變頻冰箱模糊控制及仿真研究

何其寶 范培珍 胡慶生 柏 松

（1.六安職業(yè)技術學院，六安 237000；2.安徽尊貴電氣集團（合肥），合肥 230012）

現(xiàn)如今，變頻冰箱應用了變頻壓縮機，人們在日常應用過程中能夠調節(jié)電動機轉速轉換壓縮機的制冷量，進而控制冰箱負荷、溫度、制冷速度，其有著較強的節(jié)能性。冰箱內部溫度會受到較多因素影響，如開門頻率、食物溫度、散熱特點等，使得冰箱內溫度分布失衡難以通過數(shù)學模型展現(xiàn)出來。所以，以往PID控制無法達到既定要求。對此，還需要應用模糊控制。

1 工作原理與冰箱內部溫度仿真模型

變頻冰箱溫度控制屬于多輸入/輸出控制的多個箱溫的冷控系統(tǒng)。冰箱冷凍室內溫度在-15～24℃；冷藏室溫度在2～8℃。其中，冷凍室工作原理是經(jīng)過內壓縮機轉速達到的，冷藏室溫度控制原理是經(jīng)過控制風門、風機把冷凍室冷量輸送至冷藏室。如果冰箱溫度模糊控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)冷凍室溫度信號偏差信號與變化率后，隨后共同控制壓縮機轉速。當檢驗冷藏室溫度偏差信號后，分析冷凍室和冷藏室的偏差信號進行風機風門控制，讓冷藏室與冷凍室溫度調整達到既定參數(shù)。

根據(jù)設定模擬原理，通過MATALAB中SIMULINK單元模擬室內溫度控制仿真模型。其中包含一個閉環(huán)溫度場模型：間室內外溫度影響作用在具有精準初始溫度的冰箱間室模型。同時，通過空氣傳熱延遲后和既定參數(shù)對比確定是否精準，模擬冰箱兩室溫度轉化。冰箱溫度控制系統(tǒng)內，人們希望的系統(tǒng)動態(tài)與靜態(tài)規(guī)模標準是已知的，通常在啟動前溫度較高。隨后，在運行后，間室溫度靠近希望溫度，溫度有關要求函數(shù)公式為：

式中，Tr為既定溫度，T0為室內原始溫度，t參數(shù)和壓縮機制冷量與溫室特點相關。

通過轉化式（1），可以得出T（S）與Tr（S）的傳遞函數(shù)，即：

從式（2）可以得出，輸入和輸出結構屬于一階環(huán)節(jié)，可以用于仿真模型。

變頻冰箱壓縮機等于積分和慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，輸入是頻率的既定信號，輸出是冰箱蒸發(fā)器變化。模糊控制器給出控制信號通常變頻器轉換為頻率，調整壓縮機做功乘以控制壓縮機轉速的慣性等于冰箱散熱片溫度變化。想要簡化模型，風機、風門模型傳輸函數(shù)與壓縮機模型傳遞函數(shù)相同。

2 變頻冰箱中模糊控制器設定

眾所周知，對于冷藏室、冷凍室，其控制設計根本目的為維持箱內食物最適當?shù)臏囟龋员闶澄锉ｕr（如圖一）。冰箱內溫度控制為輸入與輸出控制系統(tǒng)，輸入是冷凍室與冷藏室溫度，輸出包含壓縮機、風機、風門控制。模糊控制無需控制目標的精準數(shù)學模型，屬于一種規(guī)則控制。控制人員結合實踐經(jīng)驗與專家系統(tǒng)得出控制量，達到簡化與較強的控制效果。對此，本文指出變頻冰箱的溫度模糊控制方法。

圖一，不同品牌冰箱標注容積

2.1 模糊控制器原則

根據(jù)冷藏室模糊控制結構得出，冷藏室控制器既定溫度TR0和實際溫度TR1的差值eR=TR0-TR1與冷藏室溫度和冷凍室差e2，通過模糊化生成模糊量ER、E2，模糊推理輸出控制風機轉速與風門大小頻率ΔU。為確保冰箱系統(tǒng)精準性，其控制器輸入忽略以往模糊控制的溫度變化率輸入。

根據(jù)冷凍室模糊控制結構設計，冷凍室控制既定溫度TF0和具體溫度TF1的偏差為eF=TF0-TF1。通過計算得出變化ecF，通過模糊化生成模糊量EF、ECF。隨后模糊控制輸出頻率既定信號ΔU。

