摘 要：在simulink環(huán)境下建立了變頻空調(diào)系統(tǒng)控制模型，并利用參數(shù)自整定模糊控制器進(jìn)行了仿真和分析。 關(guān)鍵詞：變頻空調(diào);模糊控制;參數(shù)自調(diào)整;量化因子;比例因子 Abstract:In this paper the variable frequency air condition‘s control system model is built with simulink,,as well as simulation and analyse is done based on the parcemeter self-adjustable fuzzy controller. Keywords:Variable frequency air-conditioner; fuzzy control; Parcemeter Self-adjustable; Quantitative factor; Scaling factor 0 前言 　　近年來(lái)新出現(xiàn)的變頻空調(diào)正以其節(jié)能舒適等特點(diǎn)逐漸取代定速空調(diào)而走入千家萬(wàn)戶，其控制技術(shù)也在隨著控制理論的發(fā)展和認(rèn)識(shí)的深入不斷進(jìn)行著改進(jìn)和完善。由于空調(diào)系統(tǒng)具有時(shí)滯、時(shí)變及非線性等特點(diǎn)，基于精確模型的經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)都比較困難;而模糊控制則因其具有無(wú)需建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，魯棒性與抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，能很好地適應(yīng)變頻空調(diào)系統(tǒng)的控制要求而得到廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)基于查詢表的常規(guī)模糊控制策略仍存在的系統(tǒng)上升特性不理想、超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)態(tài)誤差較大等方面的不足，為此人們進(jìn)行了多方面的研究[1]。本文在simulink環(huán)境下利用模糊邏輯工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）對(duì)參數(shù)自調(diào)整的模糊控制策略進(jìn)行了深入的探討和分析。 1 變頻空調(diào)系統(tǒng)控制原理圖 　　家用變頻空調(diào)以分體式空調(diào)居多，控制系統(tǒng)有室內(nèi)控制單元和室外控制單元兩部分組成。室內(nèi)控制單元主要完成遙控器信號(hào)的接收、室內(nèi)溫度信號(hào)的采樣、顯示、發(fā)送及控制算法的實(shí)現(xiàn)等控制功能，室外控制單元?jiǎng)t需要完成室內(nèi)機(jī)信號(hào)的接收，壓縮機(jī)的變頻調(diào)速等控制任務(wù)。變頻空調(diào)是根據(jù)室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷大小成比例地改變壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)通過(guò)控制電子膨脹閥的開(kāi)啟度，合理地控制制冷劑的流量，從而使制冷量按比例的增加。[2] 　　采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制策略的系統(tǒng)控制原理圖見(jiàn)圖1，控制器選用誤差和誤差變化率作為輸入量，選用控制器的輸出作為系統(tǒng)的控制量，但比常規(guī)的模糊控制器另外增加了兩個(gè)功能模塊：一個(gè)是系統(tǒng)性能測(cè)量模塊，它由系統(tǒng)的誤差 e，誤差化率 ec 等計(jì)算出表征系統(tǒng)性能指標(biāo)的數(shù)據(jù);一個(gè)是量化因子及比例因子調(diào)整模塊，用來(lái)根據(jù)系統(tǒng)性能測(cè)量模塊的信息適當(dāng)調(diào)節(jié)各因子的數(shù)值。[3] [align=center] 圖1 控制原理圖 Fig.1 Control Principle Chart[/align] 　　大量研究及仿真實(shí)驗(yàn)表明比例因子Ke，Kec和Ku 對(duì)模糊控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性有較大的影響,結(jié)論如下[4][5]： 　?。?）Ke越大，系統(tǒng)的超調(diào)越大，使調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)，過(guò)渡過(guò)程就越長(zhǎng);Ke越小，則系統(tǒng)變化越慢，穩(wěn)態(tài)精度降低。 　?。?） Kec越大，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變化的抑制能力增大，系統(tǒng)的超調(diào)越小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)變化越慢， 　　（3） Ku 增大，相當(dāng)于系統(tǒng)總的放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快。但過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出上升速率過(guò)大，從而產(chǎn)生過(guò)大超調(diào)，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)。當(dāng)Ku 減小時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)減小，但響應(yīng)變慢，穩(wěn)態(tài)精度變低。當(dāng)Ku由大到小取不同值時(shí),系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖2中a,b,c所示。 [align=center] 圖2 不同Ku值的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng) Fig.2 Unit Step Response of Different Ku[/align] 　　事實(shí)上參數(shù)自調(diào)整模糊控制同常規(guī)控制一樣，其動(dòng)、靜態(tài)特性之間存在一定的矛盾。采用固定的參數(shù)難于同時(shí)獲得滿意的動(dòng)靜態(tài)特性，因此，為改善模糊控制器的性能，常常需要根據(jù)系統(tǒng)的誤差和誤差變化等信息對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行在線修正。但如果同時(shí)調(diào)整三個(gè)參數(shù)會(huì)使控制算法過(guò)于復(fù)雜，運(yùn)算量較大，對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)施要求較高。實(shí)際應(yīng)用中常采用是離線整定Ke和Kec，在線調(diào)整Ku 的辦法。[5] 2系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程對(duì)比例因子的要求 　　對(duì)于常見(jiàn)控制系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示，為了分析系統(tǒng)不同響應(yīng)階段對(duì)比例因子的不同要求，如2中所示將響應(yīng)曲線分為oa,ab,bc,cd,de等若干段，分別進(jìn)行說(shuō)明。 　　oa段：即E·EC<0時(shí)，室內(nèi)溫度趨向設(shè)定值，系統(tǒng)響應(yīng)速度應(yīng)越快越好，Ku應(yīng)取較大值;當(dāng)接近a點(diǎn)時(shí)，輸出接近穩(wěn)態(tài)值，為了減小超調(diào)量，Ku應(yīng)有所減小。 　　ab段：即E·EC>0時(shí)， 實(shí)際室溫已超過(guò)設(shè)定值，向偏差增大方向變化，應(yīng)適當(dāng)增大ku，以減小超調(diào)量。 　　bc段：即E·EC<0時(shí)，偏差開(kāi)始減小，系統(tǒng)在控制作用下呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)變化趨勢(shì)，應(yīng)減小ku，避免出現(xiàn)回調(diào)。 　　cd段：即E·EC>0時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)回調(diào)，Ku取值與ab段基本相同。 　　在以后各段偏差不是很大的情況下，Ku可保持一個(gè)小的穩(wěn)定值。 　　從以上的分析中，可看出Ku的確定與偏差及偏差變化率有著密切的關(guān)系，修正過(guò)的比例因子Ku＊與Ku之間的關(guān)系可用表達(dá)式Ku＊=Ku（1+q）來(lái)表示，對(duì)于修正系數(shù)q可采用參數(shù)尋優(yōu)或模糊修正表[4]的辦法確定。為減小運(yùn)算量可根據(jù)尋優(yōu)結(jié)果分段確定一個(gè)固定的q值或?qū)值確定為偏差量的函數(shù)以使控制系統(tǒng)的編程與計(jì)算得到簡(jiǎn)化。 [align=center] 圖3典型系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 Fig.3 Typical Unit Step Response[/align] 3 控制系統(tǒng)模型及響應(yīng)曲線 　　利用MATLAB提供的模糊邏輯工具箱（Fuzzy Logic Toolbox），在simulink環(huán)境下建立的控制系統(tǒng)模型如圖4所示，模型中比例因子調(diào)整模塊由if—else控制流模塊構(gòu)成[6]，延時(shí)環(huán)節(jié)延時(shí)時(shí)間為20秒，系統(tǒng)模型在單位階躍信號(hào)激勵(lì)下的響應(yīng)如圖5所示（圖中橫坐標(biāo)單位為秒）。 [align=center] 圖4 控制系統(tǒng)模型 Fig.4 Control System Model 圖5系統(tǒng)階單位躍響應(yīng)曲線 Fig.5 Unit Step Response of System[/align] 4 結(jié)束語(yǔ) 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文結(jié)合家用變頻空調(diào)實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)只適用于復(fù)雜系統(tǒng)控制的參數(shù)自調(diào)整模糊控制算法的簡(jiǎn)化與分析研究，提出了適用于單片機(jī)等小型控制系統(tǒng)的模糊控制算法，與常規(guī)模糊控制器相比其運(yùn)算量變化沒(méi)有太大變化，因而對(duì)硬件方面影響不大，但從其單位階躍響應(yīng)曲線可以看出系統(tǒng)在上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量等指標(biāo)上均表現(xiàn)出很好的特性，可以較好滿足控制要求。 參考文獻(xiàn)： 　　[1]高宏巖，王建輝.在線自調(diào)整修正因子模糊控制方法和應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006年第22卷第5—1期 　　[2]劉衛(wèi)華.制冷空調(diào)新技術(shù)及進(jìn)展[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004. 　　[3]李國(guó)勇.智能控制及其MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005. 　　[4]馬丙場(chǎng)，倪國(guó)宗.參數(shù)自調(diào)整模糊控制器在中央空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2003年第22卷第2期 　　[5]田國(guó)光.模糊控制器規(guī)則的在線自學(xué)習(xí)[D].北京化工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文，2003 　　[6]李穎，朱伯立，張威.Simulink動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005