一種電冰箱模糊控制系統的研究

儀志恒 郭樹明 王愚若

河南新飛電器有限公司 河南新鄉 453000

1 引言

本文研究對象為三溫區獨立精確控溫的一款節能保鮮電冰箱，冰箱有三個獨立間室，上中下分別為冷藏間室、變溫間室、冷凍間室。其中，冷藏間室的溫度設定范圍是1℃～9℃，變溫間室的溫度設定范圍是-1℃～-16℃，冷凍間室溫度設定范圍是-18℃～-23℃，這樣即能根據不同食物對存放溫度的不同需求來分區存放食物，保證食物的新鮮，又能延長食物的貯藏時間，滿足普通家庭對食品保鮮的需求。

2 模糊控制系統

由于冰箱內的溫度控制與多種因素有關，如：物品放入時的初始溫度、物品的散熱特性、物品的熱容量、物品放滿率及冰箱門是否頻繁開關等。同時，冰箱內的溫度分布極不均勻，無法構建數學模型，為了保證各間室內溫差波動小，達到對食品的較好保鮮效果，同時又能達到節能的目的，此控制系統考慮采用多變量輸出模糊控制技術。模糊控制系統是一種非線性的數字控制系統，其一般結構如圖1所示。模糊控制系統一般分為以下幾個組成部分：

（1）模糊控制器：控制器為整個系統的大腦，一般選用工控機、可編程控制器或單片機等作為硬件系統?？刂破鞯闹饕ぷ魇窍葘斎肓窟M行模糊化，然后通過模糊關系運算，最后對模糊決策結果的去模糊化處理等。控制器的設計水平在一定程度上決定了一套模糊控制系統的優劣。

（2）I/O（輸入/輸出）接口電路：輸入輸出接口電路由控制系統前端A/D轉換和后端D/A轉換等兩組信號轉換電路。A/D轉換是把模擬信號轉變為數字信號，即將前端傳感器檢測到的模擬量（即控制系統的判斷依據，比如溫度等，一般為1～5V電壓信號或4～20mA電流信號）轉換成數字量（即0或1的不同組合），然后控制器對轉換過的數字量按照模糊運算程序進行運算；D/A轉換把控制器運算過的數字量轉換成模擬量（即控制系統需要進行的操作，比如電機運行等，一般為4～20mA電流信號）。在實際應用中需要考慮A/D、D/A的轉換精度、時間等。

圖1 模糊控制系統圖

（3）傳感器：傳感器是一種能夠將被測量按照一定方式變換為可用信號的裝置。它是一種測量裝置，可能是物理量，也可能是化學量或生物量等，然后將其轉換為電信號。比如測量溫度、濕度等。為保證整個系統控制精度的要求，在實際應用中應考慮傳感器的精度，以便達到整個系統的可靠穩定。

（4）廣義對象：執行機構和被控對象是廣義對象的兩個組成模塊。比如脈沖電磁閥、步進電機、可控硅、繼電器等都屬于執行機構。被控對象有多種方式，線性的、非線性的、不變的、可變的等。需注意的是，被控對象要根據實際情況來選用模糊控制或精確控制方案，不能排斥可以精確控制的被控對象。

圖2 控制電路框圖

圖3 制冷系統循環圖

為解決各間室獨立制冷循環的溫度控制問題，本產品設計是提出采用一進三出電磁閥分別單獨對冷藏間室、變溫間室、冷凍間室的制冷工況進行控制，由于在制冷系統中采用一進三出電磁閥，可以保證單獨對冷藏間室、變溫間室、冷凍間室的制冷工況進行控制，并且在各個間室內放置溫度傳感器，隨時測量間室溫度，當某一間室的溫度與預期的溫度有較大的差別時，就可以對該間室單獨進行制冷或關閉制冷。

為達到對食品較好的保鮮效果，要求冰箱制冷波動平穩，各個間室溫差范圍小，同時為了達到節能的效果，本產品采用變頻壓縮機與多變量模糊控制策略相結合，通過測量冰箱所處狀態的各種變量，經過模糊控制計算后，控制變頻壓縮機的開停，使冰箱達到穩定的制冷效果,同時防止了因壓縮機的頻繁開停而造成的電能浪費和運行噪聲。將壓縮機電機的運行轉速從1600～4200rpm分為5檔變速（低速，較低速，中速，較高速，高速），這己能滿足實際應用的要求。在對速度進行調節時，某些頻率會與冰箱產生共振，從而產生高于設計要求的噪聲問題，因此在設計中要避開共振頻率。

