模糊控制應用在節能冰箱方面的探究

袁佳星 劉世敏 趙 晨 陳現威 袁洪波

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

引言

從我們國家的節能補貼、家電下鄉、惠民工程等激勵政策中可以看出，節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識的家電產品。電冰箱的能效指數一直在修訂、提高，節能電冰箱的設計開發已由最初的加厚發泡層、使用真空絕熱板(VIP)、使用高效壓縮機的單溫機械控制變為多維度模糊控溫、直流風機、電動風門、變頻壓縮機的智能控制。冰箱節能的方案有很多，但是篩選出性價比高、穩定可靠、節能明顯的方案并非易事。需要化工、電控、制冷等方面的技術人員積極協作，從發泡材料、工藝管路、部件選擇、變頻壓機、模糊控制等方面優化組合，通過實驗數據驗證、改進，確定最終的節能方案。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能冰箱上的應用。

1 冰箱節能方案的構思

企業新開發的三間室獨立循環控溫節能電冰箱，該產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 ℃）。技術上采用了模糊控制及變頻調速控制系統，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合起來，以實現冰箱節能、低噪音的功能。

眾所周知,冰箱3個間室的溫度特性均比環境溫度低，正常使用情況下,熱傳遞的現象避免不了。理論上，單位時間內熱傳遞的熱量，就是壓縮機需要轉移的能量，同時，壓縮機因做功要消耗電能，為實現冰箱的節能，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 —側面積 ；

σ—導熱系數（W/（m·K））；

δ—導熱層厚度；

△t—溫差。

顯而易見，在產品結構、發泡材料一定的情況下，導熱量與溫差成正比。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,可以提高冰箱節能效果。利用模糊控制單片機實現多點控溫，變頻壓縮機優化平穩運行，是我們節能方案的核心。

2 模糊控制系統

模糊控制是智能控制的一個發展方向，它的最大特點是能將操作者或控制經驗和知識表示成語言變量描述的控制規則，然后用這些規則去控制執行系統。 我們這款三門冰箱，有5個溫度傳感器、一個雙控風門、一個直流風機、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，采用多變量輸出控制的模糊系統，這種系統的原理如圖2，由輸入/輸出接口、模糊控制器、傳感器、執行機構等[1]。

1）模糊控制器

模糊控制器是整個系統的大腦，主要作用是選定模糊控制器的輸入信號（間室溫度、環境溫度），并將其轉換為系統可識別的模糊量。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的隸屬度函數。根據專家的經驗建立模糊規則庫。模糊規則庫包含眾多控制規則，是從實際控制經驗過渡到模糊控制器的關鍵步驟。實現基于知識的推理決策，將推理得到的控制量轉化為控制輸出信號（打開/關閉風門、啟動/停止壓縮機、開/停風機）。

2）輸入/輸出接口電路

輸入接口電路設計應從穩定性、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行信號安全、快捷、準確地傳遞給執行機構。接口電路抗干擾性需給予高度重視。實際設計中還要考慮A/D、D/A轉換精度及響應時間等。

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行機構的動作方向、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。該產品我們選用日本北陸生產的傳感器，性能穩定、線性優良。

4）執行機構

這款冰箱的執行機構是變頻壓縮機、電動風門、直流無刷風機、化霜加熱等。單片機每5秒對傳感器的溫度讀取一次，當某一間室傳感器的溫度變化比較大時，單片機輸出信號關閉其他間室的風道，單獨對該間室制冷，以便盡快使該間室溫度達到設定溫度。

圖1 導熱示意圖

圖2 模糊控制系統原理圖

2.1 硬件部分

本系統采用單片機系統進行總體控制，考慮到通用、易用、成本、節能以及調頻的因數，選用RF100LE瑞薩單片機，液晶顯示器驅動芯片采用HT1621B。由于單片機本身具有A/D轉換功能，不需要外加轉換模塊。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，當長時間開冷藏門時，或者忘記關上冰箱門時，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。另外在變頻系統中，由于單片機本身具有變頻調速驅動功能，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計也達到了驅動壓縮機的效果。在壓縮機上選用的是直流無刷電機。

