（电力电子与电力传动专业论文）基于labview的热电空调温度模糊控制系统的研究.pdf

英文摘要 s t u d yo nt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e mo ft h e r m o e l e c t r i c a i r - c o n d i t i o n i n gb a s e do nl a b v i e w a b s t r a c t t h et h e r m o e l e c t r i ca i r c o n d i t i o n i n gi sa l s oc a l l e ds e m i c o n d u c t o ra i r - c o n d i t i o n i n g , w o r k i n gu n d e r p e l t i e re f f e c tt oi m p l e m e n tf u n c t i o n so f r e f r i g e r a t i o na n dh e a t i n g i th a s o v e r c o m ed e f e c t so nt r a d i t i o n a la i r - c o n d i t i o n ，s u c ha sn o i s e ，e n v i r o n m e n tp o l l u t i o ne t c b e s i d e st h i s ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r y ，m e d i c a lt r e a t m e n t ，e l e c t r o na n dt h e t e c h n o l o g yo fr e f r i g e r a t i o n 丽1i t sg r e a te x c e l l e n c ea sf o l l o w ：l e s s e rn o i s e ，s m a l li ns i z e ， q u i c kr e f r i g e r a t i o n ，s t a b l eo p e r a t i o ne t e t h i sp a p e r , t a k e st h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo ft h e r m o e l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n i n g a ss u b j e c ti n v e s t i g a t e d ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e ms u c ha sn o n l i n e a r , l a r g eh y s t e r e s i sa n dd i f f i c u l tt ob u i l dap r e c i s em a t h e m a t i c a l m o d e l ，a d o p t sf u z z y c o n t r o la n dv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y t o d e v e l o p t h e r m o e l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n i n gf u z z yt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s i n go nl a b v i e w i sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h e r m o e l e c t r i cr e f r i g e r a t i o na r ee x p o u n d e d ；t h e t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s a n d l i m i t i n g w o r kc o n d i t i o n so ft h et h e r m o e l e c t r i c r e f r i g e r a t i o na r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h e r m o e l e c t r i c a i r - c o n d i t i o n i n ga p p l i c a b l e ，t h ef u z z yc o n t r o lr u l e sa p p l i e dt ot h es y s t e ma r ee s t a b l i s h e d ， c o m p l e t i n gt h ed e s i g n o ft h ef u