基于PID模糊控制器的变频空调控制系统外文翻译资料

 2022-08-09 10:08

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基于PID模糊控制器的变频空调控制系统

摘要:本文设计了变频冷热空调的温度模糊控制器。变频空调控制系统分为室内机和室外机。通过硬件电路设计实现了频率控制,在模糊控制程序中选用了二维温度控制器。提出了一种适用于实时控制的PID模糊控制器。最后通过仿真曲线验证了自整定PID模糊控制器的实用性。结果表明,自整定PID模糊控制器比常规模糊控制方法具有更好的控制性能。

关键词:PID模糊控制器、变频控制、单片机、模糊控制

1、前言

变频空调控制系统控制技术是一门涉及多学科的综合技术。在常规空调温控系统中,利用温度传感器对空调压缩机的运行和停机状态进行检测。风机在设定的转速下工作,将导致受控环境温度波动较大。当压缩机处于全开或全关状态时,由于制冷(热)量的影响,室内温度也有显著的影响,这必然会影响空调的控制精度和舒适性。70年代初,美国加州大学的Zadeh教授(lazadeh)提出了模糊控制的概念[1]。近20年来,模糊控制在工业控制、家用电器等领域取得了长足的发展。模糊逻辑控制的思想常被用来判断与人的判断和感受有关的控制问题、非线性问题以及控制系统难以建立数学模型[2]。将传感器确定的实际环境状态和空调系统状态与人们期望的设定状态进行比较[3],空调控制系统具有模糊逻辑自调整智能控制技术以达到最佳的动态控制参数。

  1. 硬件电路设计

控制系统由室内机电路和室外机电路组成,运行过程由独立空调室内机和室外机组成,其作用是将空调产生的冷热空气送到房间的不同区域。通过上述结构可以均匀地调节室温。空调的操作指令通过室外机控制面板上的红外遥控器和红外接收器的安装,传送到室内机控制面板上的单片机安装[4]。根据装配说明书和温度传感器状态,对风机电机和风门电机进行控制,并与安装在室外机控制面板上的单片机进行通讯。变频空调控制系统结构图如图1所示。

图1、变频空调控制系统结构图

  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组成,如图2所示。远程发射电路的结构以专用集成电路IC1为核心元件,发射键盘的矩阵电路由矩阵开关组成,矩阵开关可以与IC1中的脉冲发生器和键盘中的信号编码器构成键盘命令的输入电路。遥控接收器由安装有光电二极管的专用集成电路IC2构成。当遥控发射器发出的红外光被接收器的光敏管接收时,光信号将被光敏管转换成电信号。

图2、红外遥控器结构图

  1. 油门步进电机控制器

节气门步进电机起着通过调节节气门叶片上下摆动来控制风向的作用,使来自室内的风机的气流能够均匀分布。油门步进电机驱动电路如图3所示。步进电机采用单相驱动方式。步进电机输出端电位高,通过反向驱动放大器ULN2003A后变低,相应的绕组为电气绕组,使步进电机旋转一定角度。根据某些规则[5],步进电机的绕组将分别是电动的。因此步进电机可以连续旋转。

图3、油门步进电机驱动电路图

  1. 室内风机电机的速度控制

将单相交流电动机应用于室内风机电动机上,采用移相电压转换的速度控制方法。通过热力元件检测蒸发器温度和室内温度,并通过软件处理发送到MB89P857的A/D转换器通道。根据以上结果对该芯片进行了PWM控制,然后利用光耦驱动器MOC3021驱动双向可控硅[6]。控制双向可控硅的导通角可以改变输出脉冲的宽度,改变主电路的电压。驱动电路如图4所示。

图4、室内风扇电机控制示意图

单片机的左边是一个相位同步电路。首先从同步变压器得到同步电压,然后用全桥整流电路对同步电压进行整流。同步信号可以在交流正弦电压的过零点产生,过零点是发送到单片机的零相位角点。过零脉冲周期为10ms[7]。根据风机所需转速,计算出相应的电压值和相位控制角,电压与导通角的关系如下:

注:U----输出电压(V);U0---输入电压(V);alpha;----传导角(rad)。

  1. 室外风机电机控制电路

室外风机电机采用变绕组调速方式。电机转速由继电器控制,继电器分为高速、中速和低速三种。速度失速是由冷凝器温度和环境温度的差Delta;决定的Tp和Te在户外。当室外机管道温度与环境温度不一致时,为降低制冷循环压力,室外风机停止运行。风扇电机电路示意图如图5所示。

图5、风扇电机电路示意图

室外机管道温度和室外温度由热元件Rt1和Rt2采集,经单片机PS1和PS2引脚送入A/D转换通道,电机转速由温差Delta;控制。根据速度指令设定或复位单片机的P21、P22和P23。继电器J1、J2和J3由反向驱动继电器ULN2003A驱动,高速、中速和低速分别对应于继电器J1、J2和J3,如图6所示。

图6、继电器控制原理图

当Delta;大于7 C°时,继电器J3通电,J2而J1失电,风扇高速线圈接通,风扇电机高速工作;当约等于3 C°~7 C°时,继电器J2通电,J 1、J 3失电,风扇中速线圈接通,风扇电机中速工作;当prod;小于3 C°时,继电器J 1通电后,J2、J3失电,风扇低速线圈接通,风扇电机低速工作,当prod;约等于0C°时,J 1、J 2、J3均失电,没有线圈通电,风扇电机停止。

  1. 电流检测电路

为了防止过大电流引起电源过载,需要检测电流值,检测电路图如图7所示。

图7、电流检测保护电路

电流互感器的一次侧串入室外电动机交流主电路,交流电流经全桥整流器送入单片机A/D转换口进行转换。若出现过流现象,则由主回路电源的K1继电器切断交流电源,以保护空调。为了防止电流互感器输出电压过高造成电路损坏,在变压器整流后5V以下加入电压钳位二极管D1限制电压。

  1. 模糊控制器设计
  2. 模糊温度控制器原理

将二维模糊控制器应用于模糊温度控制系统中。控制系统的动态结构图如图8所示。模糊控制器的控制过程由以下几个部分组成:(1)模糊。将输入变量的温差(误差)、温度变化率(误差变化)和控制变量u的精确值转化为相应域的模糊集进行模糊推理和决策;(2)模糊逻辑推理。模仿人类思维的特点,根据专家知识或基于控制经验的模糊控制规则,通过模糊推理得到模糊控制的输出结果;(3)抗模糊。模糊逻辑推理得到的模糊控制结果被模糊地表决成作用于被控对象的精确体积。

图8、模糊控制器框图

  1. 模糊变量

模糊控制区温差范围为C°。在整数域-3~ 3中选择量化因子1=eK,温度e的隶属度分配表如表所示。将e分为5种模糊状态:PB(正大温差)、PS(正小温差)、ZO(零温差)、NS(负小温差)、NB(负大温差)。

表一

温差隶属度分配表e

u(e)

-3

-2

-1

0

1

2

3

PB

0

0

0

0

0

0.333

1

PS

0

0

0

0

0.333

0.667

0

ZO

0

0

0.667

1

0.667

0

0

NS

0

0.667

0.333

0

0

0

0

NB

1

0.333

0

0

0

0

0

由于温度变化缓慢,确定了ec的模糊控制范围为温度值的0.06/Csplusmn;°。量化因子在整数域-3~ 3中设置为50=ecK。温度变化率的隶属度分配表如表所示。将ec分为5种模糊状态:PH(正高温变化率)、PL(正低温变化率)、ZO(零温度变化率)、NL(负低温变化率)、NH(负高温变化率)。

表二

温度变化率隶属度分配表ec

u(ec)

-3

-2

-1

0

1

2

3

PH

0

0

0

0

0

0.333

1

PL

0

0

0

0

0.333

0.667

0

ZO

0

0

0.667

1

0.667

0

0

NL

0

0.667

0.333

0

0

0

0

NH

1

0.333

0

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