一種電冰箱模糊控制系統(tǒng)的研究

儀志恒 郭樹明 王愚若

河南新飛電器有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

1 引言

本文研究對(duì)象為三溫區(qū)獨(dú)立精確控溫的一款節(jié)能保鮮電冰箱，冰箱有三個(gè)獨(dú)立間室，上中下分別為冷藏間室、變溫間室、冷凍間室。其中，冷藏間室的溫度設(shè)定范圍是1℃～9℃，變溫間室的溫度設(shè)定范圍是-1℃～-16℃，冷凍間室溫度設(shè)定范圍是-18℃～-23℃，這樣即能根據(jù)不同食物對(duì)存放溫度的不同需求來分區(qū)存放食物，保證食物的新鮮，又能延長食物的貯藏時(shí)間，滿足普通家庭對(duì)食品保鮮的需求。

2 模糊控制系統(tǒng)

由于冰箱內(nèi)的溫度控制與多種因素有關(guān)，如：物品放入時(shí)的初始溫度、物品的散熱特性、物品的熱容量、物品放滿率及冰箱門是否頻繁開關(guān)等。同時(shí)，冰箱內(nèi)的溫度分布極不均勻，無法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，為了保證各間室內(nèi)溫差波動(dòng)小，達(dá)到對(duì)食品的較好保鮮效果，同時(shí)又能達(dá)到節(jié)能的目的，此控制系統(tǒng)考慮采用多變量輸出模糊控制技術(shù)。模糊控制系統(tǒng)是一種非線性的數(shù)字控制系統(tǒng)，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。模糊控制系統(tǒng)一般分為以下幾個(gè)組成部分：

（1）模糊控制器：控制器為整個(gè)系統(tǒng)的大腦，一般選用工控機(jī)、可編程控制器或單片機(jī)等作為硬件系統(tǒng)?？刂破鞯闹饕ぷ魇窍葘?duì)輸入量進(jìn)行模糊化，然后通過模糊關(guān)系運(yùn)算，最后對(duì)模糊決策結(jié)果的去模糊化處理等?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)水平在一定程度上決定了一套模糊控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。

（2）I/O（輸入/輸出）接口電路：輸入輸出接口電路由控制系統(tǒng)前端A/D轉(zhuǎn)換和后端D/A轉(zhuǎn)換等兩組信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，即將前端傳感器檢測(cè)到的模擬量（即控制系統(tǒng)的判斷依據(jù)，比如溫度等，一般為1～5V電壓信號(hào)或4～20mA電流信號(hào)）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（即0或1的不同組合），然后控制器對(duì)轉(zhuǎn)換過的數(shù)字量按照模糊運(yùn)算程序進(jìn)行運(yùn)算；D/A轉(zhuǎn)換把控制器運(yùn)算過的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量（即控制系統(tǒng)需要進(jìn)行的操作，比如電機(jī)運(yùn)行等，一般為4～20mA電流信號(hào)）。在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮A/D、D/A的轉(zhuǎn)換精度、時(shí)間等。

圖1 模糊控制系統(tǒng)圖

（3）傳感器：傳感器是一種能夠?qū)⒈粶y(cè)量按照一定方式變換為可用信號(hào)的裝置。它是一種測(cè)量裝置，可能是物理量，也可能是化學(xué)量或生物量等，然后將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。比如測(cè)量溫度、濕度等。為保證整個(gè)系統(tǒng)控制精度的要求，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮傳感器的精度，以便達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定。

（4）廣義對(duì)象：執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象是廣義對(duì)象的兩個(gè)組成模塊。比如脈沖電磁閥、步進(jìn)電機(jī)、可控硅、繼電器等都屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。被控對(duì)象有多種方式，線性的、非線性的、不變的、可變的等。需注意的是，被控對(duì)象要根據(jù)實(shí)際情況來選用模糊控制或精確控制方案，不能排斥可以精確控制的被控對(duì)象。