z z yc o n t r o l l e ra n dt h et e s to fi n p u ta n do u t p u t p e r f o r m a n c ei nl a b v i e we n v i r o n m e n t t h i r d ，a c h i e v i n gt h es o r w a r ed e s i g no ft h et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs u b s y s t e mo f t h e r m o e l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n e di nl a b v i e we n v i r o n m e n to nt h eb a s i so ft e c h n o l o g yo f s i g n a ls a m p l i n ga n dr e g u l a t i o n ，c o m b i n e dw i t hs i g n a lr e g u l a t i o ne q u i p m e n t f o u r t h ，c o m p l e t i n gt h ed e s i g no fr e g u l a t o rc i r c u i to ft h ep w m d co np o w e r s u p p l ys u b s y s t e m o ft h e r m o e l e c t r i c a i r c o n d i t i o n i n ga n dp r o g r a md e s i g no ft h e h a r d w a r ec i r c u i tc o n t r o li nl a b v i e w ；t h ea n a l y s eo fh a r d w a r eh a sb e e nt a k e no nt h e p w md cc h o p p e rc i r c u i t su s i n gp s p i c e ，i tv e r i f i e st h a tp w m f u z z yc o n t r o ls i g n a li s 英文摘要 l i n e a rp r o p o r t i o n a lr e l a t i o n s h i p st ot h eo u t p u tv o l t a g e f i f t h ，t h es y s t e m so v e r a l lp r o g r a md e s i g n sh a sb e e nc o m p l e t e di nl a b v i e wa n d t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mo ft h e r m o e l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ef u z z yc o n t r o l s y s t e mb a s e do nl a b v i e w h a sb e e nc o n s t r u c t e d p r a c t i c a ln m n i n gi n d i c a t e st h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mc a nw o r ks t e a d i l y , r e l i a b l ya n d h a st h ea b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r e n c e ，v e r i f y i n gt h eg o o do ft h ef e a s i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t y o ff u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g ya p p l i e dt ot h es y s t e m k e yw o r d s ：t h e r m o e l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n i n g ；f u z z y c o n t r o ll a b v i e w ；p w m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：基王l 盘y ! 里盥的热亟窒调湿廑槿搁控剑丕统的研究= = 。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。