变频空调电气控制设计

-PAGE39-变频空调电气控制设计目录TOC\h\z\t"中文摘要标题,1,英文摘要标题,1,章标题,1,节标题,2,条标题,3,结论标题,1,致谢标题,1,参考文献标题,1,附录标题,1"27906绪论 4242251.1实训背景来源及其探究意义 4154071.2空调器控制技术发展概况 5200861.2.1在空调器控制技术发展概况 5134851.2.2变频空调器的产生与发展 7202101.2.3模糊控制技术的发展及研究动态 8232191.3用主要设计内容 95169第2章方案论证 10194992.1空调器电控系统总设计方案 10181302.2空调器压缩机控制方案 10162012.2.1变频调速的基本方式 12276632.2.2宽脉调控控制策略 13306132.2.3实现手段 14304522.3温度控制方案选择 1513952.4本章小结 163276第3章变频空调器电控系统设计 1751733.1电控系统总体结构 17173643.2室内机组设计 18186463.2.1红外遥控器信号的接受 1835513.2.2风门步进电机的控制 19213833.2.3室内风扇电机的调速控制 19208573.3室外机组设计 218503.3.1室外风扇电机控制电路 21249393.3.2电流检测电路 22184623.3.3辅助电源设计 23156773.3.4变频电路的设计与控制 24191313.3.5室外机软件的编制 25285263.4温度检测电路 25309343.5变频电路设计 27175463.6本章小结 2832341第4章模糊控制器的设计 29154054.1模糊控制的基本原理 29151474.2变量模糊化 30261284.3模糊控制规则的确定 32147094.3.1模糊温度控制器的反模糊化 3281914.3.2模糊控制器的软件框图 33295434.4基于模糊推理的自调器PID控制器 34103784.5PID控制器参数自整定原则 34280894.6模糊控制器的仿真 36226094.7本章小结 3629260结论 3716002致谢 3821790参考资料 39绪论实训背景来源及其探究意义空调是空气调节器的简称，它的作用是通过空调器对室内空气进行处理，使它的温度、湿度、气流速度和洁净度达到所需的要求，为人们提供舒适生活条件和为生产工艺提供一定的环境条件服务。空调器一般有冷风型空调器、电热冷风型空调器、热泵型空调器几种。冷风型空调器只能用于降温调节；电热冷风型空调器一般是在原冷风型空调器上进行局部改进，增加电热部分而成；热泵型冷热两用空调是目前普遍采用的空调器。制冷循环中，低温低压的液态制冷剂在蒸发器处吸收热量而汽化，经压缩机压缩成为高压、高温气体，在冷凝器内散热冷凝成液态制冷剂，然后又经毛细管(或膨胀阀)降压节流成为低压、低温状态，如此反复循环，就可将室内的热量排到室外，并通过室内的风扇将冷却后的空气均匀地分布到室内。制热时，制冷剂的循环与此相反。温度控制技术是热泵型冷热两用空调中最主要的控制技术，一个完整的温度控制系统主要包括三部分：温度传感器、温度控制器和温度调节器。传统空调器的温度控制是通过温度传感器感受室内温度变化来控制压缩机的运行和停止的，风扇则在设定的速度下工作，这会造成受控环境温度变化较大，使人们在使用空调时仍不断感受到冷热的变化。此外，压缩机的ON/OFF控制方式及空调器自身的结构特点使室内机的输出与压缩机的输出相比有一定的滞后性，而且压缩机处于全开或全关状态，其制冷(热)量也对室内温度有较大影响，这些势必影响空调的温度控制精度和舒适性。变频模糊控制空调器将传感器测定的实际环境状态和空调系统状态与人们所期望达到的设定状态进行比较，通过模糊逻辑控制技术使空调器控制系统具有自调整的智能特性，从而得出最佳的动态控制参数，并对空调器的变频电源及各执行单元实施控制，使空调器的工作状态随着人们的要求和环境状态的变化而自动变化，始终保持在较合理的状态下变频模糊控制空调器对室外机的要求是，压缩机能根据室内需要的冷(热)量不同，连续地、动态地、实时地调整其制冷(热)量。正由于变频空调器具有这些优点，世界各国厂商都竞相开发研制，但目前技术比较成熟的国外厂商的产品普遍存在价格比较高的问题，而国内的变频空调技术尚不够成熟。由于国外厂商交频空调器的技术封锁，而近年来工用、商用、民用空调需求不断增加，特别是需求成高档化，所以需要国内自行研制性能可靠、运行更加平稳、功能更强、节能显著、噪音小、污染少的变频空调器，并使其能够进入普通消费者的家庭，这就是本课题的背景。本实训题目自拟。意义在于：1)传统的空调器是当温度达到所要求的范围时就停转，超出范围时就重新启动。工作过程中反复启停，产生峰值电流，造成污染。采用先进可靠的变频技术后，可随时调整压缩机转速，避免了频繁的起停，消除压缩机启动时的尖峰电流，减少对电网的污染。(2)传统的空调器不管外界温度如何，始终保持同一转速。而变频空调则采用先进的模糊控制技术，根据需要改变转速，温度波动小，感觉舒服，运转更加平稳，降低噪音。(3)由于近年来能源供应形势相当严峻，使人们普遍关注节约能源，有效利用能源。变频式空调真正符合节能要求，今后必将取代传统空调。(4)温度控制器应用领域广泛，可以被广泛用到工农业生产、科学研究和生活等各种领域。(5)利用模糊控制技术解决由于控制对象尺寸变化大、温度特性差别大出现的不稳定状况。(6)通过改良控制算法，使系统具有很强的鲁棒性和控制稳定性。空调器控制技术发展概况在空调器控制技术发展概况空调器的电气控制技术是涉及很多学科在内的一项综合性技术。从传统的开关控制发展到现在的变频控制，以及模糊智能技术的应用，空调器的性能有了很大的提高。从空调器的电控系统的发展上看，可分为继电器一接触器控制、分立元件的微电子元件控制和专用微电脑芯片控制三个阶段。最初，空调器的控制电路大都采用选择开关、继电器和接触器组成。风扇电机的转速由手动的转换开关直接选择进行控制，转换开关接通不同的触点，风机上相应的转速绕组就得电；压缩机也是由一个简单的转换开关控制电路控制启停，只是增加了手动的调温开关和冷热切换开关。当转换开关在制冷位置时，由调温开关控制压缩机的得电与失电，进行制冷；当转换开关在制热位置时，由调温开关控制电加热器的得电与失电，进行制热。所以，这种控制方式功能简单，而且使用起来不太方便。20世纪90年代初，在继电器--接触器控制线路的基础上利用电子技术，发展了采用集成电路和分立元件相结合的电控线路，这种电控系统中，压缩机、风机等负载仍采用继电器—接触器供电方式。而其控制部分则采用集成电路和分立元件相结合的方式组成控制电路，用弱电控制。增加了电子温度控制、自动除霜、3分钟延时、过欠压保护及制冷系统压力开关保护等功能，使空调器的自动控制功能大大提高，工作更为可靠。并且增强了电气保护功能，如压力控制器，当排气压力过高或吸气压力过低时，压力控制器断开接点，迫使交流接触器线圈断电，使压缩机停止工作：热继电器起过负荷保护作用，确保压缩机不会因过流而损坏。