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02变频空调温度智能控制器的设计

变频空调温度智能控制器的设计

摘要

空调器具有优良的空气调节功能，可以创造舒适的环境，从空调器的发展上看，它经历了传统定速到现代调速的转变。

传统空调器是定频定速空调器，压缩机的转速不可调节，因此被控环境温度是波动的，舒适性差。

由于电子技术、微电脑技术、变频技术和控制理论的发展，使空调器的各方面性能大大提高，变频空调取代了传统定频定速空调器，它优异的变频特性，可以快速制冷、制热，同时也具有高效节能、噪音低、舒适度等特点。

通过分析空调器的工作原理可知:

制冷和制热都是利用压缩机将低压低温蒸汽压缩为高压变温蒸汽实现的。

将变频压缩机取代传统定频定速压缩机，对其进行变频调速，可以提高空调器的性能。

将模糊控制技术应用到变频空调器中，在室内侧选择温差和温差变化率作为输入变量，经过模糊推理得出输出变量，即室外侧变频压缩机的供电频率，然后经过室内外串行通讯系统将控制信号传到室外，对压缩机进行变频调速。

本文分析了模糊控制器的基本结构、原理及设计方法，根据建立模糊控制规则的基本思想及实际运行经验，确定了较为合理的模糊控制规则,因此得到了较好的温度模糊控制效果。

本文在硬件上采用了控制性能较优越的Philips公司的80C552单片机。

关键词　变频空调温度模糊控制Philips80C552单片机

DESIGNOFTEMPERATUREINTELLIGENCEAIRCONDITIONERCONTRLLER

Abstract

Theairconditionerhaspreferableabilityofregulatingairsothatitcancreatecomfortableenvironment.Itsdevelopmenthasagreatchangefromtraditioninvariablespeedtomoderntiming.Traditionalairconditioner'swhichthespeedofcompressorisnotregulatable,sothecontrolledtemperaturewillfluctuate.Withthedevelopmentofelectronictechnology,Micro-computertechnology,variablefrequencytechnologyaswellascontroltheory,airconditioner'scapabilitygetimprovedinmanyaspects.Nowadays,theairconditionerwhichhasadvantagesofsavingenergy,lownoise,morecomfortable,hasgoodfeatureofvariablefrequencyandnowithasreplacedtraditionalairconditioner.

Wecanknowthattheregulatingofthetemperatureisrealizedbychangingtheairfromlowtemperaturelowpressuretohightemperaturehighpressureviacompressor.byanalyzingtheoryofairconditioner.Whilethevariablefrequencyairconditionerswhosespeedcanberegulatedreplacethetraditionaloneandimprovethefeatureoftheairconditionergreatly.

Thefuzzycontroltechnologyisappliedinairconditioner.Theinputcomesfromthedifferenceandtheratioofthedifferenceofthetemperaturevarietyindoors,Theoutput,namely,thepowerfrequencyoutsideisdeducedfrominputviausingfuzzycontroltheory.Namelytheoutdoorssidethepowersupplyfrequencyofthecompressor,thenthecontrollingsignalspreadstotheoutdoorsthroughout-indoorserialcommunication,soitcanadjusttospeedofthecompressor.Thispaperanalysesthebasicstructure,theprinciple,andthewayofdesignofthefuzzycontroller.Accordingtothebasicandpracticalrunningexperienceofsettingupfuzzycontrolrule,Sothatcandeduceareasonableruleoffuzzycontrol,wecangetpreferableresultofthetemperaturethefuzzycontrol.

Thehardwareaboutthispaperis80C552ofPhilipssingle-chipcomputer,whichhaspredominantcontrolcapability.