，、 论文作者签名：辱蜮西加辞弓月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“) 论文作者签名： 师签名：歹姆 删年弓月弓e l 基于l a b v i e w 的热电空调温度模糊控制系统的研究 第1 章绪论 热电制冷又称为半导体制冷，是从5 0 年代发展起来的一门介于制冷技术和半 导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的p n 结，形成热电偶对，产 生珀尔帖效应，是通过直流电制冷的一种新型制冷方式。与传统的制冷方法相比， 它没有制冷剂，又无复杂的机械设备和管路系统，只要给热电制冷器通电，几分 种后就会结上一层雪白的冰霜，既方便又迅速。爵此，它开辟了制冷技术的一个 新分支，解决了许多特殊场合的制冷难题，其使用有着十分广阔的前景。应用此 技术制冷和取暖的空调，称为热电空调( 或半导体空调) 。2 0 世纪9 0 年代开始全 球性禁止使用c f c s 物质，环保迫切性和节能紧迫性为热电空调的发展提供了新的 机遇和动力。 1 1 课题背景及研究意义 随着热电材料研究的不断发展，热电制冷已经成为制冷技术的一个新的分支， 并在工业、电子技术、生物医学、家用电器等领域得到广泛的应用。热电空调是 热电制冷技术在空调中的应用，工作时只需要加上直流电源和散热装置即可在短 时间内制冷，这种特性使得热电制冷解决了许多特殊场合的制冷难题【l 】，相对于传 统空调具有如下优点： ( 1 ) 结构简单，整个制冷器由热电堆和导线组成，没有运动部件，无噪音， 无磨损，使用寿命长，可靠性高； ( 2 ) 制冷速度快，控制灵活； ( 3 ) 体积小，重量轻，无需经常维修，管理方便，能以任何姿势工作； ( 4 ) 操作有可逆性，电流换向方便，可冷暖两用： ( 5 ) 不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染； ( 6 ) 易于满足分散的、小冷负荷的需要。 由于热电空调的具有以上提到的一系列优点，因此在核潜艇、水面舰艇、深 潜加压舱、潜水器、军用通讯车及地下工程等许多特殊场合得到广泛的应用，有 着广阔的应用前景【2 】；并随着半导体材料热电转换性能的进一步提高和控制技术的 第1 章绪论 发展而逐步应用于医疗和居室环境温度的调节。 根据医疗气象学( m e d i c a lm e t e o r o l o g y ) 对自然或人为环境中气象条件对人体健 康影响的研究表明，在各个气象因素中，人体对于气温的变化最为敏感，而且人 体生理机能受气温变化的影响也较大【3 】。因此，采用适当的方式调节室内的温度对 于改善生活环境、提高人体的生理机能及预防环境气温变化引起的疾病有重要的 作用。本文通过模拟实验将热电空调技术应用于室内环境气温的调节，为产生一 个舒适、健康、环保的生活环境做了一定的探索性研究。 目前，传统的空调控制技术多采用电子膨胀阀和微型开关进行传感调节，这 使得气温的控制比较敏感，从而对人体的健康产生影响。此外，传统空调突出的 缺陷在于制冷剂的使用对环境造成了污染，压缩机的使用使其体积、噪声都比较 大。因此，考虑到热电制冷所具有的新特性以及热电空调的研究与应用也受到人 们广泛关注，研究设计一种新型的热电空调温度控制系统具有实际的意义。国内 外对于热电空调和模糊控制技术方面的文献已有介绍，但对基于l a b v i e w 的热电 空调温度模糊控制系统，国内外文献介绍却很少，本文综合热电制冷技术、模糊 控制技术和l a b v i e w 图形化编程语言的优势，通过理论研究和实验分析的方法研 究设计一种结构简洁的热电空调温度模糊控制系统，旨在使新的技术和控制思想 走向工程实践的应用成为可能。 1 2 热电空调的发展与研究现状 2 0 世纪5 0 年代，半导体材料在各个技术领域得到了广泛的应用，热电性能较 好的半导体材料使热电转换的效率大大提高，从而使热电制冷进入工程实验阶段。 2 0 世纪6 0 年代开始，热电制冷空调系统陆续装备在潜艇、舰艇、通讯车上使用【4 】。 2 0 世纪8 0 年代以后，由于制造技术的提高，使器件成本降低，也使器件的性能和 可靠性得到很大的提高。随着器件的产量化、系列化，热电制冷的应用领域不断 扩大，在工业、医疗、科研、国防等领域得到广泛的应用。 近些年，热电空调的研究方向主要表现在热电制冷性能的提高、空调结构的 优化和控制技术的改进等方面。虽然目前技术条件下，大容量热电制冷的效率比 压缩制冷的效率低，并且价格昂贵，但在制冷量比较小的条件下，它却往往能起 基于l a b v i e w 的热电空调温度模糊控制系统的研究 到机械式制冷，吸收式制冷所起不到的作用。因此，热电空调的结构易于小型化。 所谓小型空调一般指的是制冷量在1 0 0 0 w 以下的热电空调，此时效率上和传统的 压缩制冷机组相比不相上下甚至更高，而且能适合一些压缩制冷机组不能工作的 场合，有着它的一些特殊的用途【5 】。例如早产婴儿保育箱的空调系统。由于早产婴 儿保育箱对温度、湿度及噪音环境的要求较高，传统的采用电加热升温和压缩式 制冷降温的保育箱升温时电能利用效率低，降温时压缩制冷循环会产生震动和噪 声。而利用热电空调对保育箱升温、降温，可使整个设备简化、轻化、无噪音， 温度、湿度控制更为方便。而且由于功率小，综合效率比传统保育箱还有很大的 提高【6 】。 热电空调通过调节其工作电压来改变它的制冷量和制冷温度，而且必须在直 流供电的条件下才能有效的工作。