[信息與通信]變頻空調(diào)電氣控制系統(tǒng)的設計

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1、哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文摘要隨著空調(diào)器使用的日益普遍，人們更加重視空調(diào)器性能的提高。變頻式空調(diào)器以能效比高、調(diào)溫快、使用舒適、節(jié)能顯著的特點，一出現(xiàn)就受到人們的青睞，特別是應用了模糊控制技術(shù)，使其顯出更加突出的優(yōu)勢。目前國內(nèi)空調(diào)器市場的競爭日益激烈，若想在激烈的市場競爭中占有一席之地，就必須具有舒適、節(jié)能、能效比高等特點，研制具有低成本的節(jié)能變頻空調(diào)也就成為了未來空調(diào)市場的發(fā)展趨勢。本課題設計了變頻空調(diào)器的電氣控制系統(tǒng)，電控系統(tǒng)的作用是根據(jù)房間溫度的變化以及用戶的要求去控制空調(diào)器的運轉(zhuǎn)部件壓縮機和風扇電機等，使室溫合乎理想要求。電控系統(tǒng)分為室內(nèi)機和室外機兩部分設計。室內(nèi)機、室外機各用一個

2、單片機進行控制，二者通過通訊線進行通訊，以傳遞和交換信息。室內(nèi)機主要包括遙控器信號的接收電路，室內(nèi)溫度的檢測電路，風扇電機控制電路和風門步進電機控制電路等，室內(nèi)機的作用是完成溫度的檢測和溫度的模糊控制運算等，對各部分電路進行控制，把空調(diào)器產(chǎn)生的冷空氣或熱空氣傳到室內(nèi)的不同區(qū)域，實現(xiàn)均勻調(diào)節(jié)房間溫度的目的。室外機包括變頻器電路、風扇控制電路、四通閥控制電路、溫度檢測電路和保護電路等。變頻器電路采用智能功率模塊，利用專用單片機對其進行控制，使變頻電路結(jié)構(gòu)簡潔、性能可靠。室外機的作用是對室內(nèi)機送來的控制信號進行分析，根據(jù)室外機的工作狀態(tài)，通過變頻器對壓縮機轉(zhuǎn)速進行控制，從而達到制冷或制熱功率的調(diào)節(jié)，

3、并對室外風扇電動機、電磁四通閥進行控制，對各種保護電路予以監(jiān)測。然后在硬件電路設計的基礎上，編制了室內(nèi)、外機的系統(tǒng)控制軟件。最后進行了系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試，從而完成整個電控系統(tǒng)的設計。由于室溫控制系統(tǒng)具有大滯后、時變性、非線性等特點，精確數(shù)學模型難以建立，傳統(tǒng)PID控制方法效果差。所以選定模糊控制方案，設計了二維模糊溫度控制器。然后針對常規(guī)模糊控制器主觀性較強的缺點，提出了一種適于實時控制的模糊PID溫度控制器，并通過仿真驗證了這一方法的合理性。關(guān)鍵詞變頻器;模糊控制;PID控制;單片機控制;系統(tǒng)仿真萬方數(shù)據(jù)哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文AbstractWiththeincreasinguseof

4、airconditioner,peoplepaymoreattentiontotheimprovementofairconditionersperformance.Becauseofitshighperformance,variable-frequencyairconditionerbecamepopularassoonasitappeared;especiallyfuzzycontroltechnologyisusedonit.Butthereisnthome-madecompletelyvariable.frequencyairconditioner,withtheeverincreasi

5、ngofairconditionersdemand,itisveryimportanttodesignourownvariable-frequencyairconditioner.Anairconditionerselectricalcontrolsystemisdesignedinthispaper.Itisusedtocontrolcompressorandfanmotortomakeroomtemperaturefitdemandaccordingtotheroomtemperaturesvarietyandusersdemand.Electricalcontrolsystemisdiv

6、idedintoin-roompartandout-roompart.Thetwopartsarecontrolledbysingle-chipcomputer.Theycommunicatewitheachotherthroughonecommunicationline.In-roompartismadeupofremoterreceivecircuit,roomtemperaturedetectcircuit,fanmotorcontrolcircuitandwinddoorsteppingmotorcontrolcircuit.Thefunctionsofthein-roompartin

7、cludetemperaturedetection,temperaturesfuzzycalculationandthecontrolofallthecircuits.Andasaresult,thispartachievesthegoalofregulatingtheroomtemperaturebyputtingcoldorhotairtodifferentpartsoftheroom.Out-roompartincludesfrequencyconverter,fancontrolcircuit，temperaturedetectcircuitandprotectingcircuit.T

8、hefrequencyconvertermakesthecircuitsimpleandreliablebyemployingintelligentpowermoduleandspecialsingle-chipcomputer.Theout-roompartisusedtocontrolthecompressorsspeedviathefrequencyconverteraccordingtothesignalsfromin-roompartandthestatusofout-roompart.Whatsmorethispartalsocontrolsfanmotorandelectrica

9、l-magneticfourpassvalveandmonitorsalltheprotectingcircuits.Basedonthehardwarecircuits,thecontrolsoftwareforin-roomandout-roompartsisalsodesignedrespectively.Finally,thehardwareandsoftwareisdebuggedandthedesignofwholeelectricalcontrolsystemisfinished.Becauseofthecharacteristicsofgreatdelay,timevaryin

10、gandnonlinearity,itisdifficulttogetanaccuratemathematicalmodelforthen萬方數(shù)據(jù)哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文system.ConventionalPIDcontrollercannotworkwell，sofuzzycontroltechnologyisselected.Atwo-dimensionfuzzytemperaturecontrollerisdesignedinthispaper.Consideringthedisadvantagesoftheconventionalfuzzycontroller,areal-ti

