变频空调模糊控制系统的设计

变频空调模糊控制系统的设计摘要随着人民生活水平的不断提高，家用空调器的需求量逐年增加。变频空调由于性能优异，节省能源等特点，逐渐成为各大空调器生产企业的发展方向，变频技术也日渐得到各空调器厂商的重视。模糊控制变频空调器的优点是高效节能，起动电流小，工作噪声小，温度控制精度高，算法简单，控制简单等，可以创造出人体适应的温度环境。采用无刷直流电机作为压缩机的驱动电机，能获得更好的控制性能，能效比高，且使用寿命更长。本论文通过对变频空调模糊控制系统的设计，达到了预期的要求。通过对模糊控制的基本理论以及模糊控制器的基本结构的阐述，认识了设计模糊控制的基本方法，并联系变频空调的实际，设计出适合变频空调使用的模糊控制器。本论文以变频空调的设计为主线，介绍了变频空调基本结构，无刷直流电动机的工作原理，以及模糊控制的基本思想，阐述了以下的一些主要问题变频空调的优势，一般分体式空调的工作原理，无刷直流电动机工作原理，模糊控制的具体设计方案的选择以及结合实际并在MATLAB下进行建模仿真。关键词变频空调；模糊控制；MATLABTHEDESIGNFORFUZZYCONTROLSYSTEMOFVARIABLEFREQUENCYAIRCONDITIONABSTRACTWITHTHEIMPROVEMENTOFPEOPLESSTANDARDOFLIVING,HOMEAIRCONDITIONERWILLBEMOREANDMOREREQUIREDRECENTLY,INVERTERAIRCONDITIONER,WITHTHEMERITSOFHIGHPERFORMANCEANDENERGYCONSERVATION,HASBECOMETHEDEVELOPINGDIRECTIONOFTHEMAINAIRCONDITIONERMANUFACTURINGENTERPRISESINVERTERTECHNIQUEHASBEENINCREASINGLYFOCUSEDONBYTHEMANUFACTURERSTHEADVANTAGEOFFUZZYCONTROLINVERTERAIRCONDITIONLIESONTHEHIGHEFFICIENCY,HIGHPRECISIONOFTEMPERATURECONTROL,SIMPLEARITHMETIC,SIMPLECONTROLTHEORY,LOWSTARTUPCURRENTANDLOWNOISEFURTHERMORE,USINGBRUSHLESSDCMOTORASTHECOMPRESSORCANGETHIGHEFFICIENCYANDLONGLIFESPANTHEVARIABLEFREQUENCYAIRCONDITIONFUZZYCONTROLLERARETHEMAJOROBJECTOFCONTROLINTHEDESIGNITCONTAINSTHEBASICTHEORYOFFUZZYCONTROLTHEBASICSTRUCTUREOFFUZZYLOGICCONTROLLER,COGNIZESTHEMETHODOFFUZZYCONTROL,ANDCONTACTSTHEACTUALAPPLICATIONS,DESIGNSAFUZZYLOGICCONTROLLEROFVARIABLEFREQUENCYAIRCONDITIONTHISTHESISFOCUSESONTHEDESIGNOFVARIABLEFREQUENCYAIRCONDITIONITEXPLAINSTHETHEORYOFVARIABLEFREQUENCYAIRCONDITION,HOWTHEBRUSHLESSDCMOTORWORKS,THEMAJORISSUESHAVEBEENADDRESSEDASFOLLOWSTHECHARACTERSOFBRUSHLESSDCMOTORANDPARTEDAIRCONDITION,THEADVANTAGEOFVARIABLEFREQUENCYAIRCONDITIONTHANGENERALAIRCONDITION,IMPLEMENTATIONOFFUZZYARITHMETIC,HOWTOUSETOOLBOXOFMATLABTOSETUPTHEMODELOFACTUALAPPLICATIONSOFVARIABLEFREQUENCYAIRCONDITION,SIMULINKOFMATLABANDETCKEYWORDSVARIABLEFREQUENCYAIRCONDITIONFUZZYCONTROLMATLAB目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景112空调控制系统的发展概况213模糊控制在变频空调器上的应用3第2章变频空调器的结构及原理421变频空调技术简介422变频空调的特点423变频空调的优势624变频空调器的工作原理及基本结构8241分体式空调室内机工作原理10242分体式空调室外机工作原理10243无刷直流电动机1125本章小结15第3章变频空调模糊控制策略的研究1631模糊控制简介16311模糊控制基本理论的产生和发展16312模糊控制系统的组成1732变频空调模糊控制器的研究18321精确量的模糊化19322模糊控制规则的确定21323模糊推理的实现22324解模糊22325模糊控制表2233空调器模糊控制软件的设计2334本章小结24第4章MATLAB下系统建模与仿真分析2641在MATLAB下设计模糊控制器26411建立FIS的主框架26412隶属度函数的确立27413编辑控制规则27414规则观测器和曲面观测器2842SIMULINK下系统建模仿真29421对象模型的确定29422控制系统模型的建立29423系统仿真结果及分析3043本章小结34结论35致谢36参考文献37附录A38附录B49第1章绪论11课题背景空调器是室内空气调节器的简称，它是一种向封闭空间提供经过处理的空气的设备。