因此逆变频脉宽调f l ；t j ( p w m ) 控制方法在热电空 调控制系统中也得到了应用，这种控制技术是利用半导体器件的开通与关断将直 流电压逆变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压控制的- - t 7 技术f 7 1 。 p w m 逆变器对电压的控制是通过控制开关器件的占空比来实现的，逆变后的p w m 脉冲通过滤波电路可实现稳压输出。因此，基于硬件电路的p w m 控制技术为空调 控制器对外部制冷装置电路控制提供了思路和方法。 随着控制技术的发展，传统的p i d 控制技术已经相当成熟，对具有精确数学模 型的系统具有很好的控制效果，在一些工程应用领域显示出其优异的控制特性， 并在热电制冷温度控制领域有了初步的应用。然而，由于p i d 控制技术需要对系统 建立精确的数学模型，并存在着易使系统产生超调、振荡等不足，近年来，对智 能控制的研究日渐活跃，并在很多领域得到了应用。典型的智能控制有模糊控制、 神经网络控制和基于专家系统的控制等。模糊控制理论是建立在模糊集合理论基 础上的一种基于语言规则和模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要的分 支，其显著特性在于不需要对控制对象建立精确的数学模型，直接查询模糊控制 规则进行模糊推理与决策，从而获得合适的控制量，对于难以对控制对象建立精 确数学模型的系统具有良好的适应性和稳定的控制特性。由于温度系统的非线性 及温度场的大惯性和参数时变性等特性，这几年模糊控制在热电制冷温度控制领 第1 章绪论 域也有了一定的发展：一些文献已对模糊控制在热电制冷领域中的应用和发展进 行了介绍，国内也有学者将模糊控制技术应用于热电制冷的温度调节与控制，并 取得了一定的研究成果。 1 3 模糊逻辑控制的研究现状 众所周知，经典控制理论解决线性定常系统的控制问题是很有效的，现代控 制理论在军事科学、空间飞行等方面也得到了成功的运用。然而对于传统控制方 式，用计算机实现控制，首先要设定控制目标值，根据被控制对象的特性变化和 环境变化，通过负反馈原理不断进行调节以跟踪目标值。要设计一个满足控制目 标的控制器，必须有控制数学模型，对被控制对象的物理系统作数学抽象。而实 际应用中被控制对象能用传统数学模型描述其内在特性及其变化规律的不是很 多，甚至原则上说根本就没有，只是有些简单系统可以忽略其次要因素而进行某 种简化，这种抽象实际上是用精确的数学形式对真实的物理系统所作出的近似描 述【8 1 。人们对于绝大多数系统的认识都是相当粗略的，特别是对那些复杂的非线性 系统，多因素的时变系统等，传统的控制方式都不太试用，而以模糊集合和模糊 逻辑推理为基础的“模糊模型”的建立，却是一个理想的途径。因此，模糊控制系统 自然成为了一种极为理想的控制系统【9 】。 模糊控制是以模糊论集、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种控制方 法，从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。它先将操作人 员或专家的经验制定成模糊控制规则，然后把来自传感器的信号模糊化，并用此 模糊输入适配控制规则，完成模糊逻辑推理，最后将模糊输出量进行解模糊化， 变为模拟量或数字量，加到执行器上。模糊逻辑本身是一种系统的推理方法，其 控制策略来源于专家语言信息，因而能够解决许多复杂而无法建立精确数学模型 系统的控制问题。 1 4 本文研究内容 由于热电空调对电源和散热系统的特殊要求，以及受控制系统的非线性，温 度场的大惯性、系统数学模型的非精确性等诸多因素的影响，使得传统的控制方 基于l a b v i e w 的热电空调温度模糊控制系统的研究 法己经不能满足系统稳定性和环境舒适性的要求。模糊控制利用隶属函数和模糊 合成的方法将人的思维巧妙地应用于控制系统中，从而能够使非线性、大惯性、 无精确数学模型的系统在控制过程中实现满意的控制效果。因此，模糊控制应用 于热电空调的温度控制系统更具有优势，它可以通过查询以专家经验建立的模糊 控制表的方式，输出控制信号对热电空调温度进行智能控制。 本文为了改善热电空调的温度调节特性，对温度系统的智能调节方法进行了 研究，并将模糊控制技术应用于热电空调的温度控制系统，在l a b v i e w 环境下， 设计了热电空调温度模糊控制器( f u z z yc o n t r o l l e r ) 、热电空调温度监测子系统及 热电空调供电子系统。并完成了控制系统的硬件、软件设计及实验仿真，为热电 空调在居室温度调节方面的应用做了一些探索性的研究与实验。 本文的主要内容如下： 第一章在浏览大量相关参考文献的基础上，首先阐述了课题的背景及研究意 义。接下来对热电空调的发展与研究现状及本文中用到的模糊控制技术做了简单 论述。 第二章研究了热电制冷的基本原理，并对热电制冷的热力学特性和极限工况 进行了分析与计算。 第三章对模糊控制的基本原理和模糊控制器的设计方法进行了研究，依据热 电空调的温度控制要求制定出适用于系统的模糊控制规则，在此基础上，利用 l a b v i e w 的模糊逻辑工具箱设计了模糊控制器，并在l a b v i e w 环境下对模糊控制 器进行了输入输出性能仿真测试。 