11、meadaptivefuzzycontrollerispresented.Thesimulationresultsverifyittobereasonable.Keywordsfrequencyconverter,fuzzycontrol;adaptivecontrol;single-chipcomputercontrol;systemsimulation萬方數(shù)據(jù)III哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文第1章緒論1.1課題背景、來源及研究意義空調(diào)是空氣調(diào)節(jié)器的簡稱，它的作用是通過空調(diào)器對室內(nèi)空氣進行處理，使它的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度達到所需的要求，為人們提供舒適生活條件和為生產(chǎn)工藝提供一定的

12、環(huán)境條件服務?？照{(diào)器一般有冷風型空調(diào)器、電熱冷風型空調(diào)器、熱泵型空調(diào)器幾種。冷風型空調(diào)器只能用于降溫調(diào)節(jié);電熱冷風型空調(diào)器一般是在原冷風型空調(diào)器上進行局部改進，增加電熱部分而成;熱泵型冷熱兩用空調(diào)是目前普遍采用的空調(diào)器。制冷循環(huán)中，低溫低壓的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器處吸收熱量而汽化，經(jīng)壓縮機壓縮成為高壓、高溫氣體，在冷凝器內(nèi)散熱冷凝成液態(tài)制冷劑，然后又經(jīng)毛細管(或膨脹閥)降壓節(jié)流成為低壓、低溫狀態(tài)，如此反復循環(huán)，就可將室內(nèi)的熱量排到室外，并通過室內(nèi)的風扇將冷卻后的空氣均勻地分布到室內(nèi)。制熱時，制冷劑的循環(huán)與此相反。溫度控制技術(shù)是熱泵型冷熱兩用空調(diào)中最主要的控制技術(shù)，一個完整的溫度控制系統(tǒng)主要包括三部

13、分:溫度傳感器、溫度控制器和溫度調(diào)節(jié)器。傳統(tǒng)空調(diào)器的溫度控制是通過溫度傳感器感受室內(nèi)溫度變化來控制壓縮機的運行和停止的，風扇則在設定的速度下工作，這會造成受控環(huán)境溫度變化較大，使人們在使用空調(diào)時仍不斷感受到冷熱的變化。此外，壓縮機的ON/OFF控制方式及空調(diào)器自身的結(jié)構(gòu)特點使室內(nèi)機的輸出與壓縮機的輸出相比有一定的滯后性，而且壓縮機處于全開或全關(guān)狀態(tài)，其制冷(熱)量也對室內(nèi)溫度有較大影響，這些勢必影響空調(diào)的溫度控制精度和舒適性。變頻模糊控制空調(diào)器將傳感器測定的實際環(huán)境狀態(tài)和空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)與人們所期望達到的設定狀態(tài)進行比較，通過模糊邏輯控制技術(shù)使空調(diào)器控制系統(tǒng)具有自調(diào)整的智能特性，從而得出最佳的動態(tài)

14、控制參數(shù)，并對空調(diào)器的變頻電源及各執(zhí)行單元實施控制，使空調(diào)器的工作狀態(tài)隨著人們的要求和環(huán)境狀態(tài)的變化而自動變化，始終保持在較合理的狀態(tài)下變頻模糊控制空調(diào)器對室外機的要求是，壓縮機能根據(jù)室內(nèi)需要的冷(熱)量不同，連續(xù)地、動態(tài)地、實時地調(diào)整其制冷(熱)量。正由于變頻空調(diào)器具有這些優(yōu)點，世界各國廠商都競相開發(fā)研制，但目萬方數(shù)據(jù)前技術(shù)比較成熟的國外廠商的產(chǎn)品普遍存在價格比較高的問題，而國內(nèi)的變頻空調(diào)技術(shù)尚不夠成熟。由于國外廠商變頻空調(diào)器的技術(shù)封鎖，而近年來工用、商用、民用空調(diào)需求不斷增加，特別是需求成高檔化，所以需要國內(nèi)自行研制性能可靠、運行更加平穩(wěn)、功能更強、節(jié)能顯著、噪音小、污染少的變頻空調(diào)器，并

15、使其能夠進入普通消費者的家庭，這就是本課題的背景。本課題題目自擬。意義在于:(1)傳統(tǒng)的空調(diào)器是當溫度達到所要求的范圍時就停轉(zhuǎn)，超出范圍時就重新啟動。工作過程中反復啟停，產(chǎn)生峰值電流，造成污染。采用先進可靠的變頻技術(shù)后，可隨時調(diào)整壓縮機轉(zhuǎn)速，避免了頻繁的起停，消除壓縮機啟動時的尖峰電流，減少對電網(wǎng)的污染。(2)傳統(tǒng)的空調(diào)器不管外界溫度如何，始終保持同一轉(zhuǎn)速。而變頻空調(diào)則采用先進的模糊控制技術(shù)，根據(jù)需要改變轉(zhuǎn)速，溫度波動小，感覺舒服，運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，降低噪音。(3)由于近年來能源供應形勢相當嚴峻，使人們普遍關(guān)注節(jié)約能源，有效利用能源。變頻式空調(diào)真正符合節(jié)能要求，今后必將取代傳統(tǒng)空調(diào)。(4)溫度控制