电子温控板通过热敏电阻对温度进行采样，转换成电压值，并通过电压比较器与温度设定值进行比较，电压比较器通过放大电路驱动相应的继电器，从而控制压缩机的运转。目前先进的空调器己普遍采用微电脑控制技术，微电脑在空调器上的应用，使空调器不但实现了自动化控制，而且还实现了智能化控制，使空调器的功能有了更大的增加，操作更为简单，舒适程度进～步提高。微电脑内部有微处理器)，微处理器中的中央处理器具有数据处理能力(如算数运算、逻辑运算、数据传送、中断处理等)，可以实现复杂的软件功能。MPU内部还含有其它一些功能电路，如A/D转换(模数转换)电路、定时器/计数器、SCI(串行通信接口)、PIO(并行接口电路)、显示器(LED或LCD)驱动电路、脉宽调制输出电路(PWM)等。空调器微电脑控制框图如图1-1所示。电源及复位电电源及复位电遥控器接收电路按钮开关温度控制定时控制温度检测风扇控制压缩机控制指示灯蜂鸣器压缩机风扇电机图1-1空调器微电脑控制框图从最初的继电器一接触器控制、分立的电子元件控制到现在的微电脑控制，对空调器的控制趋向操作简易、功能多样化。同时由于红外遥控器的使用，使操作更简单，以及模糊控制理论的应用，使空调性能越来越可靠，感觉越来越舒适。变频空调器的产生与发展传统空调器采用开关控制方式，利用异步交流电机控制压缩机进行制冷或制热，这种控制方式有很多缺点和不足：空调器保持恒温所采用的措施是利用简单的感温装置来控制温度。当温度达到设定温度时，使压缩机停止转动，经过一段时间之后，由于外部影响使室温再度升高时，再接通压缩机电路肩动压缩机制冷。这样，压缩机工作于开关状态，频繁的起停造成了空调器的制冷(制热)的不连续，室温有较大的变动差，因此普通空调使用起来缺乏舒适感：空调器工作过程中反复启停，对压缩机损害较大，产生冲击电流，造成对电网的污染，会影响到其它用电设备的正常运转；而且处于开关工作状态压缩机耗电量较大。所以近年来出现了变频空调，采用了变频驱动的空调器具有温控精度高、环境舒适、节约电能、减小对电网和压缩机的冲击等优点。变频式空调器的工作原理是通过改变压缩机电动机的电源频率来达到调节压缩机电机的转速，从而控制空调器制冷(制热)功率的目的。当室内需要急速降温或急速升温，或室内空调负荷加大时，压缩机转速可加快，制冷功率(制热功率)按比例增加；相反，在一般情况下，当室内空调负荷减少时，压缩机转速可正常运转或减速；在空调器开机时，室内温度与设定的温度偏离较大时，变频以高于工频的频率供电，保证空调器快速启动，可以使室温快速达到设定值。而当室内温度与预设温度接近时，变频器自动保持压缩机低速运行以保持恒温。因此，随着季节和昼夜的变化，空调器的变速运转即可以节能又可保证房间内舒适。因压缩机采用了比单相电机效率更高的三相电机，且压缩机长时间不问断运行，避免了频繁启动造成的损耗，所以变频式空调具有节能效果。因压缩机从20Hz电源频率软起动，起动电流小对电网无冲击，对其它电器也无干扰，对电源电压及频率的敏感度也低。变频式空调改善了传统空调器的不足，变频式空调集微电子技术与新制冷技术为一体，能效比高、调温快、节能显著，特别是应用了模糊控制技术，显出更加突出的优势。为了满足广大用户的需要和激烈的市场竞争，国内外各厂商的空调器在花色品种、多种功能、微电子控制和高效节能上也有了很大的进步。空调器目前的发展趋势主要有：自动控制性能的改善，利用模糊控制理论，自动按照室内外环境和用户的需要，调节房间的温湿度；冷热两用，提高制冷(热)能力，加快房间的制冷(热)速度；改善气流和净化空气：使运转更加平稳，降低噪音。除变频功能外，目前还出现了更高一档的附加功能，如卫星传感红外线探测器功能，反映人体表面温度参数；采用电话遥控开停运行控制；模仿自然风三维供风方式；有的空调带有人体感知器，可跟据室内人员的多少及活动量的大小，然后通过风向控制阀调节合适的风向及风速，同时可根据人体的活动量来调节室温。模糊控制技术的发展及研究动态空调器室温控制这种对象尺寸变化大、温度特性差别大的情况，使用传统的PID控制方法不能取得良好的控制效果。如采用模糊控制技术对空调器进行控制就能取得很好的控制效果。模糊控制器是一种语言控制器，有很强的鲁棒性和控制稳定性。同采用PID控制的变频空调相比，模糊控制空调器具有省电、噪音低和舒适度高等优点，具有很好的市场前景。模糊控制的概念是美国加利福尼亚大学著名教授扎德在70年代初提出的，20多年来已取得了重大的发展，应用范围发展到从工业控制到家用电器等各领域。模糊逻辑控制思想适用于理论和经验性推理，通常用于与人类判断和感觉有关的控制问题、非线性问题、以及难于建立数学模型的控制系统。模糊逻辑是一种近似推理逻辑，它使机器具有人类思维若干特点。能够根据一系列模糊知识和语句做出决定、判断和决议。模糊逻辑系统对控制器的描述采用的是模糊语言，而不是数学方程式。模糊控制可以采用控制专家的复杂而独到的经验性知识，推导出适当的控制输出。模糊逻辑控制不像纯粹的数学模型那样精确，但它更容易制作、理解和修改。近年来，日本兴起了模糊控制热，目前模糊控制已广泛地应用到模糊电饭煲、模糊洗衣机、模糊微波炉、模糊空调机、模糊吸尘器等家用电器。并且受到了欢迎。这些产品的明显优势是功能提高、操作简便、节能效果显著。随着科学技术的进步，模糊逻辑和模糊控制技术的应用会越来越多，越来越广泛。模糊控制作为智能控制家族中的一员，其发展前景是广阔的。近年来研究的三要内容是模糊系统、神经网络以及两者结合的模糊神经网络技术方面。模糊控制发展至今，每年世界上都要发表相关论文约1000篇，其中大部分研究多是在中国和日本完成的，小部分在欧洲。模糊逻辑商业化最成功的是日本，日本的国际贸易和工业部已经建立了两个主要研究机构，一个是国际模糊工程研究实验室；另一个是模糊逻辑系统研究所。美国工业界在近几年不少公司像Eaton、GE、HP、Rockwell等，有的已经推出，有的正在推出模糊逻辑产品。从大量热心用户对Motorola模糊逻辑处理软件的反映情况来看，越来越多的人和公司认识到这项技术的商业价值。主要设计内容本实训的任务就是设计一种冷热两用的热泵型分体式房间变频空调的模糊温度控制器，包括控制电路的设计，模糊PID设计控制器，变频控制器的设计及仿真。根据本课题任务，将完成以下研究内容：1、压缩机变频控制主电路设计2、MB89P857实现整个温度控制器硬件电路3、模糊PID设计控制器4、系统的MATLAB仿真试验方案论证空调器电控系统总设计方案变频空调由压缩机、室内蒸发器、室外冷凝器、电磁四通阀、风扇和变频器及电气控制系统等组成。分成室内机组和室外机组两部分，室内、外机组各用一个单片机进行控制，通过信号线进行通信，以传递和交换信号。本章主要对压缩机电机的变频控制和室温的模糊控制方案进行分析。室内的遥控器发出的信号(红外信号)由室内机组的单片机接收，室内温度传感器、室内蒸发器温度传感器的信号也发送到室内单片机，单片机通过相应的算术和逻辑运算发出控制指令，通过室外单片机对压缩机转速、室外风机转速和四通阀的开关进行控制。