商用冰箱集成控制系統研究

作者簡介：

魏明楠（1988-）男 河北唐山人，碩士研究生，主要研究方向為機電系統測控技術。

王子文（1956-），男，碩士研究生，教授，主要研究方向為機電控制學。

摘 要：針對目前超市和酒店等大型機構對冰箱的管理與使用存在管理不便、設備采購及使用成本高，且恒溫冷藏、冷凍效果差等問題，提出一種基于CAN總線的冰箱集成控制系統，該系統將所有冰箱的核心控制器的功能集成在一個主控計算機內，對大量的冰箱進行集中控制，通過主控計算機界面對冰箱的運行情況進行顯示。介紹了集成控制系統下冰箱控制系統的硬件構成，以及對實現溫度控制、容霜以及故障報警功能的硬件設備，設計了對系統溫度進行智能控制的Fuzzy-PID控制策略，并對集成控制的軟件進行了仿真分析，該系統能夠簡化冰箱的控制系統結構，降低冰箱設備的使用成本。

關鍵詞：商用冰箱 集成控制 總線 虛擬儀器 溫度控制

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（a）-0000-01

冰箱如今已經作為人們日常生活的必須品深入到人們生活的每個部分，回顧冰箱產品的的發展，從20世紀的90年代以來，冰箱產品的發展越來越快，先后出現了由單片機控制的冰箱以及其它電器設備。目前的冰箱產品多是以家庭為單位，其冰箱做為一個獨立的設備進行設計與制造，同時面向超市、酒店等大型機構的冰箱冷凍設備只是在體積和規模上做的更大，其本質上還是獨立的硬件設備，在控制方式上也采用獨立的控制，對于一個規模比較大的超市來說，需要采購上百臺的冰箱，而每個冰箱的硬件結構都基本相同，都采用基本相同的控制器控制運行，核心控制器和操作面板的成本占冰箱絕大部分，這無疑是一種巨大的浪費。另外，現有的高檔冰箱基本都是由單片機作為控制器，由于單片機的運算速度、存儲容量有限，控制功能少，控制策略簡單、固定，又由于超市、酒店冰柜操作頻繁，很難實現恒溫冷藏或冷凍效果。

針對上述問題，設計一種商用冰箱集成控制系統，該系統基于總線網絡采用普通PC機作為主控計算機，將所有冰箱的控制和顯示等功能集成在主控計算機內，可采用智能控制策略對所有冰箱進行實時控制，將控制的執行元件和傳感器等集成在冰箱內。采用集成控制既可降低控制器的能源消耗，大大降低了冰箱系統的成本，也可采用智能控制，確保冰箱恒溫冷藏、冷凍效果。

1集成控制系統的硬件設計

商用冰箱集成控制系統的硬件結構主要包括：1）主控計算機，主要用于完成冰箱的溫度控制、容霜控制以及故障報警功能。2）CAN總線網絡，主要負責主控計算機與受控冰箱的通訊連接。3）受控冰箱設備，其內部的傳感器信號的采集與壓縮機的控制等功能由STM32單片機完成。系統的主控計算機采用普通運行Windows操作系統的PC計算機，對于計算機配置要求在此不做討論，主要對集成控制系統的通信網絡以及受控冰箱的信號采集及電源等設備進行設計。

1.1 系統內部網絡通信設備

商用冰箱集成控制系統內部通信網絡采用CAN總線，與無線通信方式相比，CAN總線的抗干擾性能具有顯著優勢，能夠保證在外接強電磁干擾環境下的通信穩定性，CAN節點硬件配置可靠，主控節點能夠以廣播的形式發送信息，實時性好。在本次設計時在主控計算機端選用武漢諾比特機器人公司生產的USB-CANV2適配器作為通信設備，下位機冰箱節點選用TJA1050與STM32單片機作為下位機的通信設備[1]。

1.2 冰箱內傳感器與壓縮機控制設備

冰箱內的溫度與濕度的檢測是溫度控制以及容霜控制的基礎，本方案采用AM2303型溫濕度采集模塊作為系統的溫度與濕度傳感器，該傳感器在檢測濕度時的精度能夠達到±2%，在檢測溫度時的精度能夠達到±0.3℃，對與冰箱冷藏室和冷凍是的溫度濕度檢測，這樣的精度完全能夠滿足設計要求。STM32F103RCT6單片機最小系統擁有16通道的12位模數轉換器、7通道的DMA控制器、16位定時器、USART接口、CAN接口（2.0B）和USB2.0全速接口（12 Mbps）等功能接口。其通過內部的定時器TIM1和TIM2可以產生6路帶死區控制的PWM型號，可以直接控制帶有三相直變頻壓縮機的能力[2][3]。