16、器應用領域廣泛，可以被廣泛用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究和生活等各種領域。(5)利用模糊控制技術(shù)解決由于控制對象尺寸變化大、溫度特性差別大出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀況。(6)通過改良控制算法，使系統(tǒng)具有很強的魯棒性和神制穩(wěn)%,性。.2空調(diào)器控制技術(shù)發(fā)展概況1.2.1空調(diào)器電氣控制技術(shù)發(fā)展概況空調(diào)器的電氣控制技術(shù)是涉及很多學科在內(nèi)的一項綜合性技術(shù)。從傳統(tǒng)的開關(guān)控制發(fā)展到現(xiàn)在的變頻控制，以及模糊智能技術(shù)的應用，空調(diào)器的性能有了很大的提高。從空調(diào)器的電控系統(tǒng)的發(fā)展上看，可分為繼電器一接觸器控制、分立元件的微電子元件控制和專用微電腦芯片控制三個階段tz最初，空調(diào)器的控制電路大都采用選擇開關(guān)、繼電器和接觸器組成。風扇電機

17、的轉(zhuǎn)速由手動的轉(zhuǎn)換開關(guān)直接選擇進行控制，轉(zhuǎn)換開關(guān)接通不同的觸點，風機上相應的轉(zhuǎn)速繞組就得電;壓縮機也是由一個簡單的轉(zhuǎn)換開關(guān)控制電路控制啟停，只是增加了手動的調(diào)溫開關(guān)和冷熱切換開關(guān)。當轉(zhuǎn)換開關(guān)在制冷位置時，由調(diào)溫開關(guān)控制壓縮機的得電與失電，進行制冷;當轉(zhuǎn)換開關(guān)在制熱位置時，由調(diào)溫開關(guān)控制電加熱器的得電與失電，進行制熱。所以，這種控制方式功能簡單，而且使用起來不太方便。20世紀90年代初，在繼電器一接觸器控制線路的基礎上利用電子技術(shù)，發(fā)展了采用集成電路和分立元件相結(jié)合的電控線路，這種電控系統(tǒng)中，壓縮機、風機等負載仍采用繼電器一接觸器供電方式。而其控制部分則采用集成電路和分立元件相結(jié)合的方式組成控制

18、電路，用弱電控制。增加了電子溫度控制、自動除霜、3分鐘延時、過欠壓保護及制冷系統(tǒng)壓力開關(guān)保護等功能，使空調(diào)器的自動控制功能大大提高，工作更為可靠。并且增強了電氣保護功能，如壓力控制器，當排氣壓力過高或吸氣壓力過低時，壓力控制器斷開接點，迫使交流接觸器線圈斷電，使壓縮機停止工作;熱繼電器起過負荷保護作用，確保壓縮機不會因過流而損壞。電子溫控板通過熱敏電阻對溫度進行采樣，轉(zhuǎn)換成電壓值，并通過電壓比較器與溫度設定值進行比較，電壓比較器通過放大電路驅(qū)動相應的繼電器，從而控制壓縮機的運轉(zhuǎn)。目前先進的空調(diào)器己普遍采用微電腦控制技術(shù)，微電腦在空調(diào)器上的應用，使空調(diào)器不但實現(xiàn)了自動化控制，而且還實現(xiàn)了智能化控

19、制，使空調(diào)器的功能有了更大的增加，操作更為簡單，舒適程度進一步提高。微電腦內(nèi)部有微處理器(MPU)，微處理器中的中央處理器具有數(shù)據(jù)處理能力(如算數(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理等)，可以實現(xiàn)復雜的軟件功能。MPU內(nèi)部還含有其它一些功能電路，如A/D轉(zhuǎn)換(模數(shù)轉(zhuǎn)換)電路、定時器/計數(shù)器、SCI(串行通信接口)、PIO(并行接口電路)、顯示器(LED或LCD)驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制輸出電路(PWM)等?？照{(diào)器微電腦控制框圖如圖1-10圖1-1空調(diào)器微電腦控制框圖萬方數(shù)據(jù)哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文從最初的繼電器一接觸器控制、分立的電子元件控制到現(xiàn)在的微電腦控制，對空調(diào)器的控制趨向操作簡易、功能多

20、樣化。同時由于紅外遙控器的使用，使操作更簡單，以及模糊控制理論的應用，使空調(diào)性能越來越可靠，感覺越來越舒適。1.2.2變頻空調(diào)器的產(chǎn)生與發(fā)展傳統(tǒng)空調(diào)器采用開關(guān)控制方式，利用異步交流電機控制壓縮機進行制冷或制熱，這種控制方式有很多缺點和不足:空調(diào)器保持恒溫所采用的措施是利用簡單的感溫裝置來控制溫度。當溫度達到設定溫度時，使壓縮機停止轉(zhuǎn)動，經(jīng)過一段時間之后，由于外部影響使室溫再度升高時，再接通壓縮機電路啟動壓縮機制冷。這樣，壓縮機工作于開關(guān)狀態(tài)，頻繁的起停造成了空調(diào)器的制冷(制熱)的不連續(xù)，室溫有較大的變動差，因此普通空調(diào)使用起來缺乏舒適感;空調(diào)器工作過程中反復啟停，對壓縮機損害較大，產(chǎn)生沖擊電流

21、，造成對電網(wǎng)的污染，會影響到其它用電設備的正常運轉(zhuǎn);而且處于開關(guān)工作狀態(tài)壓縮機耗電量較大。所以近年來出現(xiàn)了變頻空調(diào)，采用了變頻驅(qū)動的空調(diào)器具有溫控精度高、環(huán)境舒適、節(jié)約電能、減小對電網(wǎng)和壓縮機的沖擊等優(yōu)點。變頻式空調(diào)器的工作原理是通過改變壓縮機電動機的電源頻率來達到調(diào)節(jié)壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，從而控制空調(diào)器制冷(制熱)功率的目的。當室內(nèi)需要急速降溫或急速升溫，或室內(nèi)空調(diào)負荷加大時，壓縮機轉(zhuǎn)速可加快，制冷功率(制熱功率)按比例增加;相反，在一般情況下，當室內(nèi)空調(diào)負荷減少時，壓縮機轉(zhuǎn)速可正常運轉(zhuǎn)或減速;在空調(diào)器開機時，室內(nèi)溫度與設定的溫度偏離較大時，變頻以高于工頻的頻率供電，保證空調(diào)器快速啟動，可以使室