因其具有优良的空气调节性能，可为人们创造舒适的工作生活环境，正在众多家庭及企事业单位得到广泛的普及和应用。它可对房间的温度、相对湿度、气流速度和洁净度等进行一定调节，其最主要最基本的功能就是对温度的调节。人们对空气调节的追求与实践已经有100多年的历史了。1851年，美国人约翰戈里制造了世界上第一台商用制冷空调机。1859年，德国工程师费尔迪南卡尔林达发明了氨水吸收式制冷机，它应用了水对氨气具有强烈吸收能力的原理，这种较为原始的制冷机曾一度应用于生产和商业。1872年，美国人波依尔发明了活塞式氨气压缩制冷剂1，经过不断的发展和改进，一直沿用至今。但是直到1902年，美国的开利（WILLISHAVILANDCARRIER）博士发明了世界上第一部真正意义上的空调。从此，随着人们生活水平的不断提高，空调器已经成为家庭生活的必需品。人们对空调器的要求也已经从初期的仅仅满足于制冷、制热的简单功能发展到追求舒适、享受的多种功能。在这发展的过程中，空调器也完成了从定频空调向变频空调的转变，其控制策略也相应的发生了转变。变频空调器与普通空调器或称定转速空调器的主要区别是前者增加了变频器。我国的电网电压为220伏、50赫兹，因此在这种条件下工作的空调称之为“定频空调”。因为供电频率不能改变，传统的定频空调的压缩机转速基本不变，其温度控制原理是通过温度传感器感知室内温度变化，并依靠其不断地“开、停”压缩机来调整室内温度，其一开一停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多的电能。压缩机的ONOFF控制方式、空调器自身的非线性和大延迟时滞系统的结构特点，以及压缩机室内的输出与压缩机室外的输出相比有一定的滞后性，这样就造成室内温度波动性较大，势必影响空调的温度控制精度和人体的舒适性。所以，传统空调对温度的调节是一种断续的变化过程，它不能根据环境温度变化及时调整空调器工作状态（即压缩机转速）。所以说，传统空调器存在着温度控制方式机械、能源浪费大、温度舒适度差等问题。另外传统空调采用PID控制算法，需要建立被控对象的精确数学模型，也不易获得。随着制冷技术、电机控制技术、电力电子技术和智能控制技术的发展，近年来人们采用模糊逻辑控制算法并与变频技术相结合，应用于空调，使得一种高效节能、高舒适度的空调常规模糊变频空调成为消费者的所爱。这种空调可以通过改变压缩机的转速来连续的调节压缩机的负荷，以适应动态变化的空调房间负荷需要，较定频空调具有更优越的运行经济性和舒适性，其优点主要表现在制冷（制热）迅速、控温精确、适应范围宽、节能等方面。尽管常规模糊变频空调与传统的定频空调相比，技术上有了很大的进步，但是常规模糊变频空调其技术参数的确定，通常是根据专家经验事先设定好的。由于其参数值是按标准环境设定的，不能很好考虑空调所在室内环境的差异、季节的变化以及个体舒适度等因素。如青年人希望空调温度调节变化速率快一些，而老年人则希望空调温度调节变化速率慢一些；有的人认为夏季空调室内温度设置为20左右为好；而另外一些人则认为室内外温差不宜太大，否则人们会有不舒适感觉。常规模糊变频空调，由于控制规则已经事先确定了，当环境温度变化较大时，会出现输出突变的情况（忽上忽下），这样不但浪费能量，而且使人感到不舒适。这就要求变频空调在用户使用的过程中具有自学习功能，即空调的运行参数能根据室内环境的差异、季节的变化及个体舒适度差异等因素，进行调节，不再根据标准环境设定的参数运行，能“以人为本”的最优化参数自动运行。这样空调不仅给人们带来更舒适的感觉，而且能节约更多的电能，达到真正的智能。12空调控制系统的发展概况空调因其具有优良的空气调节性能，可为人们创造舒适的工作生活环境，正在众多家庭及企事业单位得到广泛的普及和应用。从空调控制系统的发展过程看，其经历了从传统定速空调控制系统到变频调速空调控制系统的转变。传统定速空调器控制系统中一直采用单相异步电动机，对电机采取简单的开关式控制，压缩机的转速不可调节，电能损耗、被控环境温度波动及噪音都很大，压缩机容易受冲击损坏。随着人们生活水平的提高及能源短缺问题的出现，舒适与节能性空调的研究逐渐提到日程上来，在制冷技术、电机控制技术、电力电子技术、微电子技术和控制理论发展的带动下，变频空调就应运而生并因其节能舒适等优越性能越来越受到大家的青睐，逐渐代替传统定速空调走入历史舞台。变频空调控制系统能够根据环境热负荷的变化来控制压缩机的转速，从而控制空调器的制冷量（制热量）。当室内需要急速降温或急速升温、室内空调负荷加大时压缩机转速在微处理器的控制下加快，制冷量或制热量按比例增加当室内负荷减小时，压缩机转速则按比例减小，因此，随着季节和昼夜的变化，空调器的变速运转既可以节能又可保证房间内舒适。变频空调器控制系统改善了普通空调控制系统的不足，具有很多优点如压缩机采用了比单相电机效率更高的三相电机，在电机的控制上采用了变频调速技术，在室内温度的调节上则引入了自动控制理论，采用了智能模糊控制的控制策略，使得在大部分运转时间电机的运转速度能和室内的负荷相协调，避免了压缩机的断续运转，与普通空调相比有效地延长了压缩机的使用寿命；压缩机从低频启动，启动电流小，对电网无冲击，对其它电器无干扰等；启动后，压缩机能够高速运转，快速接近设定温度；当室内温度趋向设定温度时，压缩机低速运转，减少开停次数，降低室温波动，提高舒适度等。