模糊控制應(yīng)用在節(jié)能冰箱方面的探究

袁佳星 劉世敏 趙 晨 陳現(xiàn)威 袁洪波

（1.河南新飛制冷器具有限公司 新鄉(xiāng) 453002； 2.河南大學(xué)邁阿密學(xué)院 開封 475000；3.合肥通用機械研究院 合肥 230000）

引言

從我們國家的節(jié)能補貼、家電下鄉(xiāng)、惠民工程等激勵政策中可以看出，節(jié)約資源是永恒不變的主題。2005年3月1日，電冰箱列入首批實施能效標(biāo)識的家電產(chǎn)品。電冰箱的能效指數(shù)一直在修訂、提高，節(jié)能電冰箱的設(shè)計開發(fā)已由最初的加厚發(fā)泡層、使用真空絕熱板(VIP)、使用高效壓縮機的單溫機械控制變?yōu)槎嗑S度模糊控溫、直流風(fēng)機、電動風(fēng)門、變頻壓縮機的智能控制。冰箱節(jié)能的方案有很多，但是篩選出性價比高、穩(wěn)定可靠、節(jié)能明顯的方案并非易事。需要化工、電控、制冷等方面的技術(shù)人員積極協(xié)作，從發(fā)泡材料、工藝管路、部件選擇、變頻壓機、模糊控制等方面優(yōu)化組合，通過實驗數(shù)據(jù)驗證、改進，確定最終的節(jié)能方案。下面就以一款三門無霜冰箱為例，與大家探討一下模糊控制在節(jié)能冰箱上的應(yīng)用。

1 冰箱節(jié)能方案的構(gòu)思

企業(yè)新開發(fā)的三間室獨立循環(huán)控溫節(jié)能電冰箱，該產(chǎn)品的上部為冷藏間室（特性溫度4 ℃）、中間是變溫間室（特性溫度-12 ℃）、下部是冷凍間室（特性溫度-18 ℃）。技術(shù)上采用了模糊控制及變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，將變頻和多維度控溫、各間室均衡制冷對于制冷量的變化需求結(jié)合起來，以實現(xiàn)冰箱節(jié)能、低噪音的功能。

眾所周知,冰箱3個間室的溫度特性均比環(huán)境溫度低，正常使用情況下,熱傳遞的現(xiàn)象避免不了。理論上，單位時間內(nèi)熱傳遞的熱量，就是壓縮機需要轉(zhuǎn)移的能量，同時，壓縮機因做功要消耗電能，為實現(xiàn)冰箱的節(jié)能，我們要盡量減少壓縮機消耗的電能，也就是盡量減少熱傳遞的能量。見圖1。

式中：

A —側(cè)面積 ；

σ—導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K））；

δ—導(dǎo)熱層厚度；

△t—溫差。

顯而易見，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、發(fā)泡材料一定的情況下，導(dǎo)熱量與溫差成正比。在滿足特性溫度要求的前提下，我們盡力減少溫差，減少冷量損失,可以提高冰箱節(jié)能效果。利用模糊控制單片機實現(xiàn)多點控溫，變頻壓縮機優(yōu)化平穩(wěn)運行，是我們節(jié)能方案的核心。

2 模糊控制系統(tǒng)

模糊控制是智能控制的一個發(fā)展方向，它的最大特點是能將操作者或控制經(jīng)驗和知識表示成語言變量描述的控制規(guī)則，然后用這些規(guī)則去控制執(zhí)行系統(tǒng)。 我們這款三門冰箱，有5個溫度傳感器、一個雙控風(fēng)門、一個直流風(fēng)機、一臺變頻壓縮機。影響間室溫度的因素比較多，例如：使用時開門次數(shù)不一樣、存放物品初溫不一樣等等。冰箱運行控制中，被控部件通常具有嚴重的純滯后、時變性、非線性以及存在種類繁多的干擾，為使各間室的溫度波動平穩(wěn)，采用多變量輸出控制的模糊系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的原理如圖2，由輸入/輸出接口、模糊控制器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等[1]。

1）模糊控制器

模糊控制器是整個系統(tǒng)的大腦，主要作用是選定模糊控制器的輸入信號（間室溫度、環(huán)境溫度），并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識別的模糊量。首先，對輸入信號進行滿足模糊控制需求的處理；其次，對輸入信號進行尺度變換；最后，確定各輸入量的模糊語言取值和相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。根據(jù)專家的經(jīng)驗建立模糊規(guī)則庫。模糊規(guī)則庫包含眾多控制規(guī)則，是從實際控制經(jīng)驗過渡到模糊控制器的關(guān)鍵步驟。實現(xiàn)基于知識的推理決策，將推理得到的控制量轉(zhuǎn)化為控制輸出信號（打開/關(guān)閉風(fēng)門、啟動/停止壓縮機、開/停風(fēng)機）。