2.1.1 數據采集實現

本系統采用內裝日本北陸的溫度傳感器，參數為：測試溫度范圍為-40～+40℃，標稱阻值R-18℃16.9x(1±2%)kΩ，B 值 -18/25 ℃ 3771x(1±2 %) k，耗散常數為3 MW/℃，時間常數為20 s。在系統中，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轉換功能的I/O口上。

2.1.2 系統電路設計

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

2.2 軟件部分

為了便于整個模糊控制過程的理解，可以參考制冷系統示意圖，見圖4。

模糊控制器的控制規律由計算機程序實現，通過接口程序員將程序燒結至CPU（RF100LE瑞薩）里。通常將模糊控制輸入變量的個數稱為模糊控制的維數。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 制冷系統示意圖

當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,并根據模糊規則,測算出需要的制冷量，結合環境溫度，根據規則，選取變頻壓縮機的工作程序。實現模糊控制策略選擇提高壓縮機電機的轉速，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，根據溫度與設定指標的偏差，決定壓縮機的開停。當變溫室、冷藏室的溫度與設定溫度的差值大于1 ℃時，輸出信號打開風門、風扇運轉，吸取冷凍室的冷量，若冷凍室的溫度與設定溫度的差值大于1 ℃時，開啟變頻壓縮機，按照模糊程序執行壓縮機的變頻程序，直到各間室溫度達到設定要求。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定在設定范圍內，同時，單片機記錄上次開機時各間室溫度設定值與溫度測量值的偏差，在下次開機運行時調整各間室制冷量，以期待多個開停后，實現各間室同時開，實現產品最佳節能效果。由于溫度場本身是個熱慣性較大的實體，所以系統是一個滯后環節。各間室的溫度和間室內的食品的實際溫度有很大差別，因此，冰箱為實現節能的目的，間室內溫度要有模糊推算間室內的食品溫度的功能，以此來確定制冷工況，保證不出現過冷、過熱現象。見圖5。

3 變頻壓縮機的智能運行

變頻系統硬件設計采用采用智能功率模塊+專用MCU實現變頻驅動直流無刷電機。按預定算法實時計算并產生三相SPWM波形數據，經驅動電路去驅動逆變功率開關，完成三相SPWM逆變[2]。硬件系統部分市場上都有現成得模塊，優缺點，顯而易見，這里就不在贅述。下面就以冷藏間室設定溫度比實際溫度高4 ℃（△t=4）、環境溫度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定溫度＞1 ℃。

2）檢測電動風門是否打開。

3）打開風扇電機，高速運行。

4）冷凍間室溫度高于設定溫度1 ℃。

5）單片機發出信號，經過前后的掃描對比，△t=4的溫差，變頻壓縮機60 Hz標準運行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定溫度的所需的制冷量。

6）單片機讀取環境溫度數值t，t＞35 ℃,按高頻73 Hz運轉； t＜35 ℃，按高頻65 Hz運轉。

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定的降溫速率，根據模糊理論，在頻率（20～73 Hz）無級調速；頻率小于50 Hz是，風機低速運行。

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

9）冷藏間室平均溫度與設定溫度的溫差＜1 ℃，關閉冷藏風道口。變溫間室平均溫度與設定溫度的溫差＜1 ℃，關閉變溫風道口。

10）冷凍間室平均溫度與設定溫度的溫差＜-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，各間室溫度與設定溫度的偏差，作為下次開機的參照，適當調整各間室冷量的多少，以期待多個開停后，實現各間室溫度同時開，實現產品最佳節能效果。

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，大量試驗數據印證，低速運行達到設定溫度后停機是節能的。采用智能電動風門分配冷量的單制冷系統與采用電磁閥的雙回路系統相比，便于冷凝器、蒸發器、壓縮機的匹配，便于實現最佳的制冷效果；利用上屬模糊控制的冰箱節能效果明顯，同類產品相比，能效指數提高15 %左右。值得注意的是，利用變頻壓縮機提高產品節能，要避開產品共振的頻點，盡量減少高頻工作的時間，以實現最佳的噪聲效果。