因此，变频空调的出现是空调器发展的一次变革，有广阔的发展前景，是空调的一个重要发展方向。13模糊控制在变频空调器上的应用随着电力电子技术和单片机技术的发展，空调器的控制方法发生了很大的变化。以单片机为核心的温度控制器采用PID调节，能构成一个闭环连续控制系统。由于空调系统的被控对象是房间的温度场，它与空调器进行热交换的工况相当复杂，制约因素太多，系统的数学模型很难确定，而PID调节器参数的整定在很大程度上依赖于精确的数学模型，两者的矛盾很难统一。模糊控制FLC（FUZZYLOGICCONTROL）是人工智能领域中形成最早、应用最广泛的一个重要分支，适合于结构复杂且难以用传统理论建模的问题。在空调系统的控制过程中，由于控制对象的时滞，时变和非线性的特征比较明显，导致控制参数不易在线调节，而FLC却能较好地适应这些特征，因此引起了空调领域的普遍关注，目前已经成功地应用到家用空调器上，日本、西欧等发达国家在这一领域处于领先水平。随着模糊控制技术在空调器中应用研究的不断深入，在控制目标方面从早期的温度控制发展到与其它人工智能领域相结合的职能模糊控制。为了提高控制器的控制效果，适应过程参数的变化对控制系统的要求，出现了在线模糊参数的自适应、自组织模糊控制器等。如在日本已经出现了基于遗传算法的模糊空调器、模糊神经元控制的空调系统等2。国内在模糊控制方面的研究虽然起步较晚，但是发展很快，取得了一些令人鼓舞的成就。第2章变频空调器的结构及原理21变频空调技术简介变频空调与普通空调器或称定转速空调器的主要区别是前者增加了变频器。变频空调的微电脑随时收集室内环境的有关信息与内部的设定值比较，经运算处理输出控制信号。交流变频空调的工作原理是把工频交流电转换为直流电源，并把它送到功率模块大功率晶体管开关组合；同时模块受微电脑送来的控制信号控制，输出频率可调的交变电源合成波形近似正弦波，使压缩机电机的转速随电源频率的变化作相应的变化，从而控制压缩机的排量，调节制冷量或制热量。直流变频空调同样把工频交流电转换为直流电源，并送至功率模块，模块同样受微电脑送来的控制信号控制，所不同的是模块输出受控的直流电源无逆变环节送至压缩机的直流电机，控制压缩机的排量，因此直流变频空调更省电，噪声更小。变频空调的压缩机由变频电机拖动，电源变频器输出频率变化的交流电给电动机，使电动机的转速可以根据室内制冷量的需要而连续变化，最终压缩机的制冷量达到连续变化的自动控制。为了配合制冷量的连续变化，制冷系统中采用了电子膨胀阀，由脉冲电机开关阀芯，快速控制进入蒸发器的制冷剂流量。其主要特点为变频器能使压缩机电动机的转速无级连续可调，其转速是根据室内空调负荷而成比例变化的，当室内需要急速降温或急速升温，空调负荷加大时，压缩机转速就加快，制冷量或制热量就按比例增加，当达到设定温度时，随即处于低速运转维持室温基本不变。变频空调的节流是运用电子膨胀阀控制量，它的室外微处理器可以根据设在膨胀阀进出口、压缩机中气管处的温度传感器收集的信息来控制阀门的开启度，随时改变制冷剂的流量。压缩机的转速与膨胀阀的开启度相对应，使蒸发器的能力得到最大限度的发挥。同时，由于采用了电子膨胀阀作为节流元件，化霜时不停机，利用压缩机排气的热量先向室内供热，余下热量送到室外，将换热器翅片上的霜融化。变频空调将逐步取代传统的定转速空调，成为空调控制技术发展的主流。变频技术已从交流式向直流式转化，控制技术由PWM脉冲宽度调制发展为PAM脉冲振幅调制。采用PWM控制方式的压缩机转速受到上限转速的限制，一般不超过7000转/分，而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高15倍左右，这样大大提高了制冷和低温下的制冷能力4。22变频空调的特点所谓的“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。众所周知，我国的电网电压为220V、50HZ，在这种条件下工作的空调称之为“定频空调”。由于供电频率不能改变，传统的定频空调的压缩机转速基本不变，依靠其不断地“开、停”压缩机来调整室内温度，其一开一停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。而与之相比，“变频空调”变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，室温波动小、电能消耗少，其舒适度大大提高。而运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度并在低转速、低能耗状态下以较小的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。供电频率高，压缩机转速快，空调器制冷（热）量就大；而当供电频率较低时，空调器制冷（热）量就小，这就是所谓“定频”的原理。变频空调的核心是它的变频器，变频器是20世纪80年代问世的一种高新技术，它通过对电流的转换来实现电动机运转频率的自动调节，把50HZ的固定电网频率改为30至130HZ的变化频率，使空调完成了一个新革命。同时，还使电源电压范围达到140V至270V，彻底解决了由于电网电压的不稳定而造成空调器不能正常工作的难题。变频空调每次开始使用时，通常是让空调以最大功率、最大风量进行制热或制冷，迅速接近所设定的温度。由于变频空调通过提高压缩机工作频率的方式，增大了在低温时的制热能力，最大制热量可达到同品牌、同级别空调器的15倍，低温下仍能保持良好的制热效果。