家用空調(diào)變頻模糊控制器的發(fā)展歷程及其設(shè)計(jì)

柳登峰

摘 要：近年來(lái)，隨著人們生活水平的大幅度提升，人們對(duì)居住環(huán)境的舒適度提出了更高的要求。在這一背景下，空調(diào)在住宅中的應(yīng)用越來(lái)越多。在家用空調(diào)不斷增多的同時(shí)，住宅建筑總體能耗進(jìn)一步增加，這與國(guó)家提倡的節(jié)能理念相違背，因此，降低空調(diào)能耗十分必要?；诖耍紫群?jiǎn)要分析了家用空調(diào)系統(tǒng)變頻模糊控制器的發(fā)展歷程，然后對(duì)基于變頻技術(shù)的家用空調(diào)變頻模糊控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，希望能對(duì)空調(diào)能耗的降低有所幫助。

關(guān)鍵詞：空調(diào)；變頻技術(shù)；模糊控制器；控制規(guī)則

中圖分類(lèi)號(hào)：TM925.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.074

1 家用空調(diào)變頻模糊控制器的發(fā)展歷程

模糊控制又被稱(chēng)為模糊邏輯控制，屬于非線(xiàn)性控制的范疇。它以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量等理論為基礎(chǔ)，采用非數(shù)學(xué)廣義世界模型和數(shù)學(xué)公式模型表示的混合控制過(guò)程，將知識(shí)作為推理依據(jù)，以引導(dǎo)求解過(guò)程。20世紀(jì)80年代，日本的三菱重工研究開(kāi)發(fā)出了以恒溫為目標(biāo)的空調(diào)變頻模糊控制器，自此正式拉開(kāi)了空調(diào)系統(tǒng)變頻模糊控制的序幕；后來(lái)，中國(guó)香港的一些專(zhuān)家學(xué)者在借鑒前人成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)出了空調(diào)系統(tǒng)熱舒適性模糊邏輯控制器；再后來(lái)，美國(guó)的專(zhuān)家對(duì)基于規(guī)則的模糊邏輯控制在HVAC系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出了建立與校正模糊控制規(guī)則的具體方法和途徑，并對(duì)模糊控制器的多階繼電器特性進(jìn)行了分析；1995年，日本日立公司從人體舒適性的角度，利用PMV理論計(jì)算方法對(duì)列車(chē)模糊空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)PMV=0的舒適規(guī)則，重新確定了溫度設(shè)定值，并用模糊邏輯推理出溫度誤差及其變化率，確定了壓縮機(jī)輸出，進(jìn)而可使車(chē)廂內(nèi)的溫度處于人體感覺(jué)最舒適的溫度范圍內(nèi)；在此之后，中央空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)始逐步應(yīng)用單環(huán)PID控制器。單環(huán)PID控制器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，因此得到了快速推廣。下面重點(diǎn)對(duì)基于變頻技術(shù)的家用空調(diào)變頻模糊控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

2 基于變頻技術(shù)的變頻模糊控制器設(shè)計(jì)

2.1 變頻技術(shù)

變頻技術(shù)是一種能夠?qū)⒅绷麟娔孀兂刹煌l率交流電的轉(zhuǎn)換技術(shù)。利用該技術(shù)不僅可以將交流電變成直流電后再逆變成不同頻率的交流電，還可以將直流電變成交流電后再將交流電變成直流電。在變頻的過(guò)程中，電能本身并不會(huì)發(fā)生變化，只是頻率發(fā)生了不同程度的改變。將該技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中，除了能夠達(dá)到節(jié)省電能的目的之外，還能顯著降低噪聲、減少振動(dòng)，確?？照{(diào)的運(yùn)行穩(wěn)定性，從而延長(zhǎng)空調(diào)的使用壽命。