2.1 控制系統的硬件部分

控制系統的硬件部分由感溫裝置、控制電路、變頻器以及變頻壓縮機組成，其中感溫裝置為溫度傳感器，控制電路以單片機為核心，變頻器由整流器、濾波器、驅動電路、保護電路以及控制器組成，壓縮機選用無刷直流壓縮機。控制電路框圖和制冷循環圖如圖2、圖3所示。

在冰箱模糊控制的設計上，根據各個間室傳感器檢測到的溫度、開門時間、環境溫度，多目標模糊控制系統推理各間室內的食品溫差與對各間室的溫差、溫度變化率、預制冷修正系數之間的模糊對應關系，調節各間室制冷的先后順序、時間長短和壓縮機輸出制冷量的大小，從而達到減小食物溫度波動，對食物較好的保鮮功能，取得良好的制冷效果。電冰箱各間室溫差的多目標模糊控制框圖，如圖4所示。

預制冷模糊控制策略推理預制冷修正系數與開門時間、環境溫度之間的模糊對應關系，對間室內的食品溫差進行修正，解決因預制冷產生溫度波動的問題。當用戶頻繁開冷藏間室、變溫間室、冷凍間室的門或者放入較高溫度的食物時，間室溫度上升變化率較大，通過預制冷模糊控制策略輸出的溫度修正系數進行修正，實現模糊控制策略選擇提高壓縮機電機的轉速，將食品溫度快速降下來，將食品養分鎖定，達到更好的食品保鮮效果。

采用變頻壓縮機可以保證制冷的平穩。模糊控制系統控制的變頻壓縮機在各個間室同時需要制冷時可以以較高轉速運轉，當間室溫度與預期的溫度之間有較大的溫差時，變頻壓縮機以較高的轉速運轉，保證較快達到預期的溫度，當快要達到設定溫度時，變頻壓縮機降低轉速，減小冷量輸出，保證壓縮機不頻繁的開機，降低開機頻率造成的能耗損失。

2.2 控制系統的軟件部分

控制系統的軟件部分采用多目標模糊控制技術對冰箱的制冷工況狀態進行控制。各間室內的溫度傳感器實時采集其對應間室內部的溫度與設定溫度的溫差及溫度變化率，將其輸入對各間室內食品溫度進行初判的模糊推理規則運算器，推算出各間室內的食品溫度與設定溫度的溫差初判值（以下簡稱食品溫差初判值）。

控制系統將實時采集各間室的開門時間、環境溫度，并將它們輸入用于對其間室內食品溫度的初判值進行修正的模糊推理規則運算器，推算出各間室內的食品溫度與設定溫度的溫差的修正值（以下簡稱食品溫差修正值）。

將各間室的食品溫差初判值與食品溫差修正值輸入其對應的算法器，得出各間室內的食品溫度與設定溫度的溫差值（以下簡稱食品溫差）。

將各間室的食品溫差值輸入多目標模糊推理規則運算器，將得出的運算結果經過反模糊化，得出相應的精確控制值，包括各間室的獨立循環制冷系統中的電磁閥的開閉、壓機的開停及其轉速的調整?？梢岳斫鉃?，多目標模糊控制系統控制電路和軟件對連續的多目標輸入信號進行模糊控制推理分析，輸出開關量——控制壓縮機的開停及輸出連續量——控制變頻壓縮機的速度調節、以及輸出開關量——控制各間室制冷回路中的電磁閥的開關。

如果用戶剛在冰箱的某個間室內放入較多食物或者傳感器采集到的溫度與用戶設定溫度的的溫差出現較大正偏差且溫度變化率是負的較大，多目標模糊控制系統經模糊推理運算后輸出控制壓縮機立即開始工作對該間室進行制冷。由于采用變頻調速系統，軟件控制壓縮機用較高的速度運行，在該間室的溫度出現較大的上升波動前就可以很快使該間室的制冷溫度降到用戶設定溫度。隨著該間室溫度逐漸接近用戶設定的要求，傳感器采集到的間室內溫度與用戶設定溫度的的溫差出現較小正偏差且溫度變化率是正的較大。模糊軟件控制壓縮機逐漸降低轉速，盡量使冰箱內外能量交換達到一個較合理的狀態，同時避免了壓縮機頻繁的開停動作，保證了冰箱各間室內食品儲存溫度的穩定，更好的對食品進行保鮮儲存。

3 結論

此三溫區獨立精確控溫的節能保鮮電冰箱，通過搭建以上系統，從而使各個間室溫度精確、各個間室溫度變化波動小以及各個間室單獨開關，滿足普通家庭對不同食品的保鮮儲存需求，保證食品能過更長時間的儲存，又能滿足節能降噪的目的。

圖4 電冰箱各間室溫差的多目標模糊控制框圖