此外，一般的分体机只有四档风速可供调节，而变频空调器的室内风机自动运行时，转速会随压缩机的工作频率在12档风速范围内变化，由于风机的转速与空调器的能力配合较为合理，实现了低噪音的宁静运行。当空调高功率运转，迅速接近所设定的温度后，压缩机便在低转速、低能耗状态运转，仅以所需的功率维持设定的温度。这样不但温度稳定，还避免了压缩机频繁地开开停停所造成的对寿命的衰减，而且耗电量大大下降，实现了高效节能。变频空调器有交流变频空调器和直流变频空调器两种。交流变频空调器的压缩机采用三相感应电动机。其工作原理是把交流电源转变为直流电源，作为变频器的电源，再改变压缩机电流的频率。控制器根据室内机检测到的信号，通过微机运算产生运转频率信号。这个频率可变的运转频率信号，通过逆变器产生三相交流电，施加到压缩机上，从而改变压缩机的转速。直流变频空调器中的压缩机采用直流电动机。其变频原理是把交流电变为直流电，把可变的直流电压送至直流电动机，控制压缩机的排量。变频空调器的控制技术逐步由PWM脉冲宽度调制向PAM脉冲振幅调制发展。变频技术从交流式向直流式发展。变频器由微电脑芯片进行控制3，控制系统框图如图21所示。遥控器信号室温其他检测室内控制单元显示窗室内风机相关检测数据通信变频器四通阀、电子膨胀阀、室外风机压缩机室外控制单元图21变频式空调器控制系统框图23变频空调的优势一般空调机由于电源频率50HZ是固定的，所以压缩机的转速是固定的，也就是被称为“空调机血液”的冷媒（氟利昂）的循环是恒量的，在一定时间内冷媒的循环量越大，空调机的输出功率就越高。也就是说，压缩机的转速决定了空调机的输出功率。而变频空调是一种使用变频压缩机和模糊控制技术的空调器，能根据室内气温的变化，调节制冷速度。具有低噪音、耗能低等特点。一个15平方米的房间，变频空调比定频式调温速度快610分钟。达到设定温度后，变频空调又能以仅为定频空调10的功率低速运转，以调节温度细微损耗，维持恒温状态。试验显示，变频空调噪音低56分贝，寿命长58年，是空调市场未来的发展方向。表21变频空调的优点项目常规空调变频空调适应负荷的能力不能自动适应负荷变化自动适应负荷的变化温控精度开/关控制，温度波动范围2C降频控制，温度波动范围05C启动性能启动电流大于额定电流软启动，启动电流很小节能性开/关控制，不省电自动以低频维持，省电30低电压运转性能180V以下很难运转低至150V也可以正常运转制冷、制热速度慢快热冷比小于120大于140低温制热效果0C以下效果差10C时效果仍好化霜性能差准确快速，只需常规空调一半时间除湿性能定时开/关控制，除湿时有冷感低频运转，只除湿不降温满负荷运转无此功能自动以高频强劲运转保护功能简单全面普通空调的压缩电机采用交流异步电机，转速不变，50HZ时转速约为2880R/MIN。而变频空调是先把220V、50HZ的单相交流电转变成为三相变频交流电25118HZ，供给压缩机，通过频率变化来调节压缩机转速，使制冷量连续变化，适应空调负荷的需要。变频空调相对于普通空调的优点如表211所示。1快速达到制冷、制热设定温度。因为变频技术的应用，压缩机的转速可根据环境状况而调节，启动时温差大，压机转速高，制冷或制热能力大。如15匹变频空调，短时最大的输出能力相当于2匹定速空调，因此，达到设定温度快。2舒适性好。当温度达到设定值附近时，变频空调压机调整到合适的转速，维持当前温度，使空调的输出能量与房间环境之间的交换能量平衡。压缩机保持轻负荷运行从而室温变化小。定速空调在温度达到上限设定值后，压机停止工作，达到下限设定值，压机以定速运转，室温变化大。此外，压机的频繁启动、停止，更缩短了压机的使用寿命。由此可见，变频空调的制冷或制热效果优于定速空调。3长时间运行节电。节能家电是时下家电市场宣传中使用频率非常高的一个词，尤其是在目前全社会都提倡节能的氛围中，节能家电的宣传也显得愈发诱人。有人做过同功率变频和定频空调的测试，在运行四十分钟以前，虽然变频空调耗电量超过定速空调，然后在四十分钟左右，有一个交汇点，从这一点以后，时间逐渐推长的时候，变频空调耗电量在逐渐减少。而一般冬天开40分钟空调不太可能迅速提高房间的温度，尤其是夜晚空调要开长达七、八的小时以上，其节电性能就很明显了。比如定速空调用一度电，变频空调只需要零点七度，甚至更少。4温度控制稳定。变频空调压缩机的转速是可以调节的，通过旋转的快慢来调节温度的变化。而普通空调压缩机运转速度是不变的，因此被称作定速空调。变频空调对房间里的温度控制比较稳定，而定速空调它的房间温度有一定的波动范围，大概会比变频空调温度波动范围大两度左右。此外变频空调达到设定的温度比定速空调达到房间设定的温度大概要快一倍的时间。5能适应不同电网频率50HZ与60HZ地区都可使用，并可以更好的实现一台室外机带多台室内机的运转。6变频空调器的其他特点1更好的舒适感变频空调器从低速起动到达所设定的室内温度所需的时间比普通空调器减少了近一半以上，室温波动小，使人体感觉更加舒适。避免了频繁起动，减少了起动时的噪声。2更宁静的室内环境变频空调器风速范围比普通空调器大得多，随着压缩机的工作频率能在十几档风速下变化。降低了运行噪声，使环境更宁静。3更宽的电压工作范围变频空调器输出电源的频率由内部的变频器所控制，因此更加适应外部电压不稳定的情况。在市电150250V的范围内能可靠运行。同时，由于不存在对电网冲击的起动电流，减少了对电网的干扰。4更先进的除霜功能变频空调器的制冷循环系统，采用了电子膨胀阀节流，利用压缩机排气的热量先向室内供热，余下的热量输送到室外，使换热器翅片上的霜溶化，实现化霜不停机。