2.2 模糊控制的原理

模糊控制是指將模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量、模糊邏輯推理等領(lǐng)域的知識(shí)應(yīng)用于控制方法中，通過(guò)模擬人的模糊思維方法，有效控制難以用精確數(shù)學(xué)模型描述的控制對(duì)象。模糊控制器的輸出以控制過(guò)程規(guī)則為依據(jù)，在觀察過(guò)程狀態(tài)的基礎(chǔ)上推理得出。模糊控制器具體包括三個(gè)概念，分別是測(cè)量信息、推理機(jī)制和輸出模糊集。通常情況下，其構(gòu)成如圖1所示。

2.3 空調(diào)壓縮機(jī)變頻模糊控制器的設(shè)計(jì)

可將常規(guī)的家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)的變頻范圍平均劃分為若干個(gè)區(qū)段，例如將20～120 Hz這一范圍劃分為20段，即以5 Hz為間隔向上或向下調(diào)節(jié)。雖然這樣劃分之后空調(diào)的調(diào)節(jié)效果有所提升，但并沒(méi)有充分展現(xiàn)出變頻空調(diào)反應(yīng)快、易于控制、節(jié)能高效等優(yōu)勢(shì)。模糊控制技術(shù)在變頻空調(diào)中的應(yīng)用能夠使空調(diào)本身的性能更加完善。本文提出的模糊控制器采用單變量二維結(jié)構(gòu)，以溫差及其變化率作為變量。溫差變化率的引入可以模糊地反映出環(huán)境因素，將之作為變量的控制器能夠進(jìn)一步提升空調(diào)的智能水平。

模糊控制器的設(shè)計(jì)具體包括實(shí)測(cè)值的模糊化、模糊規(guī)則的確定、模糊推理和解模糊化。這里所指的“模糊化”，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)精確的輸入量進(jìn)行模糊處理，按照輸入變量模糊子集的隸屬函數(shù)找出與之相應(yīng)的隸屬度的過(guò)程。在該過(guò)程中，輸出量常被變化為對(duì)應(yīng)論域上的模糊集合。由于推理所得的結(jié)果屬于模糊量，無(wú)法直接作為控制量使用，所以需要解模糊化，將其轉(zhuǎn)換為清晰的輸出控制量，這樣才能對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行有效的控制。

2.3.1 精確量模糊化

通常情況下，可將計(jì)算機(jī)計(jì)算出來(lái)的控制量認(rèn)定為精確量。為實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，需要對(duì)精確量進(jìn)行模糊化處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槟：?。假定某種語(yǔ)言變量的變化范圍為[a1，b1]，經(jīng)過(guò)量化因子k變換后的范圍為[ka1，kb1]。同時(shí)，論域取離散論域[-n，n]間變化的變量Y，為：

. 按照Y值的大小，查隸屬度賦值表，然后將其歸類(lèi)于某一類(lèi)模糊子集。

2.3.2 模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)

在模糊控制器的設(shè)計(jì)中，模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)是核心部分。模糊控制規(guī)則是一種依據(jù)人工手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的語(yǔ)言描述，因此，借助相關(guān)語(yǔ)言對(duì)手動(dòng)控制策略的歸納實(shí)質(zhì)上就是建立控制規(guī)則的過(guò)程。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文在簡(jiǎn)要介紹家用空調(diào)系統(tǒng)變頻模糊控制器發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，論述了基于變頻技術(shù)的家用空調(diào)變頻模糊控制器設(shè)計(jì)。通過(guò)模糊控制技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提升了變頻空調(diào)的整體性能，這不但有利于空調(diào)能耗的降低，還有利于延長(zhǎng)空調(diào)的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]朱小旺，蔣紹堅(jiān).模糊PID控制在變頻空調(diào)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2011（8）：96-97.

[2]黃貞輝，陳瑋，涂建.家用變頻空調(diào)溫度模糊控制算法研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（2）：85-86.

[3]張錦榮.變頻調(diào)速技術(shù)與節(jié)能應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2012（6）：69-70.

〔編輯：王霞〕