推敲；对模糊推理中的多值理论、统一性理论、推 理算法、多变量分析、模糊量化理论等进行研究；对模糊方法论中的模糊集合论、 模糊方程、模糊统计等模糊数学，对思维功能与模糊系统的关系、模糊系统评价 方法、模糊系统与其他系统，特别是神经网络等相结合的理论问题进行研究。 ( 2 ) 模糊计算机方面的研究 其目标是实现具有模糊系统特征的高速推理计算机并希望在系统小型化、 微型化的同时，开发出可以大大提高开发效率的模糊计算机。这方面的研究包括 模糊计算机结构、模糊逻辑器件、模糊逻辑存储器、模糊编程语言，以及模糊计 算机操作系统软件等。 ( 3 ) 机器智能化研究 目的是实现对模糊信息的理解，对具有渐变性特征模糊系统的控制以及对模 式识别和决策智能化的研究。主要包括智能控制、传感器、信息意义理解、评价 系统、具有柔性思维和动作性能的机器人、能有语言理解能力的智能通讯、具有 实时理解能力的图像识别等。 ( 4 ) 人机工程的研究 其目标是实现能高速模糊检索并能对未能预测的输入条件作适当判断的专家 系统，以及对人与人之间的界面如何能尽量接近人机之间的界面，如何才能满足 新系统要求的研究。这方面主要包括模糊数据库、模糊专家系统、智能接口和对 人的自然语言的研究。 ( 5 ) 人类系统和社会系统的研究 目的在于利用模糊理论解决充满不确定性的人的复杂行为、心理分析，社会 经济的变化趋势，各种社会现象的模型、预测以及决策支持等。这方面包括对各 种危机的预测和完全评价、对有人为失误系统的评价方法、建立不良结构系统的 模型、模糊理论在交通运输中的应用、经济辅助决策、智能医疗诊断系统、人的 。】7 东北大学硕士学位论文第三章系统数学模型与智能控制理论 行为与心理和行为分析、社会经济模型、艺术上应用和管理上应用等。 ( 6 ) 自然系统的研究 目的在于利用模糊理论来解决复杂自然现象的模型和解释等。这方面还包括 对各种物理化学现象的进一步解释，对自然环境大气圈、地球生物圈、水圈、地 圈的研究。 3 3 2 模糊智能控制的基本原理 在自动控制技术出现之前，人们在生产、生活过程中只能采用于动控制方式 来达到控制某一对象运动状态的目的。比如，在日常生活中当我们拧开水龙头 往一空捅接水时，常常会有这样的生活经验： ( 1 ) 桶里水很少时，应开大阀门。 ( 2 ) 桶里的水比较多时，应拧小阀门。 ( 3 ) 捅中的水快满时，应把阀门拧很小。 ( 4 ) 桶中的水已满时，要迅速关死阀门。 在以上的手动控制过程中，首先是由人通过眼睛的观察( 检测作用) 来检测 水桶( 被控对象) 的输出( 水位) ，大脑要经过一系列的推算从而做出正确的决策 ( 控制量) ，最后由手动来调节阀门的开度大小，使桶里的水( 被控对象的输出信 号) 达到预期的目标，即用最短的时间接满一桶水而又不溢出一滴水。人们就是 这样不断地通过检测、判断、调整等一系列动作来完成对生产过程( 或生活过程) 的手动控制。在这里，眼睛相当于传感器，大脑就是控制器，手则做为执行机构， 在最短的时间内接满一桶水且水不溢出则是控制目标。按照控制理论的思想来看 待上述过程，上述的接水过程是一个典型液位控制系统，如图3 2 所示。 眼睛 图3 2 液位的手动控制方法 f i 9 3 2 f l u i dp o s i t i o nc o n t r o lm e t h o d - 1 8 东北大学硕士学位论文第三章系统数学模型与智能控制理论 在上述手动液位控制中，人的控制过程是用语言来加以描述的，表现为一系 列条件语句，也就是所谓的语言控制规则。在描述以上控制规则的条件语句中存 在一些词，如“很少”、“较多”、“决满”、“大”、“小”等概念均具有一定的模糊 性，这些概念没有明显的外延。模糊控制方法模仿人的思维方式和人的控制经验， 用电脑代替人脑来实施有效的控制措施。传统的控制理论依赖于被控系统的数学 模型，而模糊控制则是依赖于被控系统的物理特性。物理持性的提取要靠人的直 觉和经验，这些物理特性在人脑中是用自然语言来抽象成一系列的概念和规则的， 自然语言的重要特点是具有模糊性。人可以根据不精确信息来进行推理而得到有 意义的结果。那么我们怎么用机器来模仿这样的过程呢?