22、溫快速達到設定值。而當室內(nèi)溫度與預設溫度接近時，變頻器自動保持壓縮機低速運行以保持恒溫。因此，隨著季節(jié)和晝夜的變化，空調(diào)器的變速運轉(zhuǎn)即可以節(jié)能又可保證房間內(nèi)舒適。因壓縮機采用了比單相電機效率更高的三相電機，且壓縮機長時間不間斷運行，避免了頻繁啟動造成的損耗，所以變頻式空調(diào)具有節(jié)能效果。因壓縮機從20Hz電源頻率軟起動，起動電流小對電網(wǎng)無沖擊，對其它電器也無干擾，對電源電壓及頻率的敏感度也低3變頻式空調(diào)改善了傳統(tǒng)空調(diào)器的不足，變頻式空調(diào)集微電子技術(shù)與新制冷技術(shù)為一體，能效比高、調(diào)溫快、節(jié)能顯著，特別是應用了模糊控制技術(shù)，顯出更加突出的優(yōu)勢。為了滿足廣大用戶的需要和激烈的市場競爭，國萬方數(shù)據(jù)_哈爾

23、濱工業(yè)大學工程碩士學位論文從最初的繼電器一接觸器控制、分立的電子元件控制到現(xiàn)在的微電腦控制，對空調(diào)器的控制趨向操作簡易、功能多樣化。同時由于紅外遙控器的使用，使操作更簡單，以及模糊控制理論的應用，使空調(diào)性能越來越可靠，感覺越來越舒適。1.2.2變頻空調(diào)器的產(chǎn)生與發(fā)展傳統(tǒng)空調(diào)器采用開關(guān)控制方式，利用異步交流電機控制壓縮機進行制冷或制熱，這種控制方式有很多缺點和不足:空調(diào)器保持恒溫所采用的措施是利用簡單的感溫裝置來控制溫度。當溫度達到設定溫度時，使壓縮機停止轉(zhuǎn)動，經(jīng)過一段時間之后，由于外部影響使室溫再度升高時，再接通壓縮機電路啟動壓縮機制冷。這樣，壓縮機工作于開關(guān)狀態(tài)，頻繁的起停造成了空調(diào)器的制冷

24、(制熱)的不連續(xù)，室溫有較大的變動差，因此普通空調(diào)使用起來缺乏舒適感;空調(diào)器工作過程中反復啟停，對壓縮機損害較大，產(chǎn)生沖擊電流，造成對電網(wǎng)的污染，會影響到其它用電設備的正常運轉(zhuǎn);而且處于開關(guān)工作狀態(tài)壓縮機耗電量較大。所以近年來出現(xiàn)了變頻空調(diào)，采用了變頻驅(qū)動的空調(diào)器具有溫控精度高、環(huán)境舒適、節(jié)約電能、減小對電網(wǎng)和壓縮機的沖擊等優(yōu)點。變頻式空調(diào)器的工作原理是通過改變壓縮機電動機的電源頻率來達到調(diào)節(jié)壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，從而控制空調(diào)器制冷(制熱)功率的目的。當室內(nèi)需要急速降溫或急速升溫，或室內(nèi)空調(diào)負荷加大時，壓縮機轉(zhuǎn)速可加快，制冷功率(制熱功率)按比例增加;相反，在一般情況下，當室內(nèi)空調(diào)負荷減少時，壓縮

25、機轉(zhuǎn)速可正常運轉(zhuǎn)或減速;在空調(diào)器開機時，室內(nèi)溫度與設定的溫度偏離較大時，變頻以高于工頻的頻率供電，保證空調(diào)器快速啟動，可以使室溫快速達到設定值。而當室內(nèi)溫度與預設溫度接近時，變頻器自動保持壓縮機低速運行以保持恒溫。因此，隨著季節(jié)和晝夜的變化，空調(diào)器的變速運轉(zhuǎn)即可以節(jié)能又可保證房間內(nèi)舒適。因壓縮機采用了比單相電機效率更高的三相電機，且壓縮機長時間不間斷運行，避免了頻繁啟動造成的損耗，所以變頻式空調(diào)具有節(jié)能效果。因壓縮機從20Hz電源頻率軟起動，起動電流小對電網(wǎng)無沖擊，對其它電器也無干擾，對電源電壓及頻率的敏感度也低3變頻式空調(diào)改善了傳統(tǒng)空調(diào)器的不足，變頻式空調(diào)集微電子技術(shù)與新制冷技術(shù)為一體，能效

26、比高、調(diào)溫快、節(jié)能顯著，特別是應用了模糊控制技術(shù)，顯出更加突出的優(yōu)勢。為了滿足廣大用戶的需要和激烈的市場競爭，國萬方數(shù)據(jù)哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文內(nèi)外各廠商的空調(diào)器在花色品種、多種功能、微電子控制和高效節(jié)能上也有了很大的進步?？照{(diào)器目前的發(fā)展趨勢主要有:自動控制性能的改善，利用模糊控制理論，自動按照室內(nèi)外環(huán)境和用戶的需要，調(diào)節(jié)房間的溫濕度:冷熱兩用，提高制冷(熱)能力，加快房間的制冷(熱)速度;改善氣流和凈化空氣:使運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，降低噪音。除變頻功能外，目前還出現(xiàn)了更高一檔的附加功能，如衛(wèi)星傳感紅外線探測器功能，反映人體表面溫度參數(shù);采用電話遙控開停運行控制;模仿自然風三維供風方式;有的空

