家用空调变频模糊控制器的发展历程及其设计

柳登峰

摘 要：近年来，随着人们生活水平的大幅度提升，人们对居住环境的舒适度提出了更高的要求。在这一背景下，空调在住宅中的应用越来越多。在家用空调不断增多的同时，住宅建筑总体能耗进一步增加，这与国家提倡的节能理念相违背，因此，降低空调能耗十分必要。基于此，首先简要分析了家用空调系统变频模糊控制器的发展历程，然后对基于变频技术的家用空调变频模糊控制器设计进行了论述，希望能对空调能耗的降低有所帮助。

关键词：空调；变频技术；模糊控制器；控制规则

中图分类号：TM925.12 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.074

1 家用空调变频模糊控制器的发展历程

模糊控制又被称为模糊逻辑控制，属于非线性控制的范畴。它以模糊集合论、模糊语言变量等理论为基础，采用非数学广义世界模型和数学公式模型表示的混合控制过程，将知识作为推理依据，以引导求解过程。20世纪80年代，日本的三菱重工研究开发出了以恒温为目标的空调变频模糊控制器，自此正式拉开了空调系统变频模糊控制的序幕；后来，中国香港的一些专家学者在借鉴前人成功经验的基础上，研究开发出了空调系统热舒适性模糊逻辑控制器；再后来，美国的专家对基于规则的模糊逻辑控制在HVAC系统中的应用进行了实验研究，提出了建立与校正模糊控制规则的具体方法和途径，并对模糊控制器的多阶继电器特性进行了分析；1995年，日本日立公司从人体舒适性的角度，利用PMV理论计算方法对列车模糊空调系统进行了仿真实验研究，根据PMV=0的舒适规则，重新确定了温度设定值，并用模糊逻辑推理出温度误差及其变化率，确定了压缩机输出，进而可使车厢内的温度处于人体感觉最舒适的温度范围内；在此之后，中央空调系统开始逐步应用单环PID控制器。单环PID控制器由于结构简单、操作便捷，因此得到了快速推广。下面重点对基于变频技术的家用空调变频模糊控制器设计进行论述。

2 基于变频技术的变频模糊控制器设计

2.1 变频技术

变频技术是一种能够将直流电逆变成不同频率交流电的转换技术。利用该技术不仅可以将交流电变成直流电后再逆变成不同频率的交流电，还可以将直流电变成交流电后再将交流电变成直流电。在变频的过程中，电能本身并不会发生变化，只是频率发生了不同程度的改变。将该技术应用于空调系统中，除了能够达到节省电能的目的之外，还能显著降低噪声、减少振动，确保空调的运行稳定性，从而延长空调的使用寿命。

2.2 模糊控制的原理

模糊控制是指将模糊集合论、模糊语言变量、模糊逻辑推理等领域的知识应用于控制方法中，通过模拟人的模糊思维方法，有效控制难以用精确数学模型描述的控制对象。模糊控制器的输出以控制过程规则为依据，在观察过程状态的基础上推理得出。模糊控制器具体包括三个概念，分别是测量信息、推理机制和输出模糊集。通常情况下，其构成如图1所示。

2.3 空调压缩机变频模糊控制器的设计

可将常规的家用变频空调压缩机的变频范围平均划分为若干个区段，例如将20～120 Hz这一范围划分为20段，即以5 Hz为间隔向上或向下调节。虽然这样划分之后空调的调节效果有所提升，但并没有充分展现出变频空调反应快、易于控制、节能高效等优势。模糊控制技术在变频空调中的应用能够使空调本身的性能更加完善。本文提出的模糊控制器采用单变量二维结构，以温差及其变化率作为变量。温差变化率的引入可以模糊地反映出环境因素，将之作为变量的控制器能够进一步提升空调的智能水平。

模糊控制器的设计具体包括实测值的模糊化、模糊规则的确定、模糊推理和解模糊化。这里所指的“模糊化”，实质上就是对精确的输入量进行模糊处理，按照输入变量模糊子集的隶属函数找出与之相应的隶属度的过程。在该过程中，输出量常被变化为对应论域上的模糊集合。由于推理所得的结果属于模糊量，无法直接作为控制量使用，所以需要解模糊化，将其转换为清晰的输出控制量，这样才能对控制对象进行有效的控制。

2.3.1 精确量模糊化

通常情况下，可将计算机计算出来的控制量认定为精确量。为实现模糊控制算法，需要对精确量进行模糊化处理，使其转变为模糊量。假定某种语言变量的变化范围为[a1，b1]，经过量化因子k变换后的范围为[ka1，kb1]。同时，论域取离散论域[-n，n]间变化的变量Y，为：

. 按照Y值的大小，查隶属度赋值表，然后将其归类于某一类模糊子集。

2.3.2 模糊控制规则的设计

在模糊控制器的设计中，模糊控制规则的设计是核心部分。模糊控制规则是一种依据人工手动控制经验总结出来的语言描述，因此，借助相关语言对手动控制策略的归纳实质上就是建立控制规则的过程。

3 结束语

综上所述，本文在简要介绍家用空调系统变频模糊控制器发展历程的基础上，论述了基于变频技术的家用空调变频模糊控制器设计。通过模糊控制技术的应用，进一步提升了变频空调的整体性能，这不但有利于空调能耗的降低，还有利于延长空调的使用寿命。

参考文献

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[2]黄贞辉，陈玮，涂建.家用变频空调温度模糊控制算法研究[J].上海理工大学学报，2013（2）：85-86.

[3]张锦荣.变频调速技术与节能应用[J].自动化与仪器仪表，2012（6）：69-70.

〔编辑：王霞〕