基于模糊 PID控制的变频空调电气控制系统的设计①

江 静,张雪松

(1.华北科技学院机电系,北京东燕郊 101601;2.中国矿业大学 (北京),北京 100083;3.光电系统信息控制技术国家级重点实验室,河北三河 065201)

基于模糊 PID控制的变频空调电气控制系统的设计①

江 静1,2②,张雪松3

(1.华北科技学院机电系,北京东燕郊 101601;2.中国矿业大学 (北京),北京 100083;3.光电系统信息控制技术国家级重点实验室,河北三河 065201)

本文设计了一种冷热两用的热泵型分体式房间变频空调的电气控制系统,分为室内机和室外机两部分。变频电路采用智能功率模块,利用专用单片机对其进行控制。然后在硬件电路设计的基础上,编制了室内、外机的系统控制软件。选定模糊控制方案,设计了二维模糊温度控制器,提出了一种适于实时控制的温度控制器,并通过仿真验证了该方法的合理性。

变频空调;模糊 P ID控制;单片机控制;隶属度

0 引言

从传统的开关控制发展到现在的变频控制和模糊智能技术,空调器的性能有了很大的提高。传统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,势必影响空调温度的控制精度和舒适性。

模糊控制的概念是美国加利福尼亚大学著名教授扎德 (L.A.Zadeh)在 70年代初提出的,模糊逻辑控制思想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[1]。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,通过模糊逻辑控制使空调器控制系统具有自调整的智能性,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始终连续地、动态地、实时地调整其制冷 (热)量[2]。

1 硬件设计

1.1 系统结构

在分体式空调中,运转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,根据汇编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[3]。变频式空调器电气控制系统结构,如图 1所示。控制系统采用日本三菱的智能功率模块PM20CT M060,供电电压为 450V的直流电源,电流额定值为 15A,驱动需要四路额定值为 15V且相互隔离的电源,具有过热、过流、短路保护及控制电源欠电压锁定保护。采用富士通的 8位单片机MB89P857用于电机控制,片内外设—波形发生器WFG(Wave Form Generator),产生三相互不重叠的同步的 SPWM波形,用于简化控制软件的编制和硬件电路设计,提高系统可靠性。

图 1 变频式空调器电气控制系统结构框图

1.2 室内机组设计

1.2.1 红外遥控信号接收装置

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。遥控发射器以红外遥控发射专用集成电路 I C1为核心,发射器键盘矩阵电路由矩阵开关组成,它与 I C1内的扫描脉冲发生器和键盘信号编码器构成键盘命令输入电路,如图 2所示。遥控接收器由一块装有光敏二极管的接收专用集成电路组成,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。

图 2 红外遥控发射器结构框图

1.2.2 室内风扇电机的调速控制

室内风扇电机采用单相交流电机,移相调压调速法[4]。室内温度由热敏电阻检测,并送到MB89P857的A/D转换通道。根据其结果控制片内的 PWM口,然后经光耦合驱动器 MOC3021驱动双向可控硅。通过控制双向可控硅的导通角来改变输出脉冲的宽度,从而改变主电路的电压。驱动电路原理图见图 3。

图 3 室内风扇电机调速原理图

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 10m s,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[5]:

式中:U—输出电压 (V);U0—输入电压 (V);α—导通角 (rad)。

1.3 室外机组的设计

1.3.1 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,其转速分高速、中速、低速三档。速度档位控制由室外机的冷凝器温度Tp与室外环境温度Te之差Δ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[6]。室外风扇电机转速控制原理,如图 4所示。

图 4 室外风扇电机转速控制原理图

热敏电阻 Rt1、Rt2采样室外机温度和环境温度,送到单片机的 A/D转换通道——PS1、PS2引脚,由温差 |Δ|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。 |Δ|当大于 7℃时,继电器 J3得电,J2、J1失电,风扇电机的高速线圈接通,风扇高速运转;|Δ|3℃～7℃时,继电器 J2得电,J1、J3失电,风扇电机的中速线圈接通,风扇中速运转;|Δ|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 |Δ|=0时,继电器全部失电,没有线圈通电,风扇停止。

1.3.2 辅助电源设计

本系统的辅助电源采用单端正激式脉宽调制AC/DC稳压电源,如图 5所示。控制器选用UC3842,一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;从检测绕组反映的反馈信号从 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Rs检测)反馈信号从 3脚输出,经电流比较器与误差进行比较,控制RS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。

图 5 室外机辅助电源结构图

2 软件设计

2.1 室内机程序流程

室内机程序主要包括红外遥控器接收程序、温度模糊控制程序、A/D转换程序、EEPROM读写程序、风扇电机调速及风门步进电机控制等。红外遥控器接收程序、室内机及室外机通讯程序用中断来完成。温度模糊控制程序、A/D转换程序、EEPROM的读写程序、风扇电机的调速及风门步进电机控制用软件定时器中断程序来实现。软件定时器程序执行过程如图 6所示。

图 6 软件定时器中断程序流程

2.2 室外机程序流程

变频器的控制程序主要由主程序、软启动(制动)程序、SPWM波形发生器的中断组成。主程序完成各部分的初始化工作,并与室内机进行通讯获得压缩机运转频率指令;软启动 (制动)程序通过软件定时器调用,完成启动 (制动)功能,并对波形发生器WFG进行寄存器修改;SPWM波形发生器的中断程序在每个载波周期调用一次,计算出三相正弦波形的实时数据。软启动程序流程如图 7所示。

图 7 软启动程序流程图

3 模糊控制器设计

3.1 模糊温度控制器原理

通常,模糊控制器有一维、二维、三维之分。在温度控制过程中,一般对被控对象的误差和误差的变化率比较敏感,通常把它们作为模糊控制器的输入[7]。本文选用二维模糊控制器,控制系统结构如图 8所示。