在传统的空调计算机控制中，使用的是冷热的概念，中间过程被忽略，当模糊概念应用于空调器，可将温度划分为人体感觉的太冷、冷、稍冷、稍热、热、太热等。所以说模糊逻辑可以根据温差和温度变化率等其它多项干扰量，按照人类思维模式进行预测和控制，以达到最舒适的目的。模糊控制变频空调器的优点是高效节能，起动电流小，工作噪声小，温度控制精度高，算法简单，控制简单等，可以创造出较舒适的温度环境。采用无刷直流电机作为压缩机的驱动电机，能获得更好的控制性能，能效比高，且使用寿命更长。变频空调是随着制冷技术，电机控制技术，电力电子技术，微电子技术和现代智能控制技术的发展而出现的一种新型空调器。它能根据室内需求温度的不同，连续、动态的调节功率，以大功率迅速制冷，小功率维持室内的温度恒定，而改变压缩机功率是靠调节压缩机工作频率来实现的。正是由于这一特点，使变频空调器的发展具有巨大的社会经济效益，可以节约空调用电量，减轻电力供应的压力，因而变频空调器得到了国内外人士和业界的广泛关注3。随着电力电子技术和模糊控制技术在空调器中的应用，机电一体化的设计，降低成本的新技术的开发与研制，会令变频空调器有更好的市场发展前景。24变频空调器的工作原理及基本结构本论文研究的空调器为现在使用最多的分体式空调器，它采用直流变频，直流变频控制器原理12如图22所示。变频空调由压缩机、蒸发器、冷凝器、电磁四通阀、电子膨胀阀、除霜阀、双毛细管等部件组成。工作时，空调器根据空调房间的需要，使电动机的转速加快，压缩机的制冷量加大，达到快速制冷或制热的目的，相反，当房间的制冷或制热量较小时，压缩机以正常速度或较低速度运转，因此，变频空调具有连续的制冷量调节，使得房间的温度波动较小。在压缩机工作过程中，微电脑系统控制变频压缩机的同时，控制电子膨胀阀的开启度，保持适当的制冷剂流量，从而直接改变蒸发器中制冷剂的流量使其状态发生改变，压缩机的转速与膨胀阀的开启度相对应，压缩机的排气量与膨胀阀的供液量相对应，使过热度不至于太大，使蒸发器的能力得到最大限度的发挥，从而使制冷系统实现最高效率的控制。AC压缩机通电转换位置检测电路变频模块AABBCC交流直流图22直流变频控制器原理框图它是由室内机和室外机组成的，两者之间通过制冷剂管道和电缆连接。以制冷为例，说明分体式空调器的工作原理。在制冷循环中，经室外机组中的压缩机工作，将低温低压的制冷剂R22蒸汽压缩为高温高压的过热蒸汽，并排入冷凝器中，由于风扇的冷却散热作用，使过热的制冷剂气体逐渐由汽态变为液态，即由过热蒸汽变为干饱和蒸汽，再由干饱和蒸汽变为汽、液共存的湿蒸汽。继续冷却时，湿蒸汽变为饱和液。冷凝后的制冷剂液体进入又长又细的毛细管中进行节流降压，由于毛细管阻碍制冷剂液体流动，故压力下降，因此就为在蒸发器中汽化创造了条件。在蒸发器中，制冷剂由低压液体状态变为汽化后的干饱和蒸汽状态。在此变化的过程中，实现了热量的转移，其结果是蒸发器外表面及周围的空气被冷却，从而达到了室内制冷的目的。分体式空调器的制冷原理如图23所示。冷风暖风室内机组M蒸发器连接管（粗管）连接管（细管）室外机组压缩机电子膨胀阀风扇液体气体液体气体冷凝器图23分体式空调器制冷原理图下面分别说明分体式空调器室内室外机的原理及功能。241分体式空调室内机工作原理室内机控制器驱动一路风扇电机、两路摆叶式步进电机，室内机控制器接收来自红外遥控器设定的指令，根据室温及室内热交换器、室内温度传感器采集的温度，进入相应的工作状态，并显示出运转状态。室内机控制器包含以下模块室内机处理器8位单片机及其外围电路。显示驱动电路LED/LCD。室内风扇电机驱动电路。摆叶式步进电机驱动电路。温度传感采样电路。红外遥控接收/发送电路。室内外装置串行通信电路。室内机控制电路框图如图24所示。M过压吸收器键盘输入4位单片机LCD显示遥控发射器遥控接收器室内传感器室内主控机8位单片机驱动电路室内装置串行通信M蜂鸣器驱动电路LCD运行状态显示图24室内机控制电路框图室内机CPU主要控制室内风机转速，接收/发送室外机指令。由8位微处理器完成，选用美国MICROCHIP公司的PIC16C73单片机，内部采用独立分离的8位数据总线和14位指令总线的“哈佛”结构，它是一种精减指令集RISC结构的高性能比嵌入控制器，可以达到很高的运行速度。时钟振荡为4MHZ时，指令周期达1S。另外，它还集成了众多功能模块，如双向可编程的I/0端口，具有高驱动电流，可直接驱动LED显示；两个捕捉/比较/脉冲调制CCP模块，SSP/SCI串行口，看门狗电路，5路8位A/D采样等功能。242分体式空调室外机工作原理室外机控制器直接控制着热交换系统，工作环境恶劣，安全、可靠、高效的性能是设计的重点。室外机控制器包含以下模块室外机处理器8位单片机及其外围电路。与室内机的串行通信接口电路。模拟参量传感器采集电路。电子膨胀阀及四通阀控制电路。变频调速压缩机电机驱动电路。功率控制干扰抑制、功率因数调整等电路。LED显示监测电路。开关电源电路IPM模块内含。保护电路。分体式空调室外机的原理图如图25所示。M微处理器IGBT接头室内装置整流电路电压保护电路电流保护电路驱动电路室外装置串行通信电子膨胀阀步进电机驱动电路四通电磁阀室外风扇电机传感器、室外气温、室外热交换器、温度、排气管温度室内装置二通电磁阀图25分体式空调器室外机的原理图此外，压缩机采用了无刷直流电动机，这是直流变频空调器的关键所在，因此，在以下对无刷直流电动机进行介绍。243无刷直流电动机2431无刷直流电动机概述变频空调控制器包括遥控发射器、室内控制单元及室外控制单元三个相对独立的部分，而压缩机控制是整个室外机控制的核心。