这样，室内机组和室外机组相配合，发出连续的控制信号使空调器的所有运转功能实现自动控制。室外机组的单片机把室内机组的单片机送来的控制信号进行分析，室外温度传感器、室外冷凝器温度传感器、压缩机排气温度传感器的信号也发送到室外单片机，单片机通过运算对压缩机转速进行控制，从而达到制冷或制热能力的调节，并且对室外风扇电动机、电磁四通阀进行切换控制，对各种安全电路予以监测。空调器压缩机控制方案电气控制系统是通过对压缩机的控制来实现空气调节的。压缩机是空调器的心脏，是推动制冷剂在系统中不断循环的动力。空调器用的压缩机一般为活塞式压缩机，活塞式压缩机主要有往复式、旋转式和涡旋式等。20世纪80年代中期市场上往复式压缩机居多，近年来旋转式压缩机发展迅速，已占主要地位。相对于往复式压缩机，旋转式压缩机具有效率高、可靠性好、体积小、重量轻、结构简单等优点，而且运转平稳、噪声小。涡旋式，压缩机是一种新型压缩机，独特的涡旋结构使它具有效率高、扭矩变化小、振动小、噪音低、零件少、体积重量小的优点，显示出较大的优越性。目前绝大多数中、小型空调器采用蒸发一压缩循环制冷系统，从对压缩机的控制上有CCTXV、CCOT和VDOT三类系统。采用热力膨胀阀来控制制冷剂流量的制冷系统称为CCTXV系统，这种系统对压缩机实行通断控制。CCOT(CyclingClutchOrificeTube)系统：与CCTXV系统相同，也采用“通断控制”，只是阻尼节流元件采用节流孔管，与CCTXT系统相比，它能充分发挥蒸发器的热效率，有效防止液击，简化系统，降低成本，但采用气液分离罐，使体积变大。以上两种系统都采用了压缩机的通断调节，通断调节的压缩机转速不能调节，时停时起，对压缩机的运行很不利，易损伤机件，降低寿命，温度波动较大。VDOT(VariableDisplacementOrificeTube)系统：这种系统采用可变排量的压缩机，配以减压固定阻尼元件节流孔管，称为可变排量膨胀管节流系统。它是能够实现对压缩机连续调节的系统。变排量压缩机的特点是能根据吸气压力的变化自动调节，改变制冷剂流量以适应蒸发器热负荷的变化，使蒸发温度保持不变。它超越了热力膨胀阀的调节作用，调节范围更广。VDOT系统的控制方式正是变频控制的思路。其特点如下：(1)降低能耗。VDOT控制的是制冷剂的排出量，属主动调节。冷凝压力随排量变化，压缩机不会因克服多余的压力而白做功，对压缩机的连续供电也比断续供电要省电。(2)送风温度波动小，提高舒适性。(3)保护传动机构，延长机械寿命。消除运动部件起、停时产生的惯性力冲击。本空调采用排气量可变的双转子旋转式压缩机，广泛应用于空调器中。空调器的制冷或制热能力一般用压缩机的排气量来衡量，旋转式压缩机的理论排气量为。（2-1）式中：H一气缸长度或高度(m)；A一气缸工作面积(m2)：n一压缩机转速(r／min)。旋转式压缩机由于考虑气缸结构和效率等因素的影响，其实际排气量是理论排气量和排气系数的乘积。（2-2）式中，λ一压缩机排气系数。由此可见，旋转式压缩机的排气量和压缩机的转速成正比的关系。这就是变频空调能够通过调节压缩机转速来调节空调器的制冷或制热能力的原理。旋转式压缩机的核心是交流异步电动机，变频空调器控制的核心就是采用变频技术对压缩机进行调速，从而调节压缩机的制冷(热)功率。80年代以来，随着交流电机调速控制理论、电力半导体器件、脉冲宽度调制、以微处理机为核心的全数字化变频控制等关键技术的发展，使交流电机调速系统成为一种典型的机电一体化设备。在过去十几年中用得较多的变频调速系统是转速开环恒压频比控制和转速闭环转差频率控制，在一定程度上满足了工业应用中的要求，如风机、水泵等。变频技术的性能的提高及体积的减小为其在空调器中的应用提供了可能。本系统的负载是空调器的压缩机，压缩机可看作是恒转矩负载。由于空调器压缩机的转速调节是为了进行功率调节，并不要求太高的调速精度，为了结构上的简便，本变频调速系统决定采用转速开环的控制方式。本节针对这些特性从逆变器主回路、变频调速时的机械特性、变频调速的控制方式及脉宽调制的控制策略的角度选择压缩机控制方案。变频调速的基本方式异步电动机在变频调速时，应尽可能使气隙磁通保持为额定磁通。要保持磁通恒定，在调节定子频率时就必需同时改变定子的端电压。即当增大定子频率时必需同时使定子电压成比例地增加，否则气隙磁通降低；当降低定子频率时，必需同时使定子电压成比例地降低，否则将超过饱和磁通密度而导致励磁电流过大，使损耗增加甚至损坏电机。也就是说，对电机供电的变频电源一般要求兼有调压和调频两种功能，根据定子电压V和定子频率f的不同比例关系，将有不同的变频调速控制方式，因为压缩机为恒转矩负载，选择具有低频电压补偿的恒压频比控制方式比较适合于压缩机电机控制。它不需要转速闭环，结构简单，也没有大量的复杂计算，其调速性能可满足要求。恒压频比控制方式是保持等于常数的比例控制方式。在异步电机中外加电源若为V，定子产生的反电势则为（2-3)如果略去S定子阻抗压降，则有（2-4)式中F(s)一定子频率(Hz)；N(s)一定子每相绕组的匝数K(0)一比例系数；Ф(m)一气隙磁通(WB)。由公式可知，为保持气隙磁通近似不变,在调节定子频率的同时必需正比例地调节定子外加电压Vs,使（2-5)按照上述=常数的恒压频比控制方式下，在低频时由于定子电阻届的压降占的比重增加，即使在转差频率正，很小的情况下，也无法使电机的最大转矩％保持恒定。L要随频率的下降而减小，在低频时启动转矩也很小，甚至不能带动负载。因此，嘣=常数的恒压频比控制方式只适用于调速范围不宽或负载转矩随转速下降而减小的场合，如风机、泵类等负载，对调速范围宽的恒转矩性质的负载，则希望在整个调速范围中维持定。为了保证T不变，随着‘的降低必需适当提高定子电压K，以便补偿定子电阻毋上的压降。也就是说，提高定予电压的目的仍是为保持气隙磁通恒定，进而保证最大转矩不变。频率越低，需外加补偿电压越高。在电机的工作频率超过同步频率时，也即转速超过额定转速时，如果采用以常数的恒压频比控制方式进行调速时，势必增加外加电压，并使其过额定值，这在一般情况下是不允许的。所以同步转速以上的调速往往不再使定予电压升高，而是保持为额定电压。宽脉调控控制策略PWM控制技术有许多种，并且还在不断的发展中。但从控制思想上分，可以把它们分为四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM(SPWM)、磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法。等脉宽PWM法是每一脉冲的宽度相等，改变脉冲序列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当的控制方法即可使电压与频率协调变化，其缺点是输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。