第四章首先介绍了虚拟仪器技术及l a b v i e w 的一些概念及特点，并在研究信 号采集和调理技术的基础上，结合信号调理设备实现了在l a b v i e w 环境下热电空 调温度监测子系统的软件设计。该部分是整个热电空调温度模糊控制系统的基础。 第五章完成了热电空调供电子系统的p w m 直流斩波调压电路的设计及 l a b v i e w 环境下硬件电路控制程序的编程，并利用p s p i c e 对p w m 直流斩波调压 电路进行了硬件仿真分析。 第六章将设计完成的热电空调温度模糊控制器、热电空调温度监测子系统及 第1 章绪论 热电空调供电子系统进行了整合，构建成了基于l a b v i e w 的热电空调温度模糊控 制系统实验平台，并在l a b v i e w 环境下编写了系统总程序，设计了本系统的控制 面板。对系统进行了软硬联调，实现了热电空调温度模糊控制系统的自动控制功 能。 第七章对整篇论文做了分析总结并对后续的研究工作提出了一些设想。 基于l a b v i e w 的热电空调温度模糊控制系统的研究 第2 章热电空调的制冷原理及特性研究 本章阐述了热电制冷的基本效应及热电制冷的原理，分析了热电制冷的工作 状况及特性，为后面的热电空调系统仿真与实验提供了理论依据。 2 1 热电制冷的基本效应 当直流电通过具有热电转换特性的导体组成的回路时具有制冷功能，这就是 所谓的热电制冷，其原理是热电效应在制冷技术中的应用。直流电通过半导体p n 结时，在两结点的接触面上会发生热电转换效应，它是由同时发生的五种不同热 电效应综合作用的结果。其中，电能和热能的转换具有可逆性的有塞贝克效应、 珀耳帖效应和汤姆逊效应三种效应。另外两种效应是热电的不可逆效应，即焦耳 效应和傅里叶效应【1 m 坦】。热电制冷技术主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用 【1 3 】。因此，研究热电效应产生的机理和作用为分析其制冷性能及建立热电空调的 实验系统提供了理论依据。 法国科学家珀尔帖( p e l t i e r ) 于1 8 3 4 年发现了热电转换效应，如图2 1 所示。1 9 1 1 年，德国人a l t e n k i r c h 用实验证实了此效应有制冷的功能，并提出热电制冷的理论。 半导体材料有最佳的热电能量转换特性，因此，半导体制冷又称为热电制冷，它 真正使热电制冷从理论转变为实际的工程技术应用。 苎二二= = 二； 热一一， 一 金属a 图2 1 热电转换效应 f i g 2 1t h e r m o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne f f e c t 三三鬈 - 。 第2 章热电空调的制冷原理及特性研究 热电制冷的现象称为热电效应，它是由在热电能量转换的过程中同时发生的 五种不同的效应共同作用而产生的。 ( 1 ) 赛贝克效应( s e e b e c ke f f e c t ) 1 8 2 1 年，赛贝克( s e e b e c k ) 发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个连接 结点处的温度不同，其周围就会出现磁场。进一步实验之后，发现了回路中有一 电动势存在，这说明回路中两种导体连接结点处如果有温差，便会产生热电能量 转换现象，这种现象称为赛贝克效应或温差电效应【1 4 1 。回路中所产生的电动势也 就称为赛贝克电动势或温差电动势。 如图2 2 所示，如果两种不同材料金属a 和b 两端节点上存在温差t 时，则在 金属两端便会产生电动势丝相，称为温差电动势。且温差电动势a e a 矗的大小与导 体连接结点间的温差t 成正比，比例常数为赛贝克系数口他，( 也称为温差电动势 率) ，其值为： = 蜘鲁 亿l ， 式中，口占的单位为v k ，a e 一曰为温差电动势的变化量。 金属a 瓦+ a f t 图2 2 赛贝克效应 f i g 2 2s b e c ke f f e c t 由定义式可知，塞贝克系数是两种不同金属材料产生的电势和温差的比值。 可见，塞贝克系数不是由一种材料，而是由一对材料形成的。由于热电制冷所选 的材料以及温差的大小和温度梯度方向的不同，使得赛贝克效应中所产生的温差 基于l a b v i e w 的热电空调温度模糊控制系统的研究 电动势的变化可以是正或负。因此，赛贝克系数不只有大小，还有符号之分。它 是一个相对的值，工程上常用金属铜作为基准材料来测量其它材料的相对赛贝克 系数。 温差电动势的发现对人类而言具有深远的意义。这不光体现在它立即使用于 温度测量上，还因为它让人们明白温度场可以直接的转化为电场，也即热能能够 在不需要任何动力设备的条件下而直接的转化为电能。 ( 2 ) 珀尔帖效应( p e l t i e re f f e c t ) 法国物理学家帕尔帖在1 8 3 4 年发现，当有外加直流电流流过由两种不同导电 材料a 和b 构成的回路时，两触点之一将产生吸热现象，而另一触点则产生放热现 象，因此这种现象称为珀尔帖效应【1 4 1 。这种现象吸收或放出的热量称为帕尔帖热， 实验表明，导电材料连接结点上的珀尔帖热与回路中流过的电流的大小成正比： q 。