直流电动机一般都有换向器和电刷，其间形成滑动的机械接触并容易产生火花，引起无线电干扰，过大的火花甚至影响电机的正常运行。此外，因存在着滑动接触，又使维护麻烦，影响到电机工作的可靠性。所以人们总希望寻求直流电动机的无接触式换向。近年来，随着晶体管和大功率可控硅元件的广泛采用，出现了用晶体管开关电路和位置传感器来代替电刷和换向器的无刷直流电动机。该电动机既具有直流伺服电动机的机械特性和调节特性，又具有交流电动机的维护方便、运行可靠等优点。无刷直流电机BRUSHLESSDCMOTOR以下简称BLDCM是随着电力电子技术的发展和新型永磁材料的出现而迅速发展起来的一种新型机电一体化电机。下面介绍其主要部分的结构和功能，以及各元件的选择原则和方法。无刷直流电机的参数5如下1电机类型无刷直流电机BLDCM；2极对数P2；3额定转速3600RPM；4额定输出功率650W；5每相绕组电阻R0920C；6工作频率20190HZ；7转子转动惯量NM；364210A3S8电势系数MV/RPM；5EK9转矩系数NM/A；9R2432无刷直流电动机的工作原理一般的有刷永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，由其在电动机气隙中产生磁场。电枢绕组放在转子上，通电以后产生反应磁场。由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电机运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩驱动电动机不停的旋转。直流电源电子换向电路电机本体负载位置检测电路图26电机运行原理框图无刷直流电动机为了实现直流电动机的无电刷换向，一般将电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，与传统永磁直流电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行，没有电刷的换流作用，用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中的转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，来产生持续的单一方向的转矩，也就无法驱动转子连续转动。所以，无刷直流电机除了由定子和转子组成电机本体外，还要有位置检测电路、电子换向电路来共同构成电子换向装置，如图26无刷直流电机原理框图所示，使得无刷直流电机在运行过程中定子绕组所产生的电枢磁场与转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持90左右的电角度。因此，无刷直流电机的基本结构可以认为由电子换向电路、电机本体以及位置检测电路三者共同组成。无刷直流电机的电机本体在结构上和永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其他起动装置，其定子绕组一般为多相二相、四相、五相等结构，转子按一定极对数（P1，2组成。无刷直流电机的运行方式因电动机本体的绕组形式不同而各异，多数无刷直流电机的定子绕组是三相绕组，本文主要针对这种结构的无刷直流电动机来进行分析研究。电机本体电源逆变器控制器位置检测CBAV5V2V3V6V4V1图27无刷直流电机三相全控电路三相绕组无刷直流电机绕组的连接方式有三相星形连接和三相三角形连接。三相星形三相绕组无刷直流电机的绕组连接方式有三相星形连接和三相三角形连接。三相星形连接有两种运行方式三相半控电路方式和三相全控电路方式。图27所示为三相全控电路方式。三相全控电路运行方式转矩脉动小，绕组利用率高，应用十分广泛。三相全控方式因同时导通的绕组数的区别而分为两两导通方式也称为120导通方式和三三导通方式也称为180导通方式78910。下面以两两导通方式来说明三相星形连接的无刷直流电机的工作原理。两两导通方式就是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期60电角度换相一次，每次只换相一个功率管，每个功率管导通120电角度，如图22所示，各功率管的导通顺序依次是V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1下面来分析其工作原理。当功率管V1和V2导通时，电流经V1管，从A相绕组流入，C相绕组流出，再由V2管回到电源，如下图A所示。这时，两相绕组中的电流在空间产生的合成磁场方向为如图B中所示的FAC的方向，该磁场与转子磁场相互作用，使转子沿图A箭头方向顺时针转动。当转子转到如图28C所示位置后，V1管关断。V3管导通，电流经V3管，从B相绕组流入，C相绕组流出，再由V2管回到电源。这时，两相绕组中的电流在空间产生的合成磁场方向为如图28D中所示的FBC的方向，该磁场与转子磁场相互所用，使转子继续朝顺时针方向转动，如图28C箭头所示。当转广转到如图28E所示位置后，V2管关断，V4管导通，电流经V3管，从B相绕组流入，A相绕组流出，再由V4管回到电源。这时，两相绕组中的电流在空间产生的合成磁场方向为如图28F中所示的FBA的方向，该磁场与转子磁场相互作用，使转子保持朝顺时针为向转动，如图28E箭头所示。如此，在V1V2V3V4V5V6六个管子的循环轮流导通控制下，每两相之间依次馈电，转子磁场始终受到定子合成磁场的作用，使得转子沿顺时针方向连续转动，实现电机的旋转。