Keywords　variablefrequencyairconditionertemperaturefuzzycontrol

80C552ofPhilipssingle-chipcomputer

摘要……I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2新型智能变频空调控制器的特征2

1.3本课题研究的主要内容3

第2章变频空调模糊控制器的设计4

2.1引言4

2.2模糊控制的概述4

2.2.1模糊控制的一般问题4

2.2.2模糊关系的基本运算规则5

2.3温度模糊控制器的设计6

2.3.1输入变量和输出变量的模糊化6

2.3.2隶属函数的确定8

2.3.3模糊控制规则的确定11

2.3.4模糊关系的推算12

2.3.5采样周期的确定13

2.4本章小节14

第3章单片机硬件系统设计16

3.1单片机系统的扩展16

3.1.1单片机的选择16

3.1.2A/D转换的介绍17

3.1.3存储器的扩展17

3.2温度采集电路的设计18

3.2.1温度传感器AD590的介绍18

3.2.2温度监测电路的设计19

3.3键盘功能及LCD显示系统19

3.3.1矩阵行列式键盘设计19

3.3.2LCD显示系统的设计21

3.4本章小节23

第4章智能变频空调器室内机组控制系统24

4.1引言24

4.2室内机控制系统概述24

4.3电源系统25

4.3.1输入电源滤波电路25

4.3.2电源电压检测电路26

4.3.3直流稳压电源电路26

4.4空调器的保护与故障诊断26

4.4.1空调器的保护功能26

4.4.2空调器的故障自诊断28

4.5本章小结28

第5章变频空调控制器软件的设计29

5.1系统软件的设计29

5.2系统试验29

结论33

致谢34

参考文献35

附录36

第1章绪论

1.1课题背景

空调器具有优良的空气调节功能，可以创造舒适的环境，因此受到越来越多的关注;随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高，空调器的使用比例在不断加大，并成为各行业中不可缺少的物品。

传统空调器中压缩机的转速及供电频率是不可调的，称为定频定速空调器，因此单位时间的制冷量不变。

其温度控制是由温度传感器感受室内温度变化来控制压缩机的运行和停止，风扇则在设定的速度下进行，这样当空调器开机后，制冷（热）系统开始工作，室内温度达到预定值时，压缩机停止工作，但制冷（热）系统会继续向室内将余冷（热）送完，等到室温又回到某个值时，制冷（热）系统又开始工作，如此这样开机、停机，使被控环境温度是波动的，舒适性差。

同时，由于定频定速空调器的压缩机采用单相异步电机，其启动特性决定了压缩机停机间隔必须保证三分钟，即必须在冷媒压力基本平衡以后才能再次启动，也就是在最小负载下启动，不然可能造成启动失败而引起过电流保护。

它的启动电流是额定电流的六倍左右，虽然这一时间很短，但对电源的冲击很大。

传统空调器的不舒适性以及启动电流过人等缺点迫使对空调技术进行研究，以获得更优的效果。

空调器的传统温度控制系统多采用控制理论上称为“乒乓控制”的定值系统，这种系统因温度波动较大而使压缩机工作状态变换频率，损耗较大，制冷功率较差。

电力电子技术和单片机技术的发展，使空调器的温度控制发生了很大的变化。

以单片机为核心的空调器温度控制器，采用了PD调解，构成一个闭环连续控制系统，除了必要时开停制冷（或制热）压缩机外，主要依靠电子膨胀阀来控制制冷或制热介质的流量以达到控温的目的。

由于该系统的被控对象为房间的温度场，它与空调器的进行热交换的工况十分复杂，制约因素太多，系统的数学模型很难确定，而PD调节器参数的整定在很大程度上依赖于精确的数学模型，两者的矛盾很难统一.

近年来，随着电子技术、微电脑技术和控制理论的发展，使空调器的研究、设计、制造取得了长足的进步，尤其反映在控制技术上。

①电力电子器件大力发展，从晶闸管、GTO、GTR到IGBT、IGCT等新型器件的研制成功，开关频率不断提高，能够进行精细控制，并出现集驱动电路和多种保护电路为一体的IPM（智能功率模块）;②微电脑的集成度提高，当今出现的80C552系列单片微处理器和MGLS240128T系列数字信号处理器都有专门的SPWM波形生成器;③模糊理论、人工神经网络、遗传算法、混沌理论等新的控制理论开始应用于空调的控制系统:

④压缩机变频调速技术的实用化。

出现变频压缩机，它通过由微处理器控制的变频器，改变压缩机的供电频率，可达到调节压缩机转速的目的，这就是变频空调器。

它与传统定速空调器有着重要不同:

即变频空调器在运行中压缩机一般是不停机的，变频器精细的调节压缩机的转速，使之始终处于最经济的运行状态，因此具有制冷速度快、起动电流小、室温较稳定、噪音低的特点。

此外，用于调节制冷剂流量的电子膨胀阀的开发成功，以及传感技术的迅速发展也使空调器的控制更加趋于完善，使空调器更加满足人们的需要。

1.2新型智能变频空调控制器的特征

当前，交流变频调速技术已经成为电气调速传动的主流。

变频调速具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便等一系列优点。

将空调器的压缩机换成可以调速的电机，并用变频器来驱动，使在刚启动时，压缩机迅速进入高速运转状态，制冷系统加大制冷量，使被控环境迅速降温:

而当室温到达预定值时，压缩机低速运转，使制冷量维持室温稳定的要求，这样可使空调的能效比提高、节能效果明显、温度恒定、室温调节过程平滑、噪声小、响应速度快，并且能提高制热效果。

变频空调器的变频电源一般采用交-直-交变频器，它通过整流器，平滑滤波环节将工频50Hz单相交流电滤波为直流电，再通过逆变器将直流电逆变成为变压、变频的交流电供给变频压缩机，其频率范围一般在20Hz-120Hz范围内。

由上可知，变频器的关键技术在于逆变的实现，而当前主要采用PWM脉宽调制波控制逆变器中各功率器件的导通与关断，来获得变压变频的交流电源。

传统控制是经典控制和现代控制理论的统称，其主要特征是基于模型的控制。

但由于被控对象越来越复杂，这些复杂性都难以用精确的数学描述（微分方程或差分方程）来描述，此外往往还存在着某些不确定性，不确定性也难以用精确数学方法加以描述，这使得基于精确模型的传统控制就难以解决上述复杂对象的控制问题。

智能控制与经典、现代控制方法相比，突破了传统控制理论中必须基于数学模型框架，它不完全依赖于控制对象的数学模型，具有非线性特性，具有在线辩识、决策或总体自寻能力。

空调技术的目标就是要为人们创造一个舒适的环境，但从室内环境而言，恒温环境并非是卫生和舒适的标准环境。

因为除了温度以外，还有湿度、空气流速、负离子浓度等影响到舒适的程度。

而常规空调系统仅以强度为控制变量采用开-关运行方式实现空气调节系统的恒温控制，这种以温度为变量的运行方式一方面忽略了影响人体舒适感的多因素性，另一方面，由于压缩机频繁的运动和停止，造成压缩机较大的冲击，并造成一定的能量损耗。

事实上人体对温度、湿度等变量的感觉是模糊的，人往往只能感到“温度太高（低）”、“湿度较大（小）”等结论，而大脑对这些变量的“加权”以至最后得出的舒适程度也是模糊的。

因此用模糊智能控制技术对空气调节能使系统具有更好品质。

模糊控制变频空调器是将传感器测定的实际环境状态和空调系统状态与人们所期望达到设定状态进行比较，通过模糊逻辑控制技术使空调器控制系统具有自调整的智能特性，从而得出最佳的动态控制参数，并对空调器的变频电源及各执行单元实施控制，使空调器的工作状态随着人们要求的变化和环境状态而自动变化，迅速、准确地达到人们的要求，并使空调器的工作状态保持在最合理的状态下。

1.3本课题研究的主要内容

该智能变频空调控制器的特点是新型化、智能化、数字化。

本文研究的主要内容有：

1.研究模糊控制器的基本结构，原理及设计的基本方法，并在此基础上提出基于模糊逻辑的智能变频空调控制器，确定温差及温差变化率为输入变量，建立较为合理的模糊控制规则表，最后得出在不同情况下空调变频压缩机的供电频率值。

2.在上面基础上，设计了一套完整的室内智能变频空调温度控制器的方案，对其结构与功能进行了分析，特别是对微处理芯片80C552的特点优越性及应用作了重点研究。

第2章变频空调模糊控制器的设计

2.1引言

20世纪90年代初叶，日本的家用电器生产企业将模糊控制理论和变频调速技术以及先进的传感器技术和微处理技术相结合，成功地开发出模糊控制变频空调器。

它借助于相关的传感技术通过模糊逻辑准确地推断出最佳的运转方式，取代了常规的ON/OFF控制的空调器运转方式。

通过变频调速系统自动地，连续地调整压缩机的功率，使内外风机的速度以及制冷介质流量，实现最佳效能控制。

一般的采用ON/OFF控制的实际应用中，由于空调器自身的结构特点，往往造成室内机的输出比压缩机的输出有一定的滞后，并且室内空气参数的滞后更大，这给温度的调整和控制带来较大的难度，因此，在一定程度上影响了温度控制精度和舒适性的进一步提高。