27、調(diào)帶有人體感知器，可跟據(jù)室內(nèi)人員的多少及活動量的大小，然后通過風向控制閥調(diào)節(jié)合適的風向及風速，同時可根據(jù)人體的活動量來調(diào)節(jié)室溫411.2.3模糊控制技術(shù)的發(fā)展及研究動態(tài)對于空調(diào)器室溫控制這種對象尺寸變化大、溫度特性差別大的情況，使用傳統(tǒng)的PID控制方法不能取得良好的控制效果。如采用模糊控制技術(shù)對空調(diào)器進行控制就能取得很好的控制效果。模糊控制器是一種語言控制器，有很強的魯棒性和控制穩(wěn)定性。同采用PID控制的變頻空調(diào)相比，模糊控制空調(diào)器具有省電、噪音低和舒適度高等優(yōu)點，具有很好的市場前景。模糊控制的概念是美國加利福尼亞大學著名教授扎德(L.A.Zadeh)在70年代初提出的，20多年來己取得了重大

28、的發(fā)展，應用范圍發(fā)展到從工業(yè)控制到家用電器等各領域。模糊邏輯控制思想適用于理論和經(jīng)驗性推理，通常用于與人類判斷和感覺有關(guān)的控制問題、非線性問題、以及難于建立數(shù)學模型的控制系統(tǒng)。模糊邏輯是一種近似推理邏輯，它使機器具有人類思維若干特點。能夠根據(jù)一系列模糊知識和語句作出決定、判斷和決議。模糊邏輯系統(tǒng)對控制器的描述采用的是模糊語言，而不是數(shù)學方程式。模糊控制可以采用控制專家的復雜而獨到的經(jīng)驗性知識，推導出適當?shù)目刂戚敵?。模糊邏輯控制不象純粹的?shù)學模型那樣精確，但它更容易制作、理解和修改s1近年來，日本興起了模糊控制熱，目前模糊控制已廣泛地應用到模糊電飯煲、模糊洗衣機、模糊微波爐、模糊空調(diào)機、模糊吸塵

29、器等家用電器。并且受到了歡迎。這些產(chǎn)品的明顯優(yōu)勢是功能提高、操作簡便、節(jié)能效果顯著。隨著科學技術(shù)的進步，模糊邏輯和模糊控制技術(shù)的應用會越來越多，越來越廣泛。模糊控制作為智能控制家族中的一員，其發(fā)展前景是廣闊的。近年來研究的三要內(nèi)容是模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡以及兩者結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)方萬方數(shù)據(jù)_面。模糊控制發(fā)展至今，每年世界上都要發(fā)表相關(guān)論文約1000篇，其中大部分研究多是在中國和日本完成的，小部分在歐洲。模糊邏輯商業(yè)化最成功的是日本，日本的國際貿(mào)易和工業(yè)部已經(jīng)建立了兩個主要研究機構(gòu)，一個是國際模糊工程研究實驗室;另一個是模糊邏輯系統(tǒng)研究所。美國工業(yè)界在近幾年不少公司象Eaton,GE.HP,Ro

30、ckwell等，有的己經(jīng)推出，有的正在推出模糊邏輯產(chǎn)品。從大量熱心用戶對Motorola模糊邏輯處理軟件的反映情況來看，越來越多的人和公司認識到這項技術(shù)的商業(yè)價值。1.3主要研究內(nèi)容本課題的任務就是設計一種冷熱兩用的熱泵型分體式房間變頻空調(diào)的模糊溫度控制器，包括控制電路的設計，模糊PID設計控制器，變頻控制器的設計及仿真。根據(jù)本課題任務，將完成以下研究內(nèi)容:1、壓縮機變頻控制主電路設計2,MB89P857實現(xiàn)整個溫度控制器硬件電路3、模糊PID設計控制器4、系統(tǒng)的MATLAB/simulink仿真試驗萬方哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文第2章方案論證變頻空調(diào)由壓縮機、室內(nèi)蒸發(fā)器、室外冷凝器、電磁

31、四通閥、風扇和變頻器及電氣控制系統(tǒng)等組成。分成室內(nèi)機組和室外機組兩部分，室內(nèi)、外機組各用一個單片機進行控制，通過信號線進行通信，以傳遞和交換信號。本章主要對壓縮機電機的變頻控制和室溫的模糊控制方案進行分析。2.1空調(diào)器電控系統(tǒng)總體設計方案室內(nèi)的遙控器發(fā)出的信號(紅外信號)由室內(nèi)機組的單片機接收，室內(nèi)溫度傳感器、室內(nèi)蒸發(fā)器溫度傳感器的信號也發(fā)送到室內(nèi)單片機，單片機通過相應的算術(shù)和邏輯運算發(fā)出控制指令，通過室外單片機對壓縮機轉(zhuǎn)速、室外風機轉(zhuǎn)速和四通閥的開關(guān)進行控制。這樣，室內(nèi)機組和室外機組相配合，發(fā)出連續(xù)的控制信號使空調(diào)器的所有運轉(zhuǎn)功能實現(xiàn)自動控制。室外機組的單片機把室內(nèi)機組的單片機送來的控制信號