2.2 模糊化與素質設定

模糊計算時，需要通過轉型因子把溫差與變化率的具體可能參數(shù)轉為模糊量的論域。根據(jù)冷凍室溫度控制，其可以分為三個比例因子。

第一，Ke把確定量ef轉為模糊輸入量的比例因子，大小影響模糊量EF的涵蓋區(qū)域EF=Int（KeeF）。通過仿真得出：伴隨著Ke的降低，頻率響應曲線的最大超調隨之降低，超調頻率也會降低。反之，Ke提高縮減響應時間，進而達到穩(wěn)態(tài)靜差。究其原因，Ke降低增加控制區(qū)的死區(qū)區(qū)域，降低速度提高速率，使得響應較長。而Ke的降低溫度涵蓋增高，降低了最大超調與其頻率。另外，Ke也能夠降低控制死區(qū)，增加提高速度。并且，降低溫差E的涵蓋范圍導致超調，系統(tǒng)運行較慢甚至出現(xiàn)震蕩。

第二，Kec把確定量ecF轉為ECF=Int。通過仿真能夠得出：Kec的提高降低系統(tǒng)最大超調，但超調頻率提高顯著，并且Kec變化控制效果并非線性。究其原因，ECF有控制死區(qū)，范圍和Kec呈反比，Kec大小影響系統(tǒng)反應速度。提高Kec能夠提升系統(tǒng)的微分作用，確保系統(tǒng)有著較強的反應性。不過，Kec較高也容易導致系統(tǒng)震蕩。降低Kec，控制死區(qū)提高，系統(tǒng)靈敏度降低，最高超調量提高。所以，想要處于最佳控制效果，Kec調整可以與Ke共同調整。經(jīng)過仿真能夠看出，調整冷藏室轉型因子作用相等。

2.3 系統(tǒng)構建

冷藏室與冷凍室溫度差論域全部為ER（EF、E2）={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，采用NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。O（零）、PS（正?。?、PM（正中）和PB（正大）等多個模糊子集分析。

其中，μNB（x）是降半梯形分布，μPB（x）是半梯形形式，剩余是三角形分布。溫差變化率論域ECF、模糊子集選擇和E的選定相同。風門、風機與壓縮機轉速輸出頻率提高量全部為 ΔU={-9，-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8，9}。選擇NL（負很大）、NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。O（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）、PL（正很大）等模糊子集分析。

根據(jù)表1分析，經(jīng)過MATLAB內FUZZY控制工具箱能夠得出模糊控制關系，離線展開ΔU矩陣計算控制表?？刂埔?guī)律選擇最大隸屬度決策法。系統(tǒng)運營過程中，需要展開查表計算得出控制量。

表1 模糊控制規(guī)則表

3 仿真實例與未來發(fā)展

伴隨著科學技術的進步與發(fā)展，現(xiàn)階段提倡綠色節(jié)能，這對推動經(jīng)濟進步具有重要作用?；谶@一理念，變頻技術得到人們的重視。電子技術、傳感器技術、控制理論的應用，帶動變頻技術趨于完善并得到了廣泛應用，它有著較強的節(jié)能性。尤其是電冰箱的應用類型廣泛、要求多，以往定頻冰箱壓縮機轉速恒定，溫度控制設備、化霜設備等屬于提前設置。這樣容易導致能量消耗不能滿足目的相異的不同動作或反應較慢而出現(xiàn)多余動作，導致構建不斷啟停。

3.1 環(huán)保性

如今，我國生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，人們意識到環(huán)保的重要性，市場上開始流行環(huán)保產(chǎn)品。國外對冰箱的進口環(huán)保要求尤為嚴格。氟利昂是一種制冷劑，但它對大氣層有一定破壞作用，現(xiàn)在人們研究出一種替代方法，即無氟制冷技術。同時，人們研發(fā)出無氟冰箱，這是一種環(huán)保冰箱。環(huán)保型冰箱的應用日趨廣泛，具有較大的使用價值。

3.2 節(jié)能型

冰箱的運行需要耗費一定的電能，電能源使用大。而我國目前能源緊張，現(xiàn)階段可以開采的化石燃料少之又少。由于能源資源的緊張，我國現(xiàn)已開始開發(fā)新型可再生能源，如太陽能。變頻冰箱的能源使用效率較為可觀，能耗降低明顯，同時根據(jù)節(jié)能冰箱的能耗等級，消費者能夠得到國家的相關補貼。因此，在選擇冰箱時，往往首先考慮節(jié)能效果。在今后發(fā)展中，伴隨著社會的不斷發(fā)展，節(jié)能型冰箱將成為市場發(fā)展主流。

4 結語

通過模糊控制技術進行冰箱溫度的精準控制，科學調節(jié)壓縮機轉速，可以防止壓縮啟動停止頻繁，進而達到節(jié)能目的，確保食物保持新鮮。冰箱運行具有時變、多變量、非線性等特性，過于依賴傳統(tǒng)控制方法無法實現(xiàn)有效控制。所以，冰箱更適合應用模糊控制技術。分配變頻技術與電腦網(wǎng)絡控制技術，可以提升冰箱控制技術水平，促進冰箱優(yōu)化升級，走向更高領域。

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