SPWM法是为了克服等脉宽PWM法的缺点而发展来的，是在1964年提出的，它采用通讯系统中的调制技术，用基波信号去调制三角载波，控制开关器件的动作顺序和时间分配，从而在逆变器上同时进行电压和频率的控制。是目前最普遍的一种调制方式。它从电动机的供电电源的角度出发，着眼于如何产生可调频调压的三相对称正弦波电源，其特点是，在半个周期中等距、等幅(等高)、不等宽(可调)，总是中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲所围面积与该区间正弦波下的面积成比例，这样，输出电压中低次的谐波分量可以大大减少。磁链追踪型PWM法与SPWM法不同，它是从电动机的角度出发的，着眼于如何使电动机获得圆磁场。它是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定出逆变器的开关模式，形成PWM波。当然这样所形成的PWM波也未必是三相对称的正弦波。SPWM法和磁链追踪型PWM法，由于着眼点不同，所建立的数学模型也完全不同。磁链追踪型PWM法的数学模型是建立在电机统一理论、电机轴系坐标变换理论基础上的。它把电动机看成是一个整体加以处理，所得数学模型简单，便于微机实现实时处理，从而可使控制系统结构简单，实时性强，能获得更好的性能。上述三种PWM法都是控制输出电压的电压源逆变器，而电流跟踪型PWM法虽然也采用电压源逆变器，却是控制输出电流的。其基本思想是将电动机定子电流的检测信号与正弦波电流给定信号用比较器进行比较，如果实际电流大于给定值，则通过逆变器的开关动作使之减小，反则使之增大。这样，实际电流波形围绕给定的正弦波作锯齿状变化，而且开关器件的开关频率越高，电流波动就越小。使用这种方法，电动机的电压数学模型改成流模型，可使控制简单，动态响应加快，还可防止逆变器过电流。电压型SPM调制是工业上应用得最为广泛的一种调制技术，这里不作过多的介绍。它的主要优点是：1)结构简单；2)逆变器同时调频调压，与中间环节元件参数无关，动响加快；3)波形好，能抑制和消除低次谐波。本系统根据上述比较，选择电压SPM调制，因为它简单可靠、具有很好的波形，且数字化实现比较方便。实现手段微型计算机技术的发展使得可以对变频器进行直接数字控制，直接数字控制的优点有很多，如集成度高，大部分功能都能用软件实现，需要改变功能时，只需调整软件即可。这是模拟控制不可比拟的。确定微机控制后，要选择合适的微控制器。选取的原则是：满足控制性能要求；尽量使系统简单。目前用的较多的是单片机系列，也可使用一些专用的SPWM波专用控制芯片，如HEF4752、SLE4520、MA818等。在变频空调中，变频器的设计需考虑到应小型化和可靠性，所以采用了富士通公司的MB89P857单片机，这种单片机具有一个内置的三相SPWM波形发生器，可方便地产生所需的三相SPWM波形触发脉冲。MB89P857还具有8路10位的A/D转换电路，2路PWM输出电路，6个并行接口，内部带有1K的RAM和32K的ROM，可将程序固化在芯片内，简化外围接口电路，可大大简化电路设计，提高整个电路的性能。所以选用以MB89P857为核心的数字控制方案。由于空调器的特殊性，所以要求变频器具有小型、高可靠性、低噪声等特点。若功率器件采用分立元件，必将增大变频器的体积，增大系统复杂性。为了减低在设计、开发及制造上的成本，减少研制周期，提高系统的可靠性，智能功率模块(IntelligentPowerModule)引起了人们的注意。智能功率模块能提供数字控制逻辑和功率负载之间的接口。最简单的型式可由单一电平移动和驱动电路组成，把来自微处理器的逻辑信号转变成足以激励负载的电压和电流：复杂的则要求智能功率模块执行负载监控、诊断、自保护，向微处理器反馈信息。本论文设计中采用日本三菱电气公司的智能功率模块PM20CTM060，其特点是：内部集成了功率芯片、驱动电路及检测保护电路，使主电路的结构最为简单；功率部分采用开关速度高、驱动电流小的IGBT，功率损耗极低、需用散热片减小：在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短，从而很好地解决了浪涌电压及噪声影响误动作等问题；具有过热保护、过流保护、短路保护及控制电源欠电压锁定保护，当故障发生时，及时关断功率器件并发出模块错误信号使功率芯片能够安全工作。温度控制方案选择在空调的温度控制过程中，由于空调器功率传输的滞后和温度变化和调节中的大惯性特性，使空调器的温度控制非常困难。由于空调器使用的房间的大小、结构各不相同，另外由于季节、天气、室内人员多少及电器的用量等的变化，房间对象的不确定性又是非常严重的。而普通的PID控制方法不适合具有大惯性、滞后特性的对象的控制，并且PID控制器一般针对固定的控制对象才能确定控制参数，取得好的控制效果，而空调应用的房间一经变化，PID参数就不能适应新的控制对象。所以PID不能适应房间温度调节系统的时变、滞后、大惯性等复杂特性，并且在空调控制中，房间对象的数学模型很难确定，很难对PID参数进行整定。对于房间温度控制这种对象尺寸变化大、温度特性差别大的情况，特别适合使用模糊控制。模糊控制能更为近似地反映人的控制行为，有很强的鲁棒性和控制稳定性，能够运用于各种不用对象的控制。采用模糊控制比传统控制温控精度高，过渡过程优良，舒适性大为提高。本章小结经过论证，硬件电路以MB89P857单片机为核心，此单片机功能强，并可大大简化电路设计。压缩机逆变器的主电路采用电压源逆变器的结构，控制方式是具有低频电压补偿的恒压频比控制，它实现简单，工作可靠，并能够满足要求；逆变器控制方式采用SPWM方式，输出波形好，谐波小。温度控制选择模糊控制技术。变频空调器电控系统设计电控系统总体结构变频式空调器电气控制系统结构如图3-1所示，整个控制系统大致由室内机组控制板和室外机组控制板组成。在空调器中，电控系统的作用是根据电机，使室温合乎理想要求。在分体式空调中，运部件包括室内风机和室外风扇，它们的作用是把空调器产生的冷空气或热空气带到室内的不同区域，实现均匀调节房间温度的目的。温度设定等空调运转指令由红外线遥控器和室内机控制板上的红外线接收器传递到室内机控制板上的单片机，此单片机根据指令和温度传感器的状态对风扇电机和风门电机进行控制，并与室外机控制板上的单片机进行通讯。温度传感器温度传感器步进电机驱动电路风扇步进电机室内控制步进电机开关压缩机变频器风扇四通阀门室外控制温度传感器压缩机图3-1变频式空调电气控制系统框图室外风扇电机为变绕组电机，它的转速用继电器控制，有高、中、低速三档，单片机输出端口通过反向驱动器ULN2003驱动儿、J2、J3三个继电器，分别对应三个风速档位。单片机经分析判断，确定风扇转速，然后通过开通对应的继电器使风扇按设定的风速运转。室内风扇电机采用调压调速，由单片机内的PWM发生器控制，由软件算出相应的相位控制角，由PWM端口输出，经MOC3021光耦驱动双向可控硅，实现调压调速。