1.3 系統電源模塊

本次設計中STM32單片機的供電電壓范圍為2-3.6V，通常對其供電的電壓為3.3V。溫濕度采集模塊AM2303的供電電壓為5V，同時對冰箱電源開關的控制需要采用繼電器，其供電電壓為24V，綜合考慮后選擇24V為外部電源的供電電壓，其外部供電電源采用愛浦電子生產的WA5-220S24D3型交直流模塊電源，其輸入電壓范圍為AC120-380V，輸出電流為210m。同時設計了24V轉5V電源以及5V轉3.3V電源電路來完成對節點系統的供電。其中24V轉5V 電源通過TPS5430電源轉換芯片完成，其正常最大輸入電流為4A，輸入電壓為5.5V—36V。其最低電壓輸出為1.22V。5V轉3.3V電源的供電電路采用ASM1117抵壓壓差電壓調節器作為轉換工作的控制芯片，其電壓輸出范圍為1.2V-37V，負載穩定電流為800mA，ASM1117也具有電流限制與熱保護能夠長時間穩定運行，同時ASM1117的線性調整率與負載調整率也比標準的固態穩壓器好。

1.4 容霜加熱模塊

本次設計的冰箱容霜模塊，采用電阻絲輔助加熱的方式來加快冰箱的容霜，加熱電阻絲，加熱控制的控制電路由 MOC3021型光電耦合器以及型號為BTA41600B可控硅組成，電阻絲采用 220 V 工頻交流電源供電在需要加熱容霜時，加熱控制端轉換為低電平，電阻絲開始加熱，當化霜停止進入滴水時間時，則改為高電平，電阻絲停止加熱。

2 集成控制系統控制策略及軟件設計

目前使用的商用冰箱，如超市，其在使用時都是大量集中的使用，而單個冰箱采用內部的控制器對冰箱的冷凍或冷藏室的溫度進行獨立控制，為了降低制造成本其控制器一般采用單片機來進行實現，因此，冰箱的溫度控制策略的選擇也受到硬件設備的局限，導致控制效果不是很好[4-6]。本次設計的商用冰箱集成控制系統采用主控計算機對各個子冰箱的冷凍冷藏室溫度進行集中控制，在主控計算機中利用其硬件優勢可以實現較為復雜的控制策略，本次設計對冰箱冷凍冷藏室的溫度控制采用Fuzzy-PID，此控制器采用主控計算機通過軟件的編程的方式實現，Fuzzy-PID的輸入量為溫度偏差E以及溫度偏差的變化EC ，其控制器結構如圖1所示。

圖1 自適應模糊PID控制器結構

根據參數 ， ， 對系統動態特性和靜態特性的影響，模糊控制規則依以下原則制定。

1）若偏差|E|較大，為了加快系統的響應速度，取值如下：

當E<0：EC > 0時， 取較大值， =0， =0值；EC< 0時， 取較大值， 取較大值， =0值。當E>0，EC > 0時， 取較大值， 取較大值， =0值；EC< 0時， 取較大值， =0， =0值。

2） 若偏差|E|處于中等，為了使系統響應的超調量減小，使穩態誤差減小，取值為：

當E<0：EC > 0時， 取中等值， =0， =0值；EC< 0時， 取中等值， 取較大值， =0值。當E>0，EC > 0時， 取中等值， 取較大值， =0值；EC< 0時， 取中等值， =0， =0值。

3） 當偏差|E|較小，為了使系統響應的超調量減小，使穩態誤差減小，取值應為：

當E<0：EC > 0時， 取較小值， =0， 較小值；EC< 0時， 取較小值， 取較大值， 中等值。當E>0，EC > 0時， 取較小值， 取較大值， 中等值；EC< 0時， 取較小值， =0， 較小值。根據以上原則，可以的得到 ， ， 的模糊控制表， ， ， 為采用常規方法整定的PID控制參數則 （1）