32、進行分析，室外溫度傳感器、室外冷凝器溫度傳感器、壓縮機排氣溫度傳感器的信號也發(fā)送到室外單片機，單片機通過運算對壓縮機轉(zhuǎn)速進行控制，從而達到制冷或制熱能力的調(diào)節(jié)，并且對室外風扇電動機、電磁四通閥進行切換控制，對各種安全電路予以監(jiān)測1512.2空調(diào)器壓縮機控制方案空調(diào)器電氣控制系統(tǒng)是通過對壓縮機的控制來實現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)的。壓縮機是空調(diào)器的心臟，是推動制冷劑在系統(tǒng)中不斷循環(huán)的動力。空調(diào)器用的壓縮機一般為活塞式壓縮機，活塞式壓縮機主要有往復式、旋轉(zhuǎn)式和渦旋式等。20世紀80年代中期市場上往復式壓縮機居多，近年來旋轉(zhuǎn)式壓縮機發(fā)展迅速，已占主要地位。相對于往復式壓縮機，旋轉(zhuǎn)式壓縮機具有效率高、可靠性好、體積小

33、、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小。渦旋式壓縮機是一種新型壓縮機，獨特的渦旋結(jié)構(gòu)使它具有效率高、扭矩變化小、振動小、噪音低、零件少、體積重量小的優(yōu)點，顯示出較大的優(yōu)越性。目前絕大多數(shù)中、小型空調(diào)器采用蒸發(fā)一壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng)，從對壓縮機的控制上有CCTXV.CCOT和VDOT三類系統(tǒng)(4萬方數(shù)據(jù)CCTXV(CyclingClutchThermalExpandValve)系統(tǒng):采用熱力膨脹閥來控制制冷劑流量的制冷系統(tǒng)稱為CCTXV系統(tǒng)，這種系統(tǒng)對壓縮機實行通斷控制。CCOT(CyclingClutchOrificeTube)系統(tǒng):與CCTXV系統(tǒng)相同，也采用“通斷控制”，只是阻尼節(jié)流元

34、件采用節(jié)流孔管，與CCTXV系統(tǒng)相比，它能充分發(fā)揮蒸發(fā)器的熱效率，有效防止液擊，簡化系統(tǒng)，降低成本，但采用氣液分離罐，使體積變大。以上兩種系統(tǒng)都采用了壓縮機的通斷調(diào)節(jié)，通斷調(diào)節(jié)的壓縮機轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)，時停時起，對壓縮機的運行很不利，易損傷機件，降低壽命，溫度波動較大。VDOT(VariableDisplacementOrificeTube)系統(tǒng):這種系統(tǒng)采用可變排量的壓縮機，配以減壓固定阻尼元件節(jié)流孔管，稱為可變排量膨脹管節(jié)流系統(tǒng)。它是能夠?qū)崿F(xiàn)對壓縮機連續(xù)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。變排量壓縮機的特點是能根據(jù)吸氣壓力的變化自動調(diào)節(jié)，改變制冷劑流量以適應蒸發(fā)器熱負荷的變化，使蒸發(fā)溫度保持不變。它超越了熱力膨脹閥的

35、調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)范圍更廣。VDOT系統(tǒng)的控制方式正是變頻控制的思路。其特點如下:(1)降低能耗。VDOT控制的是制冷劑的排出量，屬主動調(diào)節(jié)。冷凝壓力隨排量變化，壓縮機不會因克服多余的壓力而白做功，對壓縮機的連續(xù)供電也比斷續(xù)供電要省電。(2)送風溫度波動小，提高舒適性。(3)保護傳動機構(gòu)，延長機械壽命。消除運動部件起、停時產(chǎn)生的慣性力沖擊。本空調(diào)采用排氣量可變的雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式壓縮機，廣泛應用于空調(diào)器中?？照{(diào)器的制冷或制熱能力一般用壓縮機的排氣量來衡量，旋轉(zhuǎn)式壓縮機的理論排氣量為V,=60irlMn(m3/h)(2-1)式中H一氣缸長度或高度(m);A一氣缸工作面積(m2):*壓縮機轉(zhuǎn)速(r/min)

36、e旋轉(zhuǎn)式壓縮機由于考慮氣缸結(jié)構(gòu)和效率等因素的影響，其實際排氣量是理論排氣量和排氣系數(shù)的乘積。Vg一.1V,=60;THAn(m3/h)(2-2)式中，兄一壓縮機排氣系數(shù)。萬方數(shù)據(jù)由此可見，旋轉(zhuǎn)式壓縮機的排氣量和壓縮機的轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系。這就是變頻空調(diào)能夠通過調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)空調(diào)器的制冷或制熱能力的原理。旋轉(zhuǎn)式壓縮機的核心是交流異步電動機，變頻空調(diào)器控制的核心就是采用變頻技術(shù)對壓縮機進行調(diào)速，從而調(diào)節(jié)壓縮機的制冷熱)功率。80年代以來，隨著交流電機調(diào)速控制理論、電力半導體器件、脈沖寬度調(diào)制、以微處理機為核心的全數(shù)字化變頻控制等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，使交流電機調(diào)速系統(tǒng)成為一種典型的機電一體化設備。在

37、過去十幾年中用得較多的變頻調(diào)速系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制和轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制，在一定程度上滿足了工業(yè)應用中的要求，如風機、水泵等。變頻技術(shù)的性能的提高及體積的減小為其在空調(diào)器中的應用提供了可能。本系統(tǒng)的負載是空調(diào)器的壓縮機，壓縮機可看作是恒轉(zhuǎn)矩負載。由于空調(diào)器壓縮機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是為了進行功率調(diào)節(jié)，并不要求太高的調(diào)速精度，為了結(jié)構(gòu)上的簡便，本變頻調(diào)速系統(tǒng)決定采用轉(zhuǎn)速開環(huán)的控制方式。本節(jié)針對這些特性從逆變器主回路、變頻調(diào)速時的機械特性、變頻調(diào)速的控制方式及脈寬調(diào)制的控制策略的角度選擇壓縮機控制方案。2.2.1變頻器主回路方案選擇變頻器先把交流電整流成直流，再逆變，得到頻率可變的交流電源(即交一直一

