家用空調變頻模糊控制器的發展歷程及其設計

柳登峰

摘 要：近年來，隨著人們生活水平的大幅度提升，人們對居住環境的舒適度提出了更高的要求。在這一背景下，空調在住宅中的應用越來越多。在家用空調不斷增多的同時，住宅建筑總體能耗進一步增加，這與國家提倡的節能理念相違背，因此，降低空調能耗十分必要。基于此，首先簡要分析了家用空調系統變頻模糊控制器的發展歷程，然后對基于變頻技術的家用空調變頻模糊控制器設計進行了論述，希望能對空調能耗的降低有所幫助。

關鍵詞：空調；變頻技術；模糊控制器；控制規則

中圖分類號：TM925.12 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.074

1 家用空調變頻模糊控制器的發展歷程

模糊控制又被稱為模糊邏輯控制，屬于非線性控制的范疇。它以模糊集合論、模糊語言變量等理論為基礎，采用非數學廣義世界模型和數學公式模型表示的混合控制過程，將知識作為推理依據，以引導求解過程。20世紀80年代，日本的三菱重工研究開發出了以恒溫為目標的空調變頻模糊控制器，自此正式拉開了空調系統變頻模糊控制的序幕；后來，中國香港的一些專家學者在借鑒前人成功經驗的基礎上，研究開發出了空調系統熱舒適性模糊邏輯控制器；再后來，美國的專家對基于規則的模糊邏輯控制在HVAC系統中的應用進行了實驗研究，提出了建立與校正模糊控制規則的具體方法和途徑，并對模糊控制器的多階繼電器特性進行了分析；1995年，日本日立公司從人體舒適性的角度，利用PMV理論計算方法對列車模糊空調系統進行了仿真實驗研究，根據PMV=0的舒適規則，重新確定了溫度設定值，并用模糊邏輯推理出溫度誤差及其變化率，確定了壓縮機輸出，進而可使車廂內的溫度處于人體感覺最舒適的溫度范圍內；在此之后，中央空調系統開始逐步應用單環PID控制器。單環PID控制器由于結構簡單、操作便捷，因此得到了快速推廣。下面重點對基于變頻技術的家用空調變頻模糊控制器設計進行論述。

2 基于變頻技術的變頻模糊控制器設計

2.1 變頻技術

變頻技術是一種能夠將直流電逆變成不同頻率交流電的轉換技術。利用該技術不僅可以將交流電變成直流電后再逆變成不同頻率的交流電，還可以將直流電變成交流電后再將交流電變成直流電。在變頻的過程中，電能本身并不會發生變化，只是頻率發生了不同程度的改變。將該技術應用于空調系統中，除了能夠達到節省電能的目的之外，還能顯著降低噪聲、減少振動，確保空調的運行穩定性，從而延長空調的使用壽命。

2.2 模糊控制的原理

模糊控制是指將模糊集合論、模糊語言變量、模糊邏輯推理等領域的知識應用于控制方法中，通過模擬人的模糊思維方法，有效控制難以用精確數學模型描述的控制對象。模糊控制器的輸出以控制過程規則為依據，在觀察過程狀態的基礎上推理得出。模糊控制器具體包括三個概念，分別是測量信息、推理機制和輸出模糊集。通常情況下，其構成如圖1所示。

2.3 空調壓縮機變頻模糊控制器的設計

可將常規的家用變頻空調壓縮機的變頻范圍平均劃分為若干個區段，例如將20～120 Hz這一范圍劃分為20段，即以5 Hz為間隔向上或向下調節。雖然這樣劃分之后空調的調節效果有所提升，但并沒有充分展現出變頻空調反應快、易于控制、節能高效等優勢。模糊控制技術在變頻空調中的應用能夠使空調本身的性能更加完善。本文提出的模糊控制器采用單變量二維結構，以溫差及其變化率作為變量。溫差變化率的引入可以模糊地反映出環境因素，將之作為變量的控制器能夠進一步提升空調的智能水平。

模糊控制器的設計具體包括實測值的模糊化、模糊規則的確定、模糊推理和解模糊化。這里所指的“模糊化”，實質上就是對精確的輸入量進行模糊處理，按照輸入變量模糊子集的隸屬函數找出與之相應的隸屬度的過程。在該過程中，輸出量常被變化為對應論域上的模糊集合。由于推理所得的結果屬于模糊量，無法直接作為控制量使用，所以需要解模糊化，將其轉換為清晰的輸出控制量，這樣才能對控制對象進行有效的控制。

2.3.1 精確量模糊化

通常情況下，可將計算機計算出來的控制量認定為精確量。為實現模糊控制算法，需要對精確量進行模糊化處理，使其轉變為模糊量。假定某種語言變量的變化范圍為[a1，b1]，經過量化因子k變換后的范圍為[ka1，kb1]。同時，論域取離散論域[-n，n]間變化的變量Y，為：

. 按照Y值的大小，查隸屬度賦值表，然后將其歸類于某一類模糊子集。

2.3.2 模糊控制規則的設計

在模糊控制器的設計中，模糊控制規則的設計是核心部分。模糊控制規則是一種依據人工手動控制經驗總結出來的語言描述，因此，借助相關語言對手動控制策略的歸納實質上就是建立控制規則的過程。

3 結束語

綜上所述，本文在簡要介紹家用空調系統變頻模糊控制器發展歷程的基礎上，論述了基于變頻技術的家用空調變頻模糊控制器設計。通過模糊控制技術的應用，進一步提升了變頻空調的整體性能，這不但有利于空調能耗的降低，還有利于延長空調的使用壽命。

參考文獻

[1]朱小旺，蔣紹堅.模糊PID控制在變頻空調中的應用[J].微計算機信息，2011（8）：96-97.

[2]黃貞輝，陳瑋，涂建.家用變頻空調溫度模糊控制算法研究[J].上海理工大學學報，2013（2）：85-86.

[3]張錦榮.變頻調速技術與節能應用[J].自動化與儀器儀表，2012（6）：69-70.

〔編輯：王霞〕