随着人们生活水平的不断提高，空调器逐步成为人们生活消费的热点之一，舒适，节能，低噪音，合理的价格是人们主要期望指标。

采用模糊控制的变频调速技术是实现上述目标的可行途径，它主要有以下特点：

1室内稳定性好。

通过实时采集温度信息及其变化率，并考虑到其他环境因素所带来的间接影响，利用模糊逻辑自动设定压缩机的工作电源频率和风机的转速，实现较好的温度控制。

2对室温变化反应灵敏，人体舒适性感觉好，能够根据环境条件的变化，快速达到期望的最佳温度控制效果.

3节能效果明显，噪声低。

变频模糊控制方法可以跟据室内冷热的需要量不同，连续地，动态地，实时地使压缩机和风机按需求输出,避免了传统空调器经常开/停的间歇工作方式所带来的”大马拉小车”现象,实现最佳效能控制,降低了噪声.

4由于压缩机不再频繁起动,避免了过电流和堵转现象的出现,减少了压缩机的磨损和振动,延长了使用寿命

.5国产化的空调器,其控制器在达到或接近国外样机的技术性能和可靠性条件下,价格上有较大的优势,提高了国产空调的竞争能力,有较好的经济效益,有推广应用价值.

2.2模糊控制的概述

2.2.1模糊控制的一般问题

一般来说对于控制对象，要求写出确切的数学表达式、传递函数、确定的建模关系后，才能较好的实现自控方式，这也是传统控制理论能够很好的解决的基于固定模型的控制，但这些被控对象没有固定的数学模型，温度就是这样的对象，它的输入与输出量之间是不确定的、多变量的关系，而且随着时间环境的变化这种关系还需要调整，这样就建立不了确定的传递函数，如果用传统的PID控制等去实现就是一件让人头痛的事，而采用模糊控制是最好的一种自控方式，它能较好的解决上述控制的要求。

模糊自动控制是以模糊集合理论‚模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。

模糊控制是一种非线性控制‚属于智能控制范畴。

它能更为近似地反映最佳控制者一人的控制行为，具有很强的鲁棒性和控制稳定性，能够运用于各种不同对象的控制。

模糊控制的控制过程如下：

1.模糊化：

将输入变量及控制量的精确值模糊化，即转化成其对应论域的模糊集，为模糊决策和模糊推理作准备。

2.模糊推理：

模仿人的思维，根据控制经验或专家知识得到的控制规则进行模糊推理，决策出输出控制量。

3.反模糊化：

对模糊控制量表决，把输出的模糊量转化为精确量，用于被控对象。

2-1模糊控制器的基本结构图

2.2.2模糊关系的基本运算规则

模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的。

经典的数学是建立在经典集合基础上的，而模糊数学是建立在模糊集合基础上的，模糊集合也称模糊子集，模糊集合的基本运算规则不同于经典集合的运算规则，一个论域上的模糊集合由隶属函数来表征，隶属函数的取值范围为闭区间[01]，这样模糊集合的关系运算就变成了其对应的隶属函数的关系运算。

常用的运算规则如下：

1.模糊子集的交、并运算

0.6∧0.8=0.6

0.6∨0.8=0.8

2.模糊关系的复合运算

R=Q•S=（r）=（q∩s）

3.模糊向量的笛卡尔乘积、内积、外积运算

笛卡尔乘积：

a×b=a•b

内积a•b=a•b=（a∩b）

外积:

ab=（a∪b）]

2.3温度模糊控制器的设计

通常将模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制的维数。

一般情况下一维模糊控制器用于一阶被控对象，由于这种控制器的维数越高，控制越精细，但维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难，因此目前人们广泛设计和应用的是二维模糊控制器，选取温差和温差变化率作为系统的输入变量。