38、交過程)。按中間直流環(huán)節(jié)對無功功率處理的不同形式，可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器中間儲能(或濾波)環(huán)節(jié)采用大電容，因此電源阻抗小，相當于電壓源;電流型逆變器中間儲能環(huán)節(jié)采用大電感，相當于電流源。從機械特性上看，電壓源逆變器驅(qū)動異步電動機，在電壓一定的條件下得到的機械特性曲線與理論的機械特性曲線很相似，具有較硬的機械特性。電流源逆變器驅(qū)動異步電動機，在電流一定的條件下，其機械特性較軟，隨著轉(zhuǎn)差率s的下降，有功電流增加，但定子電流一定，所以相應的勵磁電流分量就減少，磁通減小，轉(zhuǎn)矩下降151，轉(zhuǎn)矩下降很快不適合壓縮機的恒轉(zhuǎn)矩特性。從以上二者的特點比較看，電壓源逆變器具有較好的帶載能力，機械特性較

39、硬，且采用PWM調(diào)制時動態(tài)響應快，對開關(guān)管的要求低等特點，本系統(tǒng)的負載是空調(diào)器壓縮機電機，它的負載是液態(tài)制冷劑，具有很大的阻尼特性，在減速時由于阻尼的作用，轉(zhuǎn)速會很快降下來，再生能量小，用直流環(huán)_節(jié)的濾波電容吸收即可，所以系統(tǒng)不需采用制動環(huán)節(jié)。所以本裝置的主電路采用電壓型變頻器，在濾波環(huán)節(jié)采用小電感來抑制脈動電流及變頻器上電時的沖擊電流。2.2.2變頻調(diào)速時韻機械特性交流異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為T=凡九I,cos碑(Nm)式中KT一電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)九一每極氣隙磁通(Wb);1,一折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電流(A);cos0,一轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)。(2-3)圖2-1異步電動機轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性及負載組轉(zhuǎn)矩特

40、性圖2-1是異步電動機轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性曲線。曲線I表示定子頻率*=f:時異步電機的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性。轉(zhuǎn)差率s=0時，轉(zhuǎn)矩T=0;在小轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)差率增大時轉(zhuǎn)子電流增加，因而轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差率的增大而近似線形地增大。但當轉(zhuǎn)差率增大到一定的數(shù)值以后，一方面轉(zhuǎn)子電流I,的增大有使轉(zhuǎn)矩增大的趨勢，另一方面，轉(zhuǎn)差率增大使漏抗明顯增大、功率因數(shù)減小，傾向于使轉(zhuǎn)矩減小。因而，異步電機的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性有一個最大值。最大轉(zhuǎn)矩稱為顛覆轉(zhuǎn)矩Tm，如果電動機的負載超過此值，轉(zhuǎn)速將迅速下降直至停機。圖2-1中曲線II為負載的阻轉(zhuǎn)矩特性。曲線I和曲線11的交點I即為定子頻率為Ki時的穩(wěn)定工作點。本空調(diào)器的變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)為開環(huán)

41、系統(tǒng)，即對電機的轉(zhuǎn)差頻率不加控制，則當提高定子頻率時，由于機械慣性的原因，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率幾乎不變，因而轉(zhuǎn)差頻率和轉(zhuǎn)差率均將增大，從而轉(zhuǎn)矩增大。例如，定子頻率由K1提高到K2時，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將由點1增大到點2。于是電動機加速，最后到達新的穩(wěn)定工作點2。同樣，當迅速降低定子頻率時，例如由K1降到K3時，電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將由點1變到點3，出現(xiàn)電機的軸轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速的情況。這時，轉(zhuǎn)差率為負值，電機進入發(fā)電工作狀態(tài)。于是，電機軸上的機械能被轉(zhuǎn)換為電能.根據(jù)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)和控制方法的不同，這個電能或者被反饋到電源中去(再生制動勺或者消耗在外接電阻與主電路中(能耗制動)。因此，電機減速，最后達

42、到新的穩(wěn)定工作點3.由上分析可知，在轉(zhuǎn)差頻率不加控制的頻率開環(huán)系統(tǒng)中，定子頻率不能調(diào)節(jié)得過快，否則將超過顛覆點而停機。在工頻電源下運行的鼠籠式異步電機，啟動電流一般為額定電流的5-6倍，但啟動轉(zhuǎn)矩卻較小。這是由于啟動時轉(zhuǎn)差頻率較高，轉(zhuǎn)子漏抗較大，因而轉(zhuǎn)子功率因數(shù)下降造成的。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，可以低頻啟動，可以提高啟動時轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)，從而增大了每安培轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。因而，即使在重載下啟動，一般啟動電流也只有額定電流的2倍左右。2.2.3變頻調(diào)速的控制方式異步電動機在變頻調(diào)速時，應盡可能使氣隙磁通保持為額定磁通。要保持磁通恒定，在調(diào)節(jié)定子頻率時就必需同時改變定子的端電壓。即當增大定子頻率時