四通阀是控制制冷、制热切换的，使四通阀得电，空调器制热；使四通阀掉电，制冷剂向相反方向流动，空调器制冷。模拟量检测使用的是单片机A/D转换端口，其中P50～P57口是A/D转换采样通道，由热敏电阻将温度变化转换成电阻上的电压信号输入单片机，然后由CPU进行采样和转换。室内机组设计红外遥控器信号的接受红外遥控器由红外遥控发射器和红外遥控接收器两部分组成。(1)遥控发射器遥控发射器的电路结构框图见图3-2。它是以红外遥控发射专用集成电路IC1为核心组成的。发射器键盘矩阵电路由矩阵开关组成，它与IC1内的扫描脉冲发生器和键盘信号编码器构成键命令输入电路。当操作者按下某个功能键时，相应的扫描脉冲通过按键开输入到IC1。振荡器振荡器键盘矩阵开关电路显示器IC1红外线发射器图3-2红外遥控发射器结构框图指令编码器转换成二进制数字编码指令。在IC1内，指令编码器输出的编码指令送到编码调制器。在编码调制器中，38kHz载频信号被编码指令脉冲调制，形成调制信号，调制信号经缓冲级至激励管，由VTI和VT2组成的红外信号激励级放大到足够的功率，去驱动红外发光管，发出被38kHz调制信号调制的红外线，通过发射器前端的辐射窗向前方空间发射。(2)遥控接收器，遥控接收器见图所示，它是由一块装有光敏二极管的接收专用集成电路IC2组成，当遥控发射器发出的红外光被接收器的光敏管接收到时，光敏管将光信号转换成电信号。该电信号通过IC2中的自动增益控制电路和限幅器稳定幅度，随后用38kHz低通滤波器滤出38kHz调制信号，再经检波器解调出编码指令脉冲，然后由整形放大器放大整形，IC2将编码指令脉冲进行解码，最后输出相应信号，使空调中有关电路按遥控发射器的指令进行工作，执行相应功能的操作。输入输入控制限幅滤波检波整形解码输出图3-3红外线接收器结构图风门步进电机的控制风门步进电机的功能是使风门叶片上下摆动，起到控制风向的作用，从而使室内风扇吹出的风能均匀分布到室内的各个部分，风门叶片的控制有自动控制和手动控制两种，手动控制时可使风门叶片处于固定的位置，使风向朝一个方向步进电机的驱动采用单相驱动方式，驱动步进电机的输出端口电位为1时，通过反向驱动放大器ULN2003A则变为低电平，这时相应绕组则得电，步进电机就转动一个角度，按照一定的规律使步连电机各绕组分别得电，步进电机就能连续转动。正转时步进电机各相通电顺序如表3-1所示。自动控制时，风门叶片将在其摆动范围内上下摆动。表3-1相步进电机各相绕组导通顺序表各项绕组A相B相C相D相11000201003001040001室内风扇电机的调速控制室内风扇电机的转速分为手动控制和自动控制两种情况，手动控制时通过遥控器选择风速，设置为高速、中速、低速三档。自动控制时，风扇转速由单片机控制。空调器开始运行以后，单片机根据设定温度和室内实际温度的温差自动控制风扇速度，使运行状态处于最佳水平。温差与风扇速度关系如表3-2所示。室内风扇电机的转速还要由其它因素决定。启动时虽然室温与设定温度较大，室内风扇的转速也不能很快，因为制冷剂刚开始运行，转速过快会使升温或降温过程减慢。当制热时，蒸发器温度低于28℃则该风机停止运转，在温度为45℃时风机达到最高转速；当制冷时，蒸发器温度高于20℃风机停止运转。正常情况下，根据随时调整。表3-2室内温度与设定温度之差与风扇速度的关系工作状况室内温度与设定温度差e风扇转速制冷工况≥21≤e<2<1高速中速低速制热工况≥2<2高速中速软件定时器遥控器指令处理温度A/D转换程序温度模糊控制运算室内机与室外机通讯处理室内风扇的PWM调速风栅步进电机控制返回室内风扇电机为单相交流电机，采用移相调压调速方法。蒸发器的温度及室内温度由热敏电阻检测，并送到MB89P857的A/D软件定时器遥控器指令处理温度A/D转换程序温度模糊控制运算室内机与室外机通讯处理室内风扇的PWM调速风栅步进电机控制返回返回返回图3-4驱动电路原理图单片机左侧为相位同步电路，首先从同步变压器得到同步电压，同步电压经全桥整流电路进行整流，整流后的电压加在三极管的基极，这样在交流正弦电压的过零点就可产生同步信号，该信号送入单片机作为相位角为零的点。过零脉冲的周期为10ms，根据风扇所需转速，求出相应电压值及对应的相位控制角，电压及导通角关系为（3-1）式中U—输出电压(V)：U（0）输入电压(V)；α一导通角(rad)。根据电控系统设计功能要求，室内机程序主要包括红外遥控器接收程序、温度的模糊控制程序、温度A/D转换程序、EEPROM(电擦除只读程序存储器)的读写程序和风扇电机的调速及风门步进电机控制等功能。遥控器接收程序、室内机及室外机通讯程序用中断来完成。温度的模糊控制程序、温度A/D转换程序、EEPROM的读写程序和风扇电机的调速及风门步进电机控制则放在软件定时器中断程序中。室外机组设计室外风扇电机控制电路室外风扇电机采用变绕组调速方式，电机的转速是通过继电器控制。其转速分为三档，分别对应着高速、中速、低速。速度档位的控制由室外机的冷凝器温度与室外环境温度之差决定。当室外机配管温度与室外环境温度一致时，室外机风扇停止运转，以减轻冷媒循环的压力。转速控制原理图如图3-5所示。热敏电阻Rt1、Rt2将室外机配管温度和室外环境温度采样，送到单片机的A/D转换通道一P5．1、P5．2引脚处理，由温差IAI控制转速。单片机的P2．1、P2．2、P2．3根据转速指令进行置位或复位，经过反向驱动器ULN2003A分别驱动继电器J1、J2、J3。继电器J1、J2、J3分别对应高速、中速、低速。l△l为大于7℃时，继电器J3得电，J2、n失电，风扇电机的高速线圈接通，风扇高速运转；l△l为3"C～7℃时，继电器J2得电，儿、J3失电，风扇电机的中速线圈接通，风扇中速运转；l△I为小于3℃时，继电器J1得电，J2、J3失电，风扇电机的低速线圈接通，风扇低速运转：当l△I=O时，继电器全部失电，没有线圈通电，风扇停止。（a）继电器控制原理图(b)风扇电机主电路原理图图3-5室外风扇电机转速控制原理图电流检测电路为了防止电流过大造成电源的负担过重和对空调器的损坏，需对电流值进行检测，检测电路如图3-6所示，电流互感器的原边串入室外机交流主电路，感应后的交流电流经全桥整流电路整流并滤波后，送到单片机的A/D转换端口进行转换，如果电流过流则通过主电路电源控制继电器K1切断交流电源，对空调器进行保护。在电路中为了防止电流互感器输出电压过高而损坏电路，加入一个电压钳位二极管D1，使互感器整流后加到单片机的电压限制在5V以下。图3-6电流检测及保护电路辅助电源设计室外机组包括驱动电路和控制电路需要多个相互隔离的工作电源，三相逆变电路的六个功率开关需要4个相互隔离的直流电源；控制系统采用的MB89P857芯片的+5V工作电源；各继电器的驱动需要+12V直流电源。这样就需要输出多路稳定的直流电源。图3-7室外机辅助电源结构图本系统的辅助电源采用单端正激式脉宽调制DC/DC稳压电源，如图3-7所示。