2）輸入/輸出接口電路

輸入接口電路設(shè)計應(yīng)從穩(wěn)定性、唯一性著手，將真實的溫度輸入信號傳遞給模糊控制器。輸出接口電路將模糊控制器的執(zhí)行信號安全、快捷、準確地傳遞給執(zhí)行機構(gòu)。接口電路抗干擾性需給予高度重視。實際設(shè)計中還要考慮A/D、D/A轉(zhuǎn)換精度及響應(yīng)時間等。

3）傳感器

傳感器是模糊控制器的前沿哨兵，他反映信息的準確性直接影響到執(zhí)行機構(gòu)的動作方向、強度。傳感器可能是脈沖信號或者電平或R阻值等。溫度、濕度傳感器多是一個電阻值。根據(jù)所用溫度范圍，溫度傳感器要選取線性比較好，精度高的。該產(chǎn)品我們選用日本北陸生產(chǎn)的傳感器，性能穩(wěn)定、線性優(yōu)良。

4）執(zhí)行機構(gòu)

這款冰箱的執(zhí)行機構(gòu)是變頻壓縮機、電動風(fēng)門、直流無刷風(fēng)機、化霜加熱等。單片機每5秒對傳感器的溫度讀取一次，當(dāng)某一間室傳感器的溫度變化比較大時，單片機輸出信號關(guān)閉其他間室的風(fēng)道，單獨對該間室制冷，以便盡快使該間室溫度達到設(shè)定溫度。

圖1 導(dǎo)熱示意圖

圖2 模糊控制系統(tǒng)原理圖

2.1 硬件部分

本系統(tǒng)采用單片機系統(tǒng)進行總體控制，考慮到通用、易用、成本、節(jié)能以及調(diào)頻的因數(shù)，選用RF100LE瑞薩單片機，液晶顯示器驅(qū)動芯片采用HT1621B。由于單片機本身具有A/D轉(zhuǎn)換功能，不需要外加轉(zhuǎn)換模塊。同時考慮到電冰箱的控制特性以及精度的要求，本系統(tǒng)選用了采用日本北陸的傳感器進行溫度采集。也由于冰箱的獨特性，當(dāng)長時間開冷藏門時，或者忘記關(guān)上冰箱門時，具有報警功能，同時為了在操作時，確認操作完成，使用了蜂鳴器，便于人機對話，故障判定。另外在變頻系統(tǒng)中，由于單片機本身具有變頻調(diào)速驅(qū)動功能，不需要單獨的控制器，同時使用PS21352智能功率芯片作為變頻器的逆變電路，這樣極簡化了電路設(shè)計也達到了驅(qū)動壓縮機的效果。在壓縮機上選用的是直流無刷電機。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用內(nèi)裝日本北陸的溫度傳感器，參數(shù)為：測試溫度范圍為-40～+40℃，標(biāo)稱阻值R-18℃16.9x(1±2%)kΩ，B 值 -18/25 ℃ 3771x(1±2 %) k，耗散常數(shù)為3 MW/℃，時間常數(shù)為20 s。在系統(tǒng)中，為了保證感溫的精度，在傳感器上連接下拉電阻，以保證輸出電壓0.03 V/度，使其直接連接在單片機的具有A/D轉(zhuǎn)換功能的I/O口上。

2.1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計

在系統(tǒng)電路設(shè)計中選用了RF100LE瑞薩單片機，液晶顯示器驅(qū)動芯片采用HT1621B。為滿足產(chǎn)品符合GB 4343.1、GB 17625.1等電磁兼容標(biāo)準的要求。電路板的設(shè)計要充分考慮抗擾度、騷擾的電磁兼容性、待機功耗等,模糊控制板的結(jié)構(gòu)請參閱圖3。

2.2 軟件部分

為了便于整個模糊控制過程的理解，可以參考制冷系統(tǒng)示意圖，見圖4。

模糊控制器的控制規(guī)律由計算機程序?qū)崿F(xiàn)，通過接口程序員將程序燒結(jié)至CPU（RF100LE瑞薩）里。通常將模糊控制輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)。一般情況下，一維模糊控制器用于一階被控對象，由于這種控制器輸入變量只選誤差一個，它的動態(tài)控制性能不佳。所以，目前被廣泛采用的均為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差的變化值為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。

圖3 模糊控制板實例

圖4 制冷系統(tǒng)示意圖

當(dāng)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，間室溫度較快升高、溫度上升變化率較大。通過高效變頻壓縮機運行3 min，CPU智能分析各間室溫度上升變化率,并根據(jù)模糊規(guī)則,測算出需要的制冷量，結(jié)合環(huán)境溫度，根據(jù)規(guī)則，選取變頻壓縮機的工作程序。實現(xiàn)模糊控制策略選擇提高壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，快速將食品溫度降下來。