（2）

（3）

模糊控制規則如表1、表2、表3所示。

冰箱冷凍冷藏室溫度控制策略采用Fuzzy-PID，其控制器性能通過Matlab的Simulink仿真后結果如下：

表1 KP的模糊控制規則表

E EC

NBNMNSZOPSPMPB

NBPMPSPSZONBNMNS

NMPMPSZOZONBNMNS

NSPSZOZOZONBNMNS

ZOPSPSZOZONSNSNS

PSNBNBZEZOZOZOZO

PMNBNBPSPMPBPBPB

PBNBNSNMZOPBPBPB

表2 KI的模糊控制規則表

E EC

NBNMNSZOPSPMPB

NBNBNBNBNBNBNBNB

NMNBNBNBNBNBNBNB

NSZONSNSNMNBNBNB

ZOPMPMPMPBPMPMPM

PSNBNBNBNMNSNSZO

PMNBNBNBNBNBNBNB

PBNBNBNBNBNBNBNB

表3 KD的模糊控制規則表

E EC

NBNMNSZOPSPMPB

NBNBNSZOPMPMPBPB

NMPMPMPSPMPMPBPB

NSZONSNMPSPSPBPB

ZOPBPSPSPSPSPMPB

PSPBPBPBNBPSPMPB

PMPBPBPBNBPSPMPM

PBPBPBPBNBNBNBNB

冰箱冷凍冷藏室的溫度控制系統模型為 Matlab程序運行后仿真結果如下，模糊PID控制器與普通PID控制的單位階躍相應曲線如圖2所示， 其中PID1為采用擴充臨界比例法確定參數的PID控制器，其超調量 =31%，調節時間 =9500s。PID2為采用階躍曲線法確定參數的PID控制器，其超調量 =23%，調節時間 =11000s，而Fuzzy-PID控制器超調量 =16%，調節時間 =7800s。

圖2 Fuzzy-PID與普通PID的階躍響應曲線

與PID控制器相比，Fuzzy-PID控制器相應相對迅速，調整時間短，更重要的是采用Fuzzy-PID控制器的受控系統能夠迅速穩定，在實際應用中較小的超調量與調整時間能夠有效的降低設備的能耗，并且能快速達到良好的溫度控制效果。

軟件采用LabVIEW軟件開發完成，其主要包括對冰箱的冷凍室和冷藏室的溫度控制，以及冰箱容霜控制和故障報警。受控冰箱的壓縮機驅動控制以及傳感器數據的傳輸控制通過編寫STM32單片機程序完成。CAN總線通信作為上下兩層設備的通信進行傳輸，其中主控計算機為主節點，冰箱設備為子節點，數據的傳輸采用問答的形式。

3結語

集群用冰箱采用CAN總線通訊技術，將所有冰箱的控制功能和控制器集成在主控計算機內，采用Fuzzy-PID控制策略，實現集成控制，通過仿真分析，得出以下幾點結論：1）簡化了普通冰箱的系統結構，大大降低冰箱的制造以及采購成本；2）通過對控制界面的集中顯示，既可以減少從業人員，又便于對大量冰箱設備進行集中監控。3）對冰箱內冷凍室和冷藏室采用模糊控制策略，能夠保證有較小的調整時間，在超市、賓館等開啟冰箱門頻率較高的場合實現冷藏、冷凍室溫度的恒定。

參考文獻

[1].武漢若比特機器人有限公司. USB-CAN適配器說明書[EB/OL]. [2014-10-20] http：//robotell.jdol.com.cn/gongying/2989880.html.

[2].廣州周立功單片機發展有限公司.TJA1050高速CAN 收發器說明書[EB/OL]. [2014-10-20]http：//www.zlgmcu.com/philips/can/tja1050_c.asp.

[3].王永虹，徐煒，郝立平. STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4] 張立國，丁志剛，彭娟春.CAN/GPRS車載網關設計與應用 [J].計算機應用與軟件，2011 （05）：98-101.

[5] 嚴大考，李猛，郭朋彥，等.基于Matlab的智能車軟件系統設計與仿真 [J].計算機應用與軟件， 2014 （01）：256-259.

[6] 陳軼輝，趙樹忠.基于虛擬儀器的比例溢流閥調壓測量系統的設計與實現[J].計算機測量與控制，2012（06）： 1504-1506+1510.