图2-2模糊变频空调器的控制结构

2.3.1输入变量和输出变量的模糊化

一般情况下，如果把[ab]区间的精确量x,转化为对称区间[-n,+n]区间的离散量y—模糊量，其中n为不小于2的正整数，可根据图2-3所示，容易推出：

=（2-1）

在很多时候要把精确量模糊化到不对称区间，对于这种情况，则可根

据图2-4所示，容易推出如下公式：

=（2-2）

图2-3对称区间模糊化方法图

图2-4不对称区间模糊化方法图

根据以上的两种模糊化方法，我们就可以对本系统中的输入变量和输出变量进行模糊化，具体过程如下：

⑴温差△θ的模糊化

把温度设定值于实测的温度作差，就得到△θ。

在本系统中，把温度控制区分为模糊控制区和稳定控制区，温度模糊控制区的范围为±6℃，超过该范围进入稳定控制区，这时压缩机电机为全速旋转，目的是使实际温度值尽快接近给定的目标值。

在模糊控制区范围内，将△θ分为7个模糊状态：

PB（正的大温差），PM（正的中温差）,PS（正的小温差），0（零温差状态），NS（负的小温差），NM（负的中温差），NB（负的大温差）。

将±6℃的温差[ab]转化为[-33]区间的离散量，即模糊量，则6℃对应于离散量3，4℃对应于离散量2，依次类推。

⑵温差变化率d△/dt的模糊化

将温差的变化率d△/dt定义为前后两次的温度采样差与采样时间之比。

由于温度的变化是比较慢的，根据经验将d△/dt的模糊控制范围定为±0.06℃/s。

d△/dt也分为7个模糊状态：

PB,PM,PS,0，NS,NM,NB。

将±0.06℃/s的变化率[ab]转化为[-33]区间的离散量，则0.06℃/s对应于离散量3.，0.04℃/s对应于离散量2，以此类推。

⑶控制量输出电压的模糊化

由于温度这个被控对象的滞后性较大，而且变化较慢，所以控制量的划分不必要那么精细，为此，与上述输入量相同，将控制量输出电压设定范围为（0-5V）分为4个模糊状态：

PB,PM,PS,0。

将0-5V的输出电压[ab]转化为[03]区间的离散量，则0V对应于离散量0，5V对应于离散量3，以此类推。

2.3.2隶属函数的确定

在确定隶属函数之前，首先应该理解隶属函数曲线形状的选取原则及其对控制性能的影响。

隶属函数的曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高，控制灵敏度也较高；相反，隶属函数曲线形状较缓，控制特性也叫平缓，系统的稳定性较好。

因此在选择模糊变量的模糊集的隶属函数时，在误差较大的区域采用较低分辨率的模糊集，在误差较小的区域采用较高分辨率的模糊集，当误差接近于零时选用高分辨率的模糊集。

从自动控制的角度，希望一个控制系统在要求的范围内都能够很好地实现控制。

模糊控制系统设计时也要考虑这个问题，因此在选择描述某一模糊变量的模糊子集的论域时，要使模糊子集在论域上的分布合理，即它们应该较好的覆盖整个论域。

在定义这些模糊子集时要注意使论域中任何一点对这些模糊子集的隶属度的最大值不能太小，否则会在这样的点附近出现不灵敏区，以至造成失控，使模糊控制系统性能变坏。

各模糊子集之间也有相互影响。

当两个模糊子集交点值大时，模糊控制器的鲁棒性较好，反之，控制灵敏度较高。

基于上述特点，本系统的隶属函数选取如下：

⑴温差△θ隶属函数的选取

综合考虑以上各种因素，同时为了简单方便起见，这里定义隶属函数为等腰三角形

图2-5模糊变量E的隶属函数

根据隶属函数的选取，总结隶属度的取值规律如下：

表2-1模糊变量E的赋值表

-3-2-10123

NB0

0.333

0.3330

0.333

00.333

0.333

⑵温差变化率d△/dt隶属函数的选取

与温差△类似，温差变化率d△/dt隶属函数也定义为等腰三角形。

图2-6模糊变量EC的隶属函数

根据隶属函数的选取，总结隶属度的取值规律如下：

表2-2模糊变量EC的赋值表

-3-2-10123

NB0

0.333

0.3330

0.333

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