43、必需同時使定子電壓成比例地增加，否則氣隙磁通降低;當降低定子頻率時，必需同時使定子電壓成比例地降低，否則將超過飽和磁通密度而導致勵磁電流過大，使損耗增加甚至損壞電機。也就是說，對電機供電的變頻電源一般要求兼有調(diào)壓和調(diào)頻兩種功能，根據(jù)定子電壓V和定子頻率f的不同比例關(guān)系，將有不同的變頻調(diào)速控制方式，因為壓縮機為恒轉(zhuǎn)矩負載，選擇具有低頻電壓補償?shù)暮銐侯l比控制方式比較適合于壓縮機電機控制。它不需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單，也沒有大量的復雜計算，其調(diào)速性能可滿足要_求。恒壓頻比控制方式是保持Vllf,等于常數(shù)的比例控制方式。中外加電源若為V,，定子產(chǎn)生的反電勢則為E二4.44fN,koo,在異步電機(2-4

44、)如果略去s定子阻抗壓降，則有K、E=4.44人從ko九(2-5)式中.f一定子頻率(Hz);NS一定子每相繞組的匝數(shù);ko比例系數(shù);人一氣隙磁通(Wb)o由公式可知，為保持氣隙磁通近似不變，在調(diào)節(jié)定子頻率的同時必需正比例地調(diào)節(jié)定子外加電壓V，使Vlf=kpru=常數(shù)(2-6)式中k=4.44N,ko是常系數(shù)。按照上述Vlf一常數(shù)的恒壓頻比控制方式下，在低頻時由于定子電阻R,的壓降占的比重增加，即使在轉(zhuǎn)差頻率為很小的情況下，也無法使電機的最大轉(zhuǎn)矩Tm保持恒定。T,_要隨頻率的下降而減小，在低頻時啟動轉(zhuǎn)矩也很小，甚至不能帶動負載。因此，V,lf=常數(shù)的恒壓頻比控制方式只適用于調(diào)速范圍不寬或負載轉(zhuǎn)

45、矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小的場合，如風機、泵類等負載。對于調(diào)速范圍寬的恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載，則希望在整個調(diào)速范圍中維持TQ。不變，亦即按EIf,=常數(shù)(2-7)進行控制。式中Es為定子感應電勢。為了保證T-不變，隨著兒的降低必需適當提高定子電壓V,，以便補償定子電阻R，上的壓降。也就是說，提高定子電壓的目的仍是為保持氣隙磁通恒定，進而保證最大轉(zhuǎn)矩不變。頻率越低，需外加補償電壓越高。在電機的工作頻率超過同步頻率時，也即轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時，如果采用Vhf=常數(shù)的恒壓頻比控制方式進行調(diào)速時，勢必增加外加電壓，并使其超過額定值，這在一般情況下是不允許的。所以同步轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速往往不再使定子電壓升高，而是保持為額定

46、電壓。具體方案是采用轉(zhuǎn)速開環(huán)，恒壓頻比(Vif控制，進行低頻定子壓降補償。額定電壓為220V,額定頻率為50Hz，進行低頻補償前的電壓頻率關(guān)系如下式UA一ufLUA-UANff,如圖2-2中的虛線所示，在15Hz時，2歐姆，取補償電壓U,-=20V，所以如圖中實線所示。UAV3220186娜最大電流為10A,15Hz時偽=86V.電機繞組電阻值為補償后的壓頻曲線1550120圖2-2恒壓頻比控制電機的Vlf曲線f(Hz)在人紅外線發(fā)射圖3-2紅外遙控發(fā)射器結(jié)構(gòu)框圖由指令編碼器轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字編碼指令。在IC1內(nèi)，指令編碼器輸出的編碼指令送到編碼調(diào)制器。在編碼調(diào)制器中，38kHz載頻信號被編碼指

47、令脈沖調(diào)制，形成調(diào)制信號，調(diào)制信號經(jīng)緩沖級至激勵管，由VT1和VT2組成的紅外信號激勵級放大到足夠的功率，去驅(qū)動紅外發(fā)光管，發(fā)出被38kHz調(diào)制信號調(diào)制的紅外線，通過發(fā)射器前端的輻射窗向前方空間發(fā)射。3.2.1.2遙控接收器遙控接收器見圖3-3所示，它是由一塊裝有光敏二極管的接收專用集成電路工C2組成，當遙控發(fā)射器發(fā)出的紅外光被接收器的光敏管接收到時，光敏管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。該電信號通過工C2中的自動增益控制電路和限幅器穩(wěn)定幅度，隨后用38kHz低通濾波器濾出38kHz調(diào)制信號，再經(jīng)檢波器解調(diào)出編碼指令脈沖，然后由整形放大器放大整形，工C2將編碼指令脈沖進行解碼，最后輸出相應信號，使空調(diào)中

48、有關(guān)電路按遙控發(fā)射器的指令進行工作，執(zhí)行相應功能的操作。輸出控制信號光敏I.-一一一一!圖3-3紅外遙控接收器結(jié)構(gòu)框圖3.2.2風門步進電機的控制風門步進電機的功能是使風門葉片上下擺動，起到控制風向的作用，從而使室內(nèi)風扇吹出的風能均勻分布到室內(nèi)的各個部分，風門葉片的控制有自動控制和手動控制兩種，手動控制時可使風門葉片處于固定的位置，使風向朝一個方向。自動控制時，風門葉片將在其擺動范圍內(nèi)上下擺動。風門步進電機的驅(qū)動電路如圖3-4所示。圖3-4風門步進電機驅(qū)動電路示意圖步進電機的驅(qū)動采用單相驅(qū)動方式，驅(qū)動步進電機的輸出端口電位為1時，通過反向驅(qū)動放大器ULN2003A則變?yōu)榈碗娖?，這時相應繞組則得電，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，按照一定的規(guī)律使步連電機各繞組分別得電，步進電機就能連續(xù)轉(zhuǎn)動。正轉(zhuǎn)時步進電機各相通電順序如