圖2 控制電路框圖

圖3 制冷系統(tǒng)循環(huán)圖

為解決各間室獨(dú)立制冷循環(huán)的溫度控制問題，本產(chǎn)品設(shè)計(jì)是提出采用一進(jìn)三出電磁閥分別單獨(dú)對(duì)冷藏間室、變溫間室、冷凍間室的制冷工況進(jìn)行控制，由于在制冷系統(tǒng)中采用一進(jìn)三出電磁閥，可以保證單獨(dú)對(duì)冷藏間室、變溫間室、冷凍間室的制冷工況進(jìn)行控制，并且在各個(gè)間室內(nèi)放置溫度傳感器，隨時(shí)測(cè)量間室溫度，當(dāng)某一間室的溫度與預(yù)期的溫度有較大的差別時(shí)，就可以對(duì)該間室單獨(dú)進(jìn)行制冷或關(guān)閉制冷。

為達(dá)到對(duì)食品較好的保鮮效果，要求冰箱制冷波動(dòng)平穩(wěn)，各個(gè)間室溫差范圍小，同時(shí)為了達(dá)到節(jié)能的效果，本產(chǎn)品采用變頻壓縮機(jī)與多變量模糊控制策略相結(jié)合，通過測(cè)量冰箱所處狀態(tài)的各種變量，經(jīng)過模糊控制計(jì)算后，控制變頻壓縮機(jī)的開停，使冰箱達(dá)到穩(wěn)定的制冷效果,同時(shí)防止了因壓縮機(jī)的頻繁開停而造成的電能浪費(fèi)和運(yùn)行噪聲。將壓縮機(jī)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速從1600～4200rpm分為5檔變速（低速，較低速，中速，較高速，高速），這己能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。在對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，某些頻率會(huì)與冰箱產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生高于設(shè)計(jì)要求的噪聲問題，因此在設(shè)計(jì)中要避開共振頻率。

2.1 控制系統(tǒng)的硬件部分

控制系統(tǒng)的硬件部分由感溫裝置、控制電路、變頻器以及變頻壓縮機(jī)組成，其中感溫裝置為溫度傳感器，控制電路以單片機(jī)為核心，變頻器由整流器、濾波器、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及控制器組成，壓縮機(jī)選用無刷直流壓縮機(jī)?？刂齐娐房驁D和制冷循環(huán)圖如圖2、圖3所示。

在冰箱模糊控制的設(shè)計(jì)上，根據(jù)各個(gè)間室傳感器檢測(cè)到的溫度、開門時(shí)間、環(huán)境溫度，多目標(biāo)模糊控制系統(tǒng)推理各間室內(nèi)的食品溫差與對(duì)各間室的溫差、溫度變化率、預(yù)制冷修正系數(shù)之間的模糊對(duì)應(yīng)關(guān)系，調(diào)節(jié)各間室制冷的先后順序、時(shí)間長短和壓縮機(jī)輸出制冷量的大小，從而達(dá)到減小食物溫度波動(dòng)，對(duì)食物較好的保鮮功能，取得良好的制冷效果。電冰箱各間室溫差的多目標(biāo)模糊控制框圖，如圖4所示。

預(yù)制冷模糊控制策略推理預(yù)制冷修正系數(shù)與開門時(shí)間、環(huán)境溫度之間的模糊對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)間室內(nèi)的食品溫差進(jìn)行修正，解決因預(yù)制冷產(chǎn)生溫度波動(dòng)的問題。當(dāng)用戶頻繁開冷藏間室、變溫間室、冷凍間室的門或者放入較高溫度的食物時(shí)，間室溫度上升變化率較大，通過預(yù)制冷模糊控制策略輸出的溫度修正系數(shù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)模糊控制策略選擇提高壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將食品溫度快速降下來，將食品養(yǎng)分鎖定，達(dá)到更好的食品保鮮效果。

采用變頻壓縮機(jī)可以保證制冷的平穩(wěn)。模糊控制系統(tǒng)控制的變頻壓縮機(jī)在各個(gè)間室同時(shí)需要制冷時(shí)可以以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)間室溫度與預(yù)期的溫度之間有較大的溫差時(shí)，變頻壓縮機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，保證較快達(dá)到預(yù)期的溫度，當(dāng)快要達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，變頻壓縮機(jī)降低轉(zhuǎn)速，減小冷量輸出，保證壓縮機(jī)不頻繁的開機(jī)，降低開機(jī)頻率造成的能耗損失。