不难看出，在换相过程中，定子绕组电流在空间内所形成的合成磁场不是连续的旋转磁场，而是一种跳跃式的旋转磁场，每个步进角度为60电角度。ABCDEF图28开关顺序及定子磁场旋转示意图从上述的分析可以看出，转子每转过60电角度，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。如果标记VIV2功率管导通时的状态为状态1的话，后面依次可以标记为状态2,3,4,5,6。电机总共有16六个磁状态，每一个磁状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转120电角度的时间，每个开关管的导通角为120电角度，所以这种逆变器称为120导通型逆变器，这种导通方式习惯上也称之为120导通方式。本系统中的电机采用无位置传感器的无刷直流电机。在设计控制软件时，主要部分是电机的调速，需控制电机完成起动和正常运行，当切换完成后，电机的运行与有位置传感器无刷直流电机14相似。切换时，通过软件调整运行电压，使切换时刻最佳。控制无刷直流电机起动的软件流程图如图29所示12。定位完成开始定位调整电压反电势过零检测切换加速加速完成换向误差最小NNNYYY图29起动软件流程图25本章小结本章主要介绍了变频空调器的特点以及其相对于传统空调的优势，对变频空调技术作了简单介绍。以分体式直流变频空调器为例阐述了空调器室内外部分的工作原理，并对采用的无刷直流电动机原理作了简要分析。第3章变频空调模糊控制策略的研究31模糊控制简介311模糊控制基本理论的产生和发展模糊数学和模糊控制的概念由美国加州大学的LAZADEH教授在自1965年起相继发表的、和等著名论著中首先提出。表达事物模糊性的重要概念隶属函数的出现，突破了19世纪末笛卡尔的经典集合理论，奠定模糊理论的基础。1974年，英国的MAMDANI首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第一个实验性的蒸汽机控制，并取得了比传统的直接数字控制算法更好的效果。1980年丹麦的斯密司公司首次将模糊逻辑芯片应用在水泥烘干机中并取得了成功，这是第一个商业化的有实际意义的模糊控制器。到目前为止，模糊控制主要应用在动力系统控制、智能机器人和交通管理系统。近年来，模糊控制在水质控制、船舶自动驾驶、锅炉控制等方面也有广泛应用。1990年模糊家电在日本兴起，模糊技术的应用从大系统转向了小系统，如房间空调器、洗衣机、电饭煲、照相机等。目前，美国、日本等许多大公司生产的家用电器都应用了模糊控制技术，该技术被称为21世纪家电的核心技术。我国模糊控制理论及其应用方面的研究工作是从1979年开始的，至今己有20多年，大多是在高等院校和研究所中进行的理论研究，而其成果主要集中于工业方面，目前在家用电器方面也开始了应用。模糊控制方法是以人的经验和知识为依据，具有模糊逻辑功能的控制方法，是模仿人的思维方式和人的控制经验来实现的一种控制方法。模糊控制与传统控制理论有本质的不同，传统控制立足于对被控对象进行精确的数学描述，而模糊控制的核心在于只用己知的对系统的粗略的知识描述系统，并在此基础上引入模糊控制算法。这种方法有三个特点111不用数学方程，而用以语言为代表的模糊变量描述系统；2用条件命题语句记述模糊变量之间的关系；3用模糊推理方法实现系统的运算。事实上，模糊理论应用最有效、最广泛的领域就是模糊控制，模糊控制在各种领域出人意料地解决了传统控制理论无法解决或难以解决的问题，模糊控制在工业大系统中得到了推广，并取得了一些令人信服的成效。随着科学技术的高度发展，被控对象也越来越复杂，其突出表现为它的多输入多输出间的强耦合性、系统参数的时变性、系统结构的严重非线性与不确定性，这类系统没有明确的物理规律可遵循，传统的定量分析也是十分困难甚至是无法实现，经典控制理论和现代控制理论则无法取得好的控制效果。对于此类系统，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。早期的经典模糊控制器与常规的控制器如PID调节器相比具有无须建立被控对象的数学模型、对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力，即鲁棒性较好等特点。但它也有一些需要进一步改进和提高的地方，例如常规的模糊控制器在结构上过于简单，系统上升特性不理想、超调大、调节时间长甚至产生振荡、抗干扰能力差、控制动作欠细腻，稳态精度欠佳是经典模糊控制的一个弱点。基于以上原因许多人对模糊控制策略进行了研究，对常规模糊控制器进行了改进，如与经典控制和现代控制理论相结合的多模态复合型模糊控制器，如模糊PI，模糊PID等。此类模糊控制器设计出发点是为了消除稳态误差，加快动态响应。当误差大时采用模糊控制以获得良好的瞬态性能，达到一定范围后则采用PID进行控制以良好的稳态性能。另外为了优化控制效果和适应过程参数的变化，与其它智能方法相结合，如利用神经网络来在线调整模糊控制参数形成自适应、自组织模糊控制器，利用遗传算法对模糊规则进行优化等，或在常规模糊控制器上加性能测试等功能模块后，使模糊控制向自适应、自组织、自学习方向发展。目前，模糊控制主要还是建立在人的直觉的、经验的基础上，也就是说，操作人员对被控系统的了解不是通过精确的数学表达式，而是通过操作人员丰富的实践经验和直观感觉。这种方法可以看成是一组探索式决策规则，且具有以下特点1由于人决策的过程本质上就具有模糊性，所以控制动作具有一定的主观随意性，因而对操作人员的控制行为就很难精确解释。