控制器选用UC3842，它是一种单端隔离式电流型脉宽调制集成电路，利用内置的误差放大器和比较器组成双闭环控制：从检测绕组来的反映输出电压的反馈信号从2脚输入，与误差放大器中的基准电压比较产生误差电压，作为电流比较器输入；另一个是一次绕组电流(通过最检测)反馈信号从3脚进入，在电流比较器与误差进行比较，控制尼触发器，产生PWM信号，从6脚输出，经功率开关驱动高频变压器的一次绕组，双闭环控制，使输出电压在负载等因素变动情况下仍可稳定输出。振荡频率为45kHz，采用高频铁氧体磁心制作高频变压器，使体积大为缩小。变频电路的设计与控制变频电路驱动的对象是空调器压缩机，压缩机转速是通过软件编制的温度模糊控制器来确定的，由室温、设定温度和采样时间计算出温差和温差变化率，作为温度模糊控制器的输入变量，经过模糊化、模糊逻辑推理、反模的过程，得到精确的控制量一变频器输出频率，按此频率控制波形发生器，通过驱动变频器控制压缩机电机的转速。P41～P46是6路SPWM波形输出口室外机软件的编制室外机程序由SPWM波形输出程序、温度A/D转换程序、除霜控制程序、压缩机过热保护程序、功率模块IPM故障中断处理程序、电路过流过压保护程序以及三分钟延时程序等部分组成，温度A/D转换程序每1s启动，采用查寻方式对室外环境温度、压缩机温度、热交换器温度进行采集。数据放在RAM中进行处理。压缩机过热保护程序、功率模块IPM故障中断处理程序采用中断方式，在故障情况下中断压缩机运行，并设置故障标志位，在室内室外机通信时通知室内机，故障恢复后重新运行，程序中利用单片机内置看门狗，在单片机异常死机时自动复位，重新执行程序，保证单片机的可靠运行。三分钟延时保护程序空调器压缩机停止运转以后，系统内高低压力的平衡需要2～3分钟，如果在这段时间内压缩机再启动的话，就会由于压力的不平衡造成负载加重，使电机启动电流过大，或电机无法启动甚至烧毁，所以空调器都必需具有三分钟延时的功能，应用单片机以前的分立元件电路中，三分钟延时的功能通过三分钟延时硬件电路来完成，这就使电路结构复杂，在应用了单片机之后，三分钟延时的功能就可以通过软件程序来完成，既简化了电路又使控制灵活。温度检测电路变频式空调器由于自动化控制程度较高，所以室内机组和室外机组所需温度传感器较多，需要检测的温度信号模拟量包括以下几个温度检测，室内机组装有空气温度传感器和蒸发器温度传感器。前者装在蒸发器前面，用来测定室内温度。后者装在蒸发器的右侧，外面用金属管包装，用来测定室内机蒸发器的温度。室外机组则装有3个温度传感器：(1)室外空气温度传感器，装在室外机散热器上，用来测定室外环境的温度：(2)高压管路温度传感器，它用金属管包装，装在压缩机高压出口管路上，用来测定冷凝剂的温度，主要用于防止压缩机过负荷。因为冷凝剂工作时的正常温度为70-90℃，如果其温度超过100。C，将造成压缩机负载过重而损坏。(3)室外热交换器温度传感器，装在室外热交换器上，检测热交换器的温度，用来控制室外风扇电机的转速，和进行除霜控制。温度的检测电路检测元件采用负温度系数热敏电阻Rt，它与串联电阻R1对5V电压进行分压，并通过电容C滤波后接到单片机的模拟/数字转换端口进行A/D转换。如图3-8所示，其电阻一温度特性曲线可知，当温度升高时，RT的阻值下降，则VRT下降，VR1，上升，所以检测电压与温度是成正比的关系。热敏电阻是非常好的测温元件，它灵敏度高、价格低廉、适用范围广、应用简便。但是这种测温元件的最大缺点是它的线性度较差。应用中一般采用串接电阻的方法对它进行校正，具体过程如下。一般情况下，热敏电阻的温度/电阻特性可表示为（3-2）式中R1和R0。分别是当温度为和时的热敏电阻阻值，B是热敏电阻常数。为了使整个温度传感器为线性，可采用合适的电阻R1和热敏电阻串接，使匹配电阻上所分电压即与温度成正比的关系，如所加电压为5伏，则（3-3）从以上各式可得（3-4）所以有（3-5）以室内温度检测热敏电阻为例，热敏电阻的常数B为3450K得需串接的匹配电阻R1为7．5kQ。图3-8(a)表明了热敏电阻的阻值一温度特性曲线，图(b)表明了校正后的电压-温度特性曲线。(a)阻值一温度特性曲线(b)电压一温度特性曲线图3-8温度检测电路特性曲线变频电路设计变频电路采用三菱公司的智能功率模块PM20CTM060，利用富士通公司的单片机MB89P857对其进行逆变控制。本章讨论硬件电路的设计，并从软件实现逆变功能的角度出发，建立SPWM平均值采样算法的数学模型，以此为基础进行控制软件设计。为了降低在设计、开发及制造上的成本，减少研制周期，提高系统的可靠性，智能功率模块IPM引起了人们的注意。智能功率模块能提供数字控制逻辑和功率负载之间的接口。最简单的型式可由单一电平移动和驱动电路组成，把来自微处理器的逻辑信号转变成足以激励负载的电压和电流：复杂的则要求智能功率模块执行负载监控、诊断、自保护，向微处理器反馈信息。论文设计中采用的日本三菱电气公司的智能功率模块PM20CTM060为20个引脚、平底、绝缘封装，智能功率模块PM20CTM060供电电压为450V的直流电源，电流额定值为15A，它的驱动需要四路额定值为15V且相互隔离的电源。PM20CTM060的特点是：内部集成了功率芯片、驱动电路及检测保护电路，使主电路的结构最为简单；功率部分采用开关速度高、驱动电流小的IGBT，功率损耗极低、需用散热片减少；在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短，从而很好地解决了浪涌电压及噪声影响误动作等问题；具有过热保护、过流保护、短路保护及控制电源欠电压锁定保护，当故障发生时，及时关断功率器件并发出模块错误信号，使功率芯片得以安全的保护。本章小结本章主要设计了空调器电气控制系统的软硬件，其中硬件是以MB89P857单片机为核心，有丰富的I/O口可供选择，简化了电路设计，稳定可靠。完成了温度的检测、模糊温度控制运算、室内外机通讯及外围电路控制、保护等功能。并给出了室内、外各部分程序流程图。模糊控制器的设计模糊控制的基本原理糊控制是一种语言控制，能更为近似地反映人的控制行为，有很强的鲁棒性和控制稳定性，能够运用于各种不同对象的控制。模糊控制是以模拟人脑对模糊概念的判别能力为特点的一种智能控制方式。如图4-1所示，典型的模糊控制系统是以A/D、D/A、模糊控制器、对象、传感器、执行器等组成，其中最重要的也是区别其它计算机控制系统的特点是具有模糊控制器。它在系统中是这样运行的：首先，系统给定与反馈相比较得到偏差e，量化后进入模糊控制器。在模糊控制器中，将精确量e以一定方法模糊化，得到偏差的模糊量e(e实际上是一个模糊向量)。然后由模糊推理规则将e与模糊规则丑合成，得到模糊控制量U为U=,其中运算符“o”为模糊合成算子u为模糊量，还需将其反模糊化，转换为精确量才能经D/A得模拟量控制执行机构。对象反馈后重复上述过程，如此循环往复就实现了对控制对象的模糊控制。