電冰箱一般以冷凍室的溫度作為控制目標(biāo)，根據(jù)溫度與設(shè)定指標(biāo)的偏差，決定壓縮機的開停。當(dāng)變溫室、冷藏室的溫度與設(shè)定溫度的差值大于1 ℃時，輸出信號打開風(fēng)門、風(fēng)扇運轉(zhuǎn)，吸取冷凍室的冷量，若冷凍室的溫度與設(shè)定溫度的差值大于1 ℃時，開啟變頻壓縮機，按照模糊程序執(zhí)行壓縮機的變頻程序，直到各間室溫度達到設(shè)定要求。而本電冰箱要同時保證冷藏室、變溫室和冷凍室三個間室的溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，同時，單片機記錄上次開機時各間室溫度設(shè)定值與溫度測量值的偏差，在下次開機運行時調(diào)整各間室制冷量，以期待多個開停后，實現(xiàn)各間室同時開，實現(xiàn)產(chǎn)品最佳節(jié)能效果。由于溫度場本身是個熱慣性較大的實體，所以系統(tǒng)是一個滯后環(huán)節(jié)。各間室的溫度和間室內(nèi)的食品的實際溫度有很大差別，因此，冰箱為實現(xiàn)節(jié)能的目的，間室內(nèi)溫度要有模糊推算間室內(nèi)的食品溫度的功能，以此來確定制冷工況，保證不出現(xiàn)過冷、過熱現(xiàn)象。見圖5。

3 變頻壓縮機的智能運行

變頻系統(tǒng)硬件設(shè)計采用采用智能功率模塊+專用MCU實現(xiàn)變頻驅(qū)動直流無刷電機。按預(yù)定算法實時計算并產(chǎn)生三相SPWM波形數(shù)據(jù)，經(jīng)驅(qū)動電路去驅(qū)動逆變功率開關(guān)，完成三相SPWM逆變[2]。硬件系統(tǒng)部分市場上都有現(xiàn)成得模塊，優(yōu)缺點，顯而易見，這里就不在贅述。下面就以冷藏間室設(shè)定溫度比實際溫度高4 ℃（△t=4）、環(huán)境溫度36 ℃為例,闡述一下模糊控制下，變頻壓縮機的智能運行。其他間室的情況以此類推。

1）單片機檢到冷藏間室溫度高于設(shè)定溫度＞1 ℃。

2）檢測電動風(fēng)門是否打開。

3）打開風(fēng)扇電機，高速運行。

4）冷凍間室溫度高于設(shè)定溫度1 ℃。

5）單片機發(fā)出信號，經(jīng)過前后的掃描對比，△t=4的溫差，變頻壓縮機60 Hz標(biāo)準運行3 min，主控板CPU計算出溫度變化率為-0.25 ℃/min，推出冷藏間室達到設(shè)定溫度的所需的制冷量。

6）單片機讀取環(huán)境溫度數(shù)值t，t＞35 ℃,按高頻73 Hz運轉(zhuǎn)； t＜35 ℃，按高頻65 Hz運轉(zhuǎn)。

7）變頻壓縮機高頻73 Hz運行5 min后，CPU計算出溫度差為1.5 ℃，判斷平均降溫速率是否低于規(guī)定的降溫速率，根據(jù)模糊理論，在頻率（20～73 Hz）無級調(diào)速；頻率小于50 Hz是，風(fēng)機低速運行。

8）判斷各間室的平均溫度與設(shè)定溫度的溫差是否＜1 ℃： 如果各間室的平均溫度與設(shè)定溫度的溫差＜1 ℃，進入7）；如果各間室的平均溫度與設(shè)定溫度的溫差≥1 ℃，進入5）。

9）冷藏間室平均溫度與設(shè)定溫度的溫差＜1 ℃，關(guān)閉冷藏風(fēng)道口。變溫間室平均溫度與設(shè)定溫度的溫差＜1 ℃，關(guān)閉變溫風(fēng)道口。

10）冷凍間室平均溫度與設(shè)定溫度的溫差＜-1.2 ℃時，壓縮機停止運行，否則進入5）。

11）單片機記錄本次開機時，各間室溫度與設(shè)定溫度的偏差，作為下次開機的參照，適當(dāng)調(diào)整各間室冷量的多少，以期待多個開停后，實現(xiàn)各間室溫度同時開，實現(xiàn)產(chǎn)品最佳節(jié)能效果。

圖5 多點控溫的流程框圖

運用多點溫控模糊控制技術(shù)冰箱的耗電量情況如下圖6；相同冰箱不采用多點溫控模糊控制技術(shù)冰箱的耗電情況如下圖7。

圖6 耗電量為1.044 9 kW·h/24 h

圖7 耗電量為1.193 1 kW·h/24 h

4 結(jié)論

變頻壓縮機低速長期運行對于耗電量比較小的冰箱來說，并不省電，大量試驗數(shù)據(jù)印證，低速運行達到設(shè)定溫度后停機是節(jié)能的。采用智能電動風(fēng)門分配冷量的單制冷系統(tǒng)與采用電磁閥的雙回路系統(tǒng)相比，便于冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機的匹配，便于實現(xiàn)最佳的制冷效果；利用上屬模糊控制的冰箱節(jié)能效果明顯，同類產(chǎn)品相比，能效指數(shù)提高15 %左右。值得注意的是，利用變頻壓縮機提高產(chǎn)品節(jié)能，要避開產(chǎn)品共振的頻點，盡量減少高頻工作的時間，以實現(xiàn)最佳的噪聲效果。