2.2 控制系統(tǒng)的軟件部分

控制系統(tǒng)的軟件部分采用多目標(biāo)模糊控制技術(shù)對(duì)冰箱的制冷工況狀態(tài)進(jìn)行控制。各間室內(nèi)的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集其對(duì)應(yīng)間室內(nèi)部的溫度與設(shè)定溫度的溫差及溫度變化率，將其輸入對(duì)各間室內(nèi)食品溫度進(jìn)行初判的模糊推理規(guī)則運(yùn)算器，推算出各間室內(nèi)的食品溫度與設(shè)定溫度的溫差初判值（以下簡(jiǎn)稱食品溫差初判值）。

控制系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集各間室的開門時(shí)間、環(huán)境溫度，并將它們輸入用于對(duì)其間室內(nèi)食品溫度的初判值進(jìn)行修正的模糊推理規(guī)則運(yùn)算器，推算出各間室內(nèi)的食品溫度與設(shè)定溫度的溫差的修正值（以下簡(jiǎn)稱食品溫差修正值）。

將各間室的食品溫差初判值與食品溫差修正值輸入其對(duì)應(yīng)的算法器，得出各間室內(nèi)的食品溫度與設(shè)定溫度的溫差值（以下簡(jiǎn)稱食品溫差）。

將各間室的食品溫差值輸入多目標(biāo)模糊推理規(guī)則運(yùn)算器，將得出的運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過反模糊化，得出相應(yīng)的精確控制值，包括各間室的獨(dú)立循環(huán)制冷系統(tǒng)中的電磁閥的開閉、壓機(jī)的開停及其轉(zhuǎn)速的調(diào)整?？梢岳斫鉃?，多目標(biāo)模糊控制系統(tǒng)控制電路和軟件對(duì)連續(xù)的多目標(biāo)輸入信號(hào)進(jìn)行模糊控制推理分析，輸出開關(guān)量——控制壓縮機(jī)的開停及輸出連續(xù)量——控制變頻壓縮機(jī)的速度調(diào)節(jié)、以及輸出開關(guān)量——控制各間室制冷回路中的電磁閥的開關(guān)。

如果用戶剛在冰箱的某個(gè)間室內(nèi)放入較多食物或者傳感器采集到的溫度與用戶設(shè)定溫度的的溫差出現(xiàn)較大正偏差且溫度變化率是負(fù)的較大，多目標(biāo)模糊控制系統(tǒng)經(jīng)模糊推理運(yùn)算后輸出控制壓縮機(jī)立即開始工作對(duì)該間室進(jìn)行制冷。由于采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，軟件控制壓縮機(jī)用較高的速度運(yùn)行，在該間室的溫度出現(xiàn)較大的上升波動(dòng)前就可以很快使該間室的制冷溫度降到用戶設(shè)定溫度。隨著該間室溫度逐漸接近用戶設(shè)定的要求，傳感器采集到的間室內(nèi)溫度與用戶設(shè)定溫度的的溫差出現(xiàn)較小正偏差且溫度變化率是正的較大。模糊軟件控制壓縮機(jī)逐漸降低轉(zhuǎn)速，盡量使冰箱內(nèi)外能量交換達(dá)到一個(gè)較合理的狀態(tài)，同時(shí)避免了壓縮機(jī)頻繁的開停動(dòng)作，保證了冰箱各間室內(nèi)食品儲(chǔ)存溫度的穩(wěn)定，更好的對(duì)食品進(jìn)行保鮮儲(chǔ)存。

3 結(jié)論

此三溫區(qū)獨(dú)立精確控溫的節(jié)能保鮮電冰箱，通過搭建以上系統(tǒng)，從而使各個(gè)間室溫度精確、各個(gè)間室溫度變化波動(dòng)小以及各個(gè)間室單獨(dú)開關(guān)，滿足普通家庭對(duì)不同食品的保鮮儲(chǔ)存需求，保證食品能過更長時(shí)間的儲(chǔ)存，又能滿足節(jié)能降噪的目的。

圖4 電冰箱各間室溫差的多目標(biāo)模糊控制框圖