A/DA/D模糊化控制规则反迷糊话A/D执行机构被控对象传感器图4-1模糊控制系统原理框图模糊温度控制器的模糊控制过程由以下部分组成：(1)模糊化将输入变量温差e(error)、温差变化率e(errorchange)及控制量U的精确值变换成其对应论域上的模糊集，以便进行模糊推理和决策；(2)模糊逻辑推理模仿人的思维特征，根据专家知识或控制经验取得的模糊控制规则进行模糊推理，决策出模糊输出控制量；(3)反模糊化对经模糊逻辑推理所得的模糊控制量进行模糊表决，把输出的模糊量转化为精确量，作用于被控对象。变量模糊化温差的模糊化是把温度设定值与实测的温度值相比较，就得到温差e=R(n)-T(n)。在本系统中，将温度控制范围分为模糊控制区和稳定控制区。在模糊控制区(e=-3℃～+3℃)以外的范围，为确定控制区。此时空调将以最大功率进行制冷或加热，直到达到模糊控制区。模糊控制区的范围是温差为士3℃。选取量化因子K=l，将其量化到整数论域．3计3，在此范围内将8分为5个模糊状态：PB(正的大温差)、PS(正的小温差)、ZO(零温差状态)、NS(负的小温差)、NB(负的大温差)。图4-2模糊变量的隶属度取值规则示意图U(e)-3-2-10123PB000000.3331PS00000.3330.6670ZO000.66710.66700NS00.6670.3330000NB10.33300000表4-1温差e的隶属度赋值表温差变化率e的模糊化将温差变化率定义为前后两次温度采样差与采样时间之比。由于温度的变化是比较慢的，所以将的模糊控制范围定为温度变化值的0.06C/s，设定量化因子，将其量化到整数论域-3～+3。与e相同，也分为5个模糊状态：PH(正的大温差变化率)、PL(正的小温差变化率)、ZO(零温差变化率)、NL(负的小温差变化率)、NH(负的大温差变化率)。温差变化率e的隶属度赋值表如表。U(e)-3-2-10123PH000000,33331PL00000.3330.6670ZO000.66710.66700ZL00.6670.3330000NH10.33300000表4-2温差变化率e的隶属度赋值表控制量输出频率f的模糊化根据频率设定范围(120～120Hz)将输出量整数论域定为．120～120，分为9个模糊状态：PE(最大功率制热)、PH(大功率制热)、PM(中功率制热)、PL(小功率制热)、ZO(零功率)、NL(小功率制冷)、NM(中功率制冷)、NH(大功率制冷)、NE(最大功率制冷)。据此可作出输出频率模糊变量的隶属度图表.隶属度-120-90-60-300306090120PE000000001PH000000010PM000000100PL000001000ZO000010000NL000100000NM001000000NH010000000表4-3输出频率模糊变量的隶属度赋值表模糊控制规则的确定模糊控制是一种语言控制，其控制规则可用以下语言描述：（4-1）模糊关系R为：（4-2）其中A一温差E的模糊值：B一温差变化率EC的模糊值；C一输出频率U的模糊值。将模糊控制规则制成表格如表5-4。UECPHPLZONLNHEPBPEPHPMPLZOPSPHPMPLZONLZOPMPLZONLNMNSPLZONLNMNHNBZONLNMNHNE表4-4温度模糊控制器模糊推理规则表根据控制经验取得的模糊控制规则进行模糊推理，得到输出频率的模糊变量的隶属度。本系统采用强度转移法进行模糊推理，输出频率模糊变量的隶属度取输入模糊变量隶属度其中的最小值。即（4-3）模糊温度控制器的反模糊化即对模糊推理所得的模糊控制量进行模糊判决，把模糊变量及隶属度转化为精确的输出频率的过程。由e和分别经过模糊推理后，得到输出频率模糊变量隶属度，采用重心法进行反模糊化，所以输出频率的精确值“可由下式得出：（4-4）式中C为i个频率模糊变量隶属度，α为第i频率模糊变量中心值。模糊控制器的软件框图根据温度模糊控制器的框图，其软件编制分为室内温度检测程序、温差和温差变化率模糊化程序、模糊推理程序和反模糊程序。室内温度检测程序对室内温度进行采集，求取温差变化率。模糊化程序将检测到的温度值转换到整数论域，根据模糊变量赋值表变成对论定时器初始化定时器初始化开定时器中断是否中断温度采样子程序模糊化程序模糊推理子程序反模糊化子程序输出频率控制变量开始 NY图4-2模糊温度控制程序流程图域上的模糊集即求出所对应的模糊状态的隶属度。模糊推理的过程也就是根据输入按图4-2确定的规则求输出的过程。采用重心法把推理得到的频率模糊变量转化为精确的频率。基于模糊推理的自调器PID控制器与传统的PID控制方法比较，模糊控制具有许多优点，特别适合与那些难以建立精确的数学模型、非线性和大滞后的过程，因而模糊控制在当今得到人们的极大重视并有了迅速的发展。然而一些专家和学者经深入研究比较后指出，模糊控制并不是代替，而只是扩展了传统的控制。在一些实际过程中，人们也常把模糊控制(Fuzzy)与PID控制结合在一起。简易FuzzyPID控制器以及在线自调整FuzzyPID控制器具有设计简单．动态和稳态性能好。抗干扰能力强、适用于线性和非线性系统最优控制的一系列特点，又由于采用线性分档，故对偏差、偏差变化、偏差和以及控制量的量化等级数可以取得任意大而不增加控制器算法的复杂性。所有这些都是基本FuzzyPID控制器所不具备的。另外，通过寻优确定控制器参数之后，其模型只用几个简单解析式便可完全描述，故用于在线确定控制作用的时间很短，实时性很强。对于这类Fuzzy控制器，还由于不需要在计算机内存储查询表，故控制算法占用机器内存也很少，因此具有较强的实用性。PID控制器参数自整定原则通常，PID控制器的控制算式为：（4-5）针对不同的e和人们总结出了一套，，的整定原则：1)当IeI较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的与较小的，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取KI=0；当leI和IECI中等大小时，为使系统具有较小的超调，应取得小些。在这种情况下，的取值对系统的影响较大，应取得小一些，墨的取值要适当。当IeI较小时，为使系统具有较好的稳定性能，如与墨均应取得大些，同时为避免系统在设定值出现振荡，并考虑系统抗干扰性能，当Il较大时杨可取得小些；II较小时肠可取大一些。根据要求，用于PID参数调整的模糊控制器采用二输入三输出的形式。该控制器是以IeI和II作为输入，以,,作为输出。输入语言变量e和的论域均为{-6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6}输出语言变量的论域均为{0，1，2，3，4，5，6)建立模糊规则表，根据以上所述的PID参数调整原则可以得到输出变量，，的控制规则如下表所示。