= 五一口i ( 2 2 ) 式中，名一日称为珀尔帖系数，q 口为珀尔帖热，i 为回路中的电流。在由p 型半导体 材料和n 型半导体材料组成的热电偶中，其珀尔帖系数旯刚类似于赛贝克系数，可 以表示为： = 砟一“ ( 2 3 ) 珀尔帖效应和赛贝克效应都是温差电效应，并互为反效应。由汤姆逊完成的 温差电路热力学分析，确定立了两种不同材料a 和b 的珀尔帖系数与赛贝克系数之 间的关系： 兄_ | b2 口彳占t c 式中，为热电偶冷端的绝对温度因此， 内吸收或放出的热量为： ( 2 4 ) 两种不同材料a 和b 连接结点上单位时间 g = 口彳占x t o ( 2 5 ) ( 3 ) 汤姆逊效应( t h o m s o ne f f e c t ) 若电流流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行进行热电能 量转换，这种现象称为汤姆逊效应【1 4 1 。实验研究得出单位长度导体吸收或放出的 第2 章热电空调的制冷原理及特性研究 热量与流过导体的电流和温度梯度的乘积成比例： q r = 0 7 攒d ! ( 2 6 ) 式中，比例常数万为汤姆逊系数；q r 为汤姆逊热；i 为流过导体的电流；d t d x 为 导体的温度梯度。如果电流方向和温度梯度的方向一致时有吸热现象，汤姆逊系 数万为正值，反之，万为负值并会产生放热现象。 ( 4 ) 焦耳效应( j o u l ee f f c t ) 焦耳效应是指电流流经导体时会产生热量的现象，它是一种不可逆的热效应。 其定义为单位时间内由恒定电流产生的热量等于电流平方和导体电阻的乘积【1 4 】： 岛：，2 r ：1 2 譬 ( 2 7 ) 式中，q 是由焦耳效应产生的热量，简称焦耳热；i 为通过导体的电流；r 为导体 的电阻；p 为导体的电阻率；，为导体的长度；s 为导体的截面面积。 ( 5 ) 傅立叶效应( f o u r i e re f f e c t ) 傅立叶效应为单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直于这个 方向的截面面积和该方向的温度梯度成比例f 1 4 】： 级：竽( 瓦一t o ) ：触丁 ( 2 8 ) 式中，k 为导体的热导率；五兀为热端的绝对温度；疋兀为冷端的绝对温度；s 为 导体的截面面积；，为导体的长度；k 为导体总热导。 2 2 热电制冷原理 热电效应中起主导作用的是珀尔帖效应，因此，热电制冷其实是珀尔帖效应 在制冷技术中的应用。实际应用中的热电制冷装置是用热电效应较为显著、热电 制冷效率比较高的特种半导体材料构成p n 结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应。 目前采用半导体材料锑化铋做成n 型和p 型热电偶，用模块的方法组成半导体制冷 器件。 图2 3 所示为热电偶的热电制冷原理图，图中用铜连接片将p 型半导体和n 型半 导体连接起来并接入直流电源，由于珀尔帖效应，在p 型半导体和n 型半导体的连 基于l a b v i e w 的热电空调温度模糊控制系统的研究 图2 3 热电偶制冷原理图 f i g 2 3t h e r m o c o u p l er e f r i g e r a t i o ns c h e m a t i c 接结点处产生热量的转移，并使热电偶两端连接结点存在一定的温差。由于半导 体内有两种导电载流子，它的珀尔贴效应不能只用接触电位差来解释，否则将得 出与事实截然相反的结论。正确的理解是：在图中热电偶下面的铜片连接处，当 电流的方向为p _ n 时，p 型半导体中的空穴和n 型半导体中的自由电子向接头处相 向运动。在接头处，n 型半导体导带内的自由电子将通过接触面进入p 型半导体的 导带。这时，自由电子的运动方向是与接触电位差一致的，电子要从n 区n p 区必 须越过一个能量高坡【l5 1 ，因此电子通过接头时将吸收能量。但是，进入p 型半导体 导带的自由电子立即与满带中的空穴复合，它们的能量转变为热量从接头处放出。 由于这部分能量大大超过它们为了克服接触电位差所吸收的能量，抵消后还是呈 现放热。同样，p 型半导体满带中的空穴将通过接触面进入n 型半导体的满带，也 同样要克服接触电位差而吸热。由于进入n 型半导体满带的空穴立即与导带中的自 由电子复合，它们的能量变为热量从接头处放出，这部分热量也大大超过克服接 触电位差所吸收的能量，一部分抵消后还是放热。其结果，接头处温度升高而成 为热端，并要向外界放热。同理，在热电偶上面的铜片连接处，电流方向为n _ p 时，p 型半导体中的空穴和n 型半导体中的自由电子作离开接头的背向运动。在接 头处p 型半导体满带内的电子跃入导带成为自由电子，在满带中留下空穴，即电子 空穴对。而新生的自由电子通过接触面进入n 型半导体的导带，这时自由电子的 运动方向是与接触电位差相反的，电势能将减小，当电子通过接头时放出能量。 第2 章热电空调的制冷原理及特性研究 但是，产生电子一空穴对时所吸收的能量大大超过了它们通过接头时所放出的能 量。同样，n 型半导体也产生电子空穴对，新生的空穴也立即通过接触面进入p 型 半导体的满带，产生电子空穴对时所吸收的能量也大大超过了空穴通过接头时所 放出的能量。