图 8 二维模糊控制器结构框图

温度控制器的模糊控制过程包括:①模糊化。将输入变量温差e(error)、温差变化率ec(error change)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[8]。

3.2 变量模糊化

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。在模糊控制区以外的范围是确定控制区,此时空调将以最大功率进行制冷或e加热,直到达到模糊控制区。模糊控制区的范围是温差为±3℃。选取量化因子,Ke=1将其量化到整数论域 -3～+3,如表 1所示。在此范围内将e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 )。

表 1 温差 e的隶属度赋值表

将温差变化率ec定义为前后两次温度采样差与采样时间之比。由于温度变化是缓慢的,所以将的模糊控制范围定为温度变化值的±0.06℃/s,设定量化因子Kes=50,将其量化到整数论域 -3～+3。ec分 5个模糊状态:PH(正大温差变化率)、PL(正小温差变化率)、ZO(零温差变化率)、NL(负小温差变化率)、NH(负大温差变化率)。温差变化率ec的隶属度赋值表,如表 2所示:

表 2 温差变化率 ec的隶属度赋值表

根据频率设定范围 (-120～120Hz)将输出量整数论域定位 -120～120,分 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)。输出频率模糊变量的隶属度图表,如表 3所示。

表 3 输出频率模糊变量的隶属度赋值表

3.3 模糊控制规则

其中:A—温差 E的模糊值;B—温差变化率EC的模糊值;C—输出频率 U的模糊值。模糊控制规则如表 4所示。

表 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进行模糊推理,输出频率模糊变量的隶属度选取输入模糊变量隶属度最小值。即

3.4 反模糊化

3.5 模糊温度控制器仿真

针对模糊控制器对空调系统进行仿真,验证它对空调系统的适应能力。空调控制系统仿真结构如图 9所示。在建立数学模型时,考虑到房间模型很难精确描述,结合实际控制时对象反映特性,将控制对象简化为由集中参数和纯滞后一阶惯性环节来表示,其传递函数为:

式中:Tr为室内温度 (℃);f为运转频率 (Hz);τ为延迟时间 (s);T为时间常数 (s);k为放大系数(℃/Hz);温度采样时间间隔为 10s。

图 9 控制系统仿真结构图

仿真针对空调系统在不同惯性时间常数、不同延迟时间情况下,试验常规模糊控制和模糊P ID控制器的控制效果。假设初始温度为 10℃,设定温度为 20℃,考虑到空调制热工作时不能进行制热与制冷切换的特殊性,把空调器的输出限幅在 0～120Hz之间,即空调器只能制热。空调系统的参数为τ=60s;T=20min;k=0.3。自调整 P ID模糊控制与常规模糊控制仿真曲线,如图10所示。通过曲线可以看出对于特定的一个控制对象,两种模糊控制器经过参数调整都可取得满意的控制效果。在以下各仿真曲线中,曲线 1表示模糊自调整 P ID控制的响应曲线,曲线 2表示常规模糊控制的响应曲线。

图 10 自调整 PI D模糊控制与常规模糊控制仿真曲线

4 结论

本文提出一种适于实时控制的具有 P ID自调整功能的模糊控制器,应用在变频空调控制系统中。室内外机组电控系统硬件电路以MB89P857单片机为核心,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。最后,通过仿真验证了这种自调整 P ID模糊控制器的可行性,表明比常规的模糊控制具有更优良的控制性能。

[1]齐勇,苏延民 .空调变频控制器的研究 [J].电力电子技术,1997(2):27-30

[2]王丰浩 .模糊控制空调器喘振现象分析[J].制冷,1997(2):23-27

[3]姬志艳,李永东,郑逢时 .异步电机直接转矩控制系统的数字仿真研究[J].PWM逆变器交流电机控制系统论文集,1998

[4]王兴松.模糊温度控制器的实现[J].电子技术应用,1994(6):13-15

[5]孙涵芳.富士通 16位单片机[M].北京航空航天大学出版社,1995

[6]余炳丰.柜式空调器模糊控制系统的研究[J].流体机械,1997(5):18-23

[7]赵秀菊,李庶荣.模糊控制在空调器中的应用[J].电气自动化,1997(3):14-16

[8]黄希,曾岳南,章云,冯垛生.基于 87C196MC及 IPM的新型变频器的研制[J].电子技术应用,1997(8):54-59

Electric Control System of Inverter A ir-condition ing Based on PI D Fuzzy Control

JIANG Jing1,2,ZHANG Xuesong3

(1.Department ofMechanics and Electricity Engineering,North China Institute of Science and Technology,Yanjiao Beijing-East 101601;2.China University ofMining and Technology(Beijing),Beijing 100083;3.NationalLaboratory of Electro-Optics System Technology,Sanhe Hebei 065201)

Fuzzy controller of temperature was designed in the inverter air-condition with dual purpose both cold and hot.The control system of inverter air conditionerwas divided two parts,that is,indoormachine and the outdoormachine.The frequency control of indoor and outside machine was realized by control software in the foundation of hardware circuit design.Fuzzy control program was selected, two-dimensional temperature controllerwas designed.P ID fuzzy controller suitable for real-time control was proposed in this paper.Finally,the practicability of self-adjust P ID fuzzy controllerwas confirmed by s imulation curve.It was shown that self-adjust P ID fuzzy controller had a better control perfor mance than conventional fuzzy controlmethods.

frequency conversion controller;P ID fuzzy controller;single-chip microcomputer;membership degree

T M921.51

A

1672-7169(2010)04-0064-07

2010-09-04

江静 (1979-),女,江苏连云港人,硕士,中国矿业大学 (北京)在读博士,华北科技学院机电工程系讲师。