2人不但可以对简单物理量的变化做出反应，而且能对复杂变量进行识别和判断，甚至可以对一些无法测量的事情和现象做出反应。我们可以用语言把操作者的控制策略描述出来，以构成用语言表达的定性的，不确定的决策规则。在一个控制系统中，控制规则可以有多个。模糊推理算法不是这些规则的顺序执行，而是同时依据每一条规则进行推理，把每一条规则推理的结果综合起来得出一个有代表性的值作为最终的控制量进行控制。综上所述，模糊控制就是以人的经验和知识为依据，采用语言规则表示的一种人工智能控制规则，它有一套完整的基础理论与设计、综合方法。模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统，它的组成核心是具有智能性的模糊控制器18。312模糊控制系统的组成模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础的数字控制系统，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构，它的组成核心是智能型的模糊控制器。模糊控制系统的基本结构如图31所示模糊控制系统一般由以下五个部分组成16。模糊化模糊推理解模糊化A/DD/A被控对象执行机构传感器知识库参考输入输出图31模糊控制器基本结构1模糊控制器这是模糊控制系统的核心部分，也是和其它控制系统区别最大的环节。模糊控制器由四个基本部分组成；模糊化主要功能是把输入的精确量转化为模糊童。即将模糊控制器的输入信号的精确量转化到模糊论域上的模糊量，以便进行模糊推理和决策。知识库知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的目标，通常由数据库和模糊规则库两部分组成。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数、尺度变换因子和模糊空间的分级数等规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识。模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，模糊推理决策机构的主要功能是模拟人的基于模糊概念的推理能力，根据总结人工控制策略取得的语言控制规则进行模糊推理，决策出模糊输出控制量。解模糊作用是将模糊推理得到的控制量模糊量变换为实际可用于控制的精确量，它包括两部分内容一是将模糊控制量经过解模糊变换变成表示在论域范围的精确量二是将表示在论域范围的精确量经量程转换变成实际的控制量。2输入/输出接口装置在实际系统中，多数被控对象的控制量及其可观测状态量是模拟量，因此模糊控制器需要通过模/数转换从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器的输出控制量经数/模转换为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。3被控对象可以是线性或非线性的、定常或时变的，也可是单变量或多变量，以及具有强耦合和干扰等多种情况。一般而言，对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，适宜选择模糊控制。4执行机构可是电气的，如交、直流电动机，伺服电动机、步进电动机等也可为气动和液压的，如各类气动调节阀和液压马达、液压阀等。5传感器由于被控制对象往往为温度、压力、速度、流量等非电量，需要通过传感器将其转化为数字或模拟的电信号。传感器的精度直按影响控制系统的精度，因此要求其精度高、稳定性好。32变频空调模糊控制器的研究变频空调器采用模糊控制技术输入作模糊技术处理后，可实现对多变量的动态控制，其控制关系如图32所示。室内温差D/DT室内热交换器管壁温度D/DT室外换热交换器壁温度D/DT单片机制冷制热除湿化霜风量风向图32变频空调器的模糊控制关系它包括三个输入量室内温差及其随时间的变化率，室内热交换器温度及其随时间的变化率，室外热交换器温度及其随时间的变化率。输出包括对空调器和制冷制热除湿化霜风向风量等功能实行智能化控制。我们这里通过模糊控制研究的空调控制系统实际上包括两个输入量温度偏差，温差变化率，ECE一个输出量压缩机运转频率增量。设计的双输入单输出模糊控制器如图U33所示。模糊控制规则模糊判决对象模型模糊化DE/DTEECUUECE图33双输入单输出模糊控制器模糊输入接口主要功能是根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择的系统输入变量，并对输入变量的精确值变为模糊量，即将在被控系统的温度差及温度差的变化率的精确值转化为模糊量，以便进行模糊化推理和决策。模糊决策机构的主要功能是根据输入变量的模糊量和模糊推理规则表推出控制决策。模糊输出接口的主要功能是把经模糊推理决策后所得的模糊控制量转化为精确量，去控制压缩机的转速。321精确量的模糊化1温度偏差的模糊化温度偏差是指设定温度减去实测被控对象的ET设定温度值的差，语言变量表示为。将的模糊子集相应的语言值设定为T室内EIA负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB。设的论域为E6,54,32,10,345,6E其隶属度函数取高斯型16，一般可表述为31/EXPC隶属函数表示如图34所示。2温差变化率的模糊化温差变化率为，语言变量表示为。/EDTCE将模糊子集相应的语言值也设定为负大NB、负中NM、负小NS、零CEIBZO、正小PS、正中PM、正大P