总结果是使接头处温度下降而成为冷端，从外界吸热，即产生制冷 效果。 直接接触的热电偶电路并不可用于实际中，所以用图2 3 的连接方法来代替。 实验证明，在温差电路中引入第三种材料( 铜连接片和导线) 不会改变电路的特性。 这样，半导体元件可以各种不同的连接方法满足使用者的要求。把一只p 型半导体 和一只n 型半导体联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量 的转移。将若于对半导体热电偶以串联的方式进行电路连接，其传热保持并联结 构，这就构成了一个常见的制冷热电堆，如图2 4 所示。借助散热风扇或热管，使 热电堆的热端保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温，这 就是半导体制冷的原理。 陶瓷 绿材 半导 辩冷面 图2 4 热电制冷器结构图 f i g 2 4s t r u c t u r eo f t h e r m o e l e c t r i cr e f r i g e r a t o r 事实上，从热力学角度，热电制冷与机械压缩式制冷的热力循环是相似的。 两者都需要通过消耗电功来完成一个循环制冷的过程，热电制冷器是一种不用制 基于l a b v i e w 的热电空调温度模糊控制系统的研究 冷剂、没有运动部件的电器。它的热电堆起着普通制冷压缩机的作用，冷端及其 热交换器相当于普通制冷装置的蒸发器，而热端及其热交换器则相当于冷凝器。 通电时，自由电子和空穴在外电场的作用下，离开热电堆的冷端向热端运动，相 当于制冷剂在制冷压缩机中的压缩过程。在热电堆的冷端，通过热交换器吸热， 同时产生电子一空穴对，这相当于制冷剂在蒸发器中的吸热和蒸发。在热电堆的热 端，发生电子一空穴对的复合，同时通过热交换器散热，相当于制冷器在冷凝器的 放热和凝结。 2 3 热电制冷特性与极限工况分析 热电偶及热电堆为热电制冷的热力学研究与分析提供了物质条件，热电制冷 的制冷量( r e f r i g e r a t i n gc a p a c i t y ) 、制冷效率以及制冷材料的优值系数分析是热电制 冷研究的主要内容。通过对热电制冷的热力学性能分析与研究，可以进一步了解 热电制冷的特性，为热电空调的温度控制实验研究提供理论参考。 2 3 1 热电制冷的热力学分析 热电偶又是组成热电堆的基本单元。因此，热电制冷器的热力学特性必须对 其基本的热电制冷单元进行研究，从而可以分析了解整个热电制冷器的热力学性 能。 在热电偶的制冷过程中，由于热电偶的两个端点存在温差，热端的热量会向 冷端传导，而这个传导的热量是由傅立叶效应产生的，同时，流过热电偶的电流 会产生焦耳热，它使热电偶局部的温度升高，这会使更多的热量流向热电偶的冷 端，从而增加了从热电偶热端流向冷端的总热量【l6 1 。因此，当热电偶中的电流恒 定时，从热电偶的热端流向冷端的总热量可用一维傅立叶方程表示： 鲵= o + 圭9 = 碰丁+ 丢m ( 2 9 ) 式中，r 为热电偶电偶臂的总阻值，其值为： 、 尺：旦左+ 旦盘 s ps k 是电偶臂的总热导，其值为： ( 2 1 0 ) 第2 章热电空调的制冷原理及特性研究 k ：丝+ 监 ( 2 1 1 ) l pl n 式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 中，p 尸、p 、0 、昂、k p 、k j i i ，分别为热电偶的p 型 半导体和n 型半导体的电阻率、电偶臂长度、截面面积、热导率。珀尔帖效应使热 电偶冷端吸热以产生制冷量，而由傅立叶效应和焦耳效应产生的传导热影响了热 电偶的制冷量，因此，热电偶冷端的实际制冷量为： q 。= q 尸一幺。= 口刖皿一尺r 一要，2 r ( 2 1 2 ) 在实际应用中，制冷元件除了工作在最大制冷量状态下，在很多情况下需要 工作在最大效率状态下，以节省能源消耗。因此，衡量热电偶最重要的一个指标 就是其制冷系数，它反映了热电偶的热电转换效率 1 7 - 1 9 】。定义制冷器的制冷系数占 为单位电功率所能吸收的热量，即： 弘鱼( 2 1 3 ) 式中，p 为热电偶消耗的电功率在热电偶正常工作的条件下，一对热电偶的压降 为： u = r + a p t c a t ( 2 1 4 ) 热电偶消耗的电功率p 为： 尸= i u = 1 2 r + 口p 丛r ( 2 1 5 ) 根据热电偶的制冷系数的定义，可得其值为： s ：堡：竺竺竺二竺三二圭二!。2 。6 ， p1 1 r + o cd n i 俎 2 3 2 热电制冷的极限工况分析 依据上面提供相关表达式可以对热电制冷的参数进行计算和分析。在热电制 冷过程中，利用热电制冷器的冷端对其周围环境进行制冷的工作状况称为热电制 冷工作状况，不同的热电制冷参数与其工作状况相对应。 基于l a b v i e w 的热电空调温度模糊控制系统的研究 热电制冷器有两种极限工作状态：最大制冷量状态( 或者最大产冷量q 一) 和最大制冷效率( 或者最大制冷系数s 眦) 状态。在前者的情形下，从用电的角度 来看是不够经济的，但却能够获得最大的温度降低；在后者的情形下，制冷器能 够最有效地将电能转换为“冷”。