NBNMZOPMPBeNBMBBBMNMSSMSSZOSMBMSPMSSMSSPBMBBBM表4-5的模糊控制规则表NBNMZOPM PBeNBZZZZZNMSMMMSZOMMBBMPMSMMMSBZSZZZ表4-6的模糊控制规则表NBNMZOPMPBeNBSSZSSNMMMSMMZOSMBMSPMMMSMMPBSSZSS表4-7的模糊控制规则表模糊控制器的仿真控制器压缩机控制器压缩机空调系统A/D转换低通滤波温度+频率功率环境室温—图4-3控制系统仿真结构图在建立数学模型时，考虑到房间的模型很难精确地描述，根据MATLAB仿真软件中的模型例子，结合实际控制时对象的反应特征，将控制对象(压缩机+空调器+空调房间)简化为由集中参数和纯滞后的一阶惯性环节来表示，其传递函数为：（4-6）式中为室内温度(℃)；f为运转频率(Hz)；T为时间常数(S)；k为放大系数(C/Hz)；温度采样时间间隔为10s。这部分的仿真工作中，使用MATLAB仿真软件中的模糊仿真工具箱(FuzzyToolBox)对模糊控制器进行仿真。规模糊控制器对系统的变化的适应能力有限，对象变化较大后，产生了较大的超调，温度波动也变大：而PID模糊控制器对系统的变化不十分敏感，虽然有一定的超调，但通过控制器的自调整功能，能很快地消除控制对象变化的影响，对给定的跟踪能力较强，且温度波动很小。对于系统常数T增加、系统延迟时间r加大只是由于大惯性而响应变缓，但没有象常规模糊控制器那样产生较大温度波动。对比可得，自调整PID模糊控制器对参数变化的适应能力明显优于常规模糊控制器，具有较强的鲁棒性。自调整PID的模糊控制器克服了模糊控制对人的依赖和主观随意性的影响，具有良好的学习能力，与常规的模糊控制器相比，其适应能力和控制性能都有所提高。本章小结本章主要对模糊控制的原理及设计方法进行了阐述，说明了模糊控制的优点，针对空调系统的特点设计了常规模糊温度控制器，并针对常规模糊温度控制器的缺点提出了一种具有自调整功能的模糊控制器，它可根据过程的运行状况，在线修正PID参数的系数，实现在线模糊控制规则的自调整。本章最后在计算机上对模糊控制器进行了仿真，分析了模糊控制的控制效果，为实际应用打下基础。结论变频式空调能效比高、调温快、节能显著，特别是应用了模糊控制技术，显出更加优良的性能。在能源供应日益紧张的今天，研制变频空调具有很大意义。本文进行了如下工作：设计了室内外机组电控系统硬件电路。以MB89P857单片机为核心，此单片机功能强，具有丰富的资源，大大简化了电路设计，保证了系统的可靠性。室内机组完成指令接收、温度的检测及运算等功能，室外机组完成压缩机调速控制等功能。变频器的主电路采用交，直．交电压型方式，功率器件采用三菱公司的智能功率模块，利用富士通公司的电机控制专用单片机对其进行控制，使整个电控系统的结构非常紧凑。控制方式采用具有低频电压补偿的恒压频比(V/F)控制；对于SPWM调制方法提出了基于规则采样法的平均值采样算法，实现上采用查表与实时计算相结台的方法。实际运行证明此变频器工作可靠，输出波形好，谐波小，能够满足空调器运行要求。根据电控系统设计功能要求，室内机软件程序主要包括红外遥控器接收程序、温度的模糊控制程序、温度A/D转换程序、室内风扇电机的调速及风门步进电机控制等功能。室外机程序由SPWM波形输出程序、温度A/D转换程序、除霜控制程序、压缩机过热保护程序、功率模块IPM故障处理程序、电路过流过压保护程序以及三分钟延时程序等部分组成。从最后的系统的软硬件调试来看，整个电控系统运转正常，达到了预期的设计要求。对于空调器室温控制这种对象尺寸变化大、温度特性差别大的情况，使用传统的PID控制方法不能取得良好的控制效果。所以二维模糊温度控制器对室温进行控制，通过空调器的实际运行证明了模糊控制的可行性。由于常规模糊控制器是模仿人的经验来代替人实现控制的，往往带有人的主观性和局限性，为此本论文提出一种适于实时控制的具有PID自调整功能的模糊控制器，它可根据过程的运行状况，在线辨识和修正过程的模糊模型，实现在线模糊控制自学习。最后通过仿真验证了这种自调整PID模糊控制器的可行性，表明比常规的模糊控制具有更加优良的控制性能。这种具有自调整功能的模糊控制器代表了今后模糊空调器的发展方向。本文在研究过程中的不足及进一步的研究设想：在变频器中使用软开关技术，以提高功率器件的开关频率，降低损耗，提高效率，使变频空调进一步发挥节能效果。致谢论文的最后，我想对我的恩师表示深深的敬意和真挚的感谢！荣老师在平时对学生很严格，但正是这种对学生的严格要求才能够使我们养成良好的学习习惯，能够在平时不断自我提高，离不开荣老师的谆谆教导。

感谢机电一体化学院的各位老师，在我的专科学习期间给予我无私的帮助和关怀，忠心地感谢他们！

感谢我的同学和朋友，陪伴我度过开心的大学生活，在学习和生活中给予我大量的帮助和支持，在此向他们表示深深的谢意!

特别感谢我的父母，他们对我的关心、鼓励和支持是我不断前进的动力!

最后，忠心地感谢在百忙之中为本论文评阅和参加答辩的各位老师！谢谢！参考资料[1]刘守江．空调器及其微电脑控制器的原理与维修．西安电子科技大学出版社.2005[2]郭银辉，肖凤鸣关于变频空调器的简介．变频器世界．2010[3]汪文俊，空调变频控制器的研究．电力电子技术．2012[4]于丹．松下空调器检修及微电脑控制电路集．2007[5]梁贵波．模糊控制空调器喘振现象分析．制冷．2009[6]周子成．变频式分体空调的研制．2004[7]唐广笛．异步电机直接转矩控制系统的数字仿真研究．2003[8]姚若兰．模糊控制在炉温控制系统中的实验研究．2003[9]齐京礼．模糊温度控制器的实现．电子技术应用．2008[10]王淑青．复合性模糊空调器控制效果分析．2006[11]陈伯时．论矢量控制和直接转矩控制．《电力电子》.2004[12]张燕宾．SPWM变频调速应用技术．机械工业出版社．2012[13]吴守缄，臧英杰．电气传动的脉宽调制控制技术．机械工业出版社．2004[14]陈国呈．PWM变频调速技术．机械工业出版社．2005[15]林渭勋．现代电力电子技术．科学出版社．2006[16]黄志平．新型开关电源及其应用．2009[17]陈勇．单片微机原理与应用．西安电子科技大学出.2009[18]邵青．模糊控制在烟叶发酵温度控制系统中的应用研究．2004[19]熊万忠．模糊控制在空调器中的应用．电气自动化．2005[20]朱瑞琪．制冷装置自动化．西安交通大学出版社．2009[21]徐德胜，顾久康．家用空调器．上海科学技术文献出版社．2004[22]张明勋．电力电子设备设计和应用手册．机械工业出版社．2007[23]喻辉洁，东伟．无速度传感器异步电机调速系统回顾与展望．2005[24]黄希．基于87C196MC及{PM的新型变频器的研制．电子技术应用.2002[25]黄天泽，何友朗．汽车空调系统设计与使用维修．北京理工大学出版社．2005[26]周明宝，瞿文龙．电力电子技术．机械工业出版社．2005[27]孙涵芳．富士通16位单片机．北京航空航天大学出