换言之，状态包眦意味着具有最大的制冷量，而 在状态g 一时，则保证制冷器最经济的工作。因此，有关热电制冷器的基本计算公 式也分成两类。一类用于计算在最大制冷量状态下工作的制冷器参数，而另一类 则用于在最大制冷效率状态下工作的制冷器参数。但是，实际运行的半导体制冷 装置运行状态往往是在一定的工况区域范围内运行，只能设法接近某种极限状态， 难以始终在某种极限状态下运行【2 0 1 。 ( 1 ) 最大制冷量工作状况 在有些应用场合，需要用尽可能少的热电元件获得尽可能大的制冷量。在热 电元件冷、热端温差为零的情况下，热电元件的制冷量与其工作电流有关：珀尔 帖热绋与电流成正比，焦耳热g 与电流的平方成正比，对式( 2 1 2 ) 进行数学分析 , - j 矢n ，q c 为一条开口向下的抛物线，因此在某一工作电流条件下热电元件的制冷 量存在最大值。 式( 2 1 2 ) 对电流l 求导，并使( 媲刃) = o ，则有： k 。亏竿 ( 2 1 7 ) 因此最大制冷量q c 一为： q c m x _ 譬一k a r ( 2 1 8 ) 将式( 2 1 8 ) 整理得： 丁：堕型圣笙一缒( 2 1 9 ) 2 觑 k 由以上计算可知，在电流由零开始增大的初始阶段，制冷量随着电流的增大 而增加到最大值，此时为最大制冷工作状况。此后当电流再进一步增大时，则会 因更多的焦尔热产生，从而降低珀尔帖热而使制冷量逐渐减小并趋近于零。另一 第2 章热电空调的制冷原理及特性研究 方面，随着冷端和热端温差的增加，制冷量也会被与电流无关的热传导所抵消。 因此制冷工作状况只能在电流增加的起始阶段，并且电流必须控制在一定的工作 范围内。同理，取暖工况也一样要把电流控制在起始阶段的- 二定工作范围内。 由式( 2 1 9 ) 可以看出，在其它条件不变的情况下，冷接头处于理想绝热，既 没有任何热量传入的情况下( q c 懈= 0 ) ，电偶臂上建立的温差将达到最大值： = 吾丢z = 圭研 ( 2 2 0 ) 式中： z ：笠( 2 2 1 ) 冗k z 是热电材料的优值系数，单位为( k 1 ) ，是衡量热电偶对的最关键因素，它 只与热电材料的物理性质有关，反映了热材料的热电特性，决定了制冷元件所能 达到的最大温差。 ( 2 ) 最大制冷系数工作状况 在实际应用中，除要求最大制冷量工作状态外，有时还要求制冷元件或制冷 器工作在最大效率状态，在此工作状况下，热电制冷器的冷端从被冷却介质中吸 收的热量称为制冷量，这一过程中需消耗_ 定数量的电功率。热电制冷堆单个热 电偶冷端的制冷量可用下式来计算： q = 9 尸一9 船= q j d q 髟一寺g ( 2 。2 2 ) 采用等截面面积的p 型半导体和n 型半导体，并设： p 2 p v2p n k = k p = k 则式( 2 2 2 ) 可表示为： q e = t z p n 珥一t 2 k s a t 一等 ( 2 2 3 ) 式中，z 为冷端绝对温度；r 为冷端和热端的温差。制冷系数是衡量制冷系统工 作的经济性指标，为节省能源消耗，常需要热电空调工作在最大制冷系数条件下， 基于l a b v i e w 的热电空调温度模糊控制系统的研究 占：堡：兰竺竺二工2 k s a t 二i p i ：2 4 ) k 2 丽蚕a e n a t 蒜2 覆蓊a e n a t 蒜 汜2 5 ) ( 1 + 急( 疋+ 瓦) _ 1 ) r ( 1 + 吉z ( 疋+ 瓦) - 1 ) r ，：土蜒些生 他2 6 ， 。藏雨菰萧 心2 6 2 4 小结 本章介绍了热电制冷的基本效应及其制冷原理，并通过对热电制冷相关参数 的热力学计算，从理论上得出其基本制冷工作状况下热电偶的最大制冷量、最佳 工作电流和最大制冷系数等热电制冷的特征量，并且也确立了特征量和热电制冷 第2 章热电空调的制冷原理及特性研究 材料的特性参数之间的关系式，对热电偶制冷特性进行了深入的分析研究，了解 了热电空调的制冷特性，为控制系统的研究与设计提供了理论指导。 基于l a b v i e w 的热电空调温度模糊控制系统的研究 第3 章热电空调温度模糊控制器的设计 本章介绍了模糊控制系统的构成及原理，在热电制冷原理的基础上，依据热 电空调的温度控制要求，制定了适用于热电空调温度模糊控制系统的控制量论域 及模糊控制规则，并按照模糊控制器的基本设计方法，在l a b v i e w 环境下设计了 热电空调温度控制系统的模糊控制器。 3 1 模糊控制系统的构成及原理 模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式来表示，用模糊逻辑的规则推理 为理论基础，采用计算机控制，构成的反馈闭环数字控制系统。它和其它的自动 控制系统一样，通常由被控对象、测量装置、控制器和执行机构等部件组成。模 糊控制系统的基本组成框图如图3 1 所示。它的核心部分为模糊控制器，模糊控制 器的控制规律由计算机的程序实王见【2 5 1 。 厂一一一蕊磊一一一 图3 1 模糊控制系统的基本框图 f i g 3 1f r a m eo ff u z z ye o n t r o ls y s t e m 实现模糊控制算法的过程如下：计算机经采样获取被控制量的精确值，然后 将此量与给定值比较得到偏差信号p 、偏差变化量e 。作为模糊控制