基于Ｍａｔｌａｂ的变频空调模糊控制研究 方学军 （长江大学工程技术学院 湖北 荆州４３４０２３） 摘要：变频空调的控制策略一直是人们关注的热点问题。文章设计了变频空调的模糊控制方法，结 合传统的ＰＩＤ控制，进行了比较和改进，并用Ｍａｔｌａｂ实现了仿真。 关键词：ＰＩＤ控制；模糊控制；变频空调；Ｍａｔｌａｂ 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 与传统控制方法相比．模糊控制具 有制冷（制热）迅速、控温精确、适应范 围宽、节能等优点。笔者在ＰＩ控制算法 的基础上．探讨了模糊控制在变频空调 中的应用．并分别做了仿真分析 １空调房间的数学模型 图１ ＰＩ控制系统ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真框图 实际的空调房问是具有大的热容 不加微分调节作用．只有当延迟时间较 由于误差较大．压缩机以最高转速 量、多容、有时间延迟的环节，其动态特 大时才需要。工程中常以ｆ 是否大于 （１１０Ｈｚ运行：随着误差的减小，压缩机 性的数学模型应该是一个高阶微分方 ０．２为标准．当大于Ｏ－２时．采用微分调 降低转速：当房间热负荷达到平衡状态， 程。计算比较复杂，建立起来比较困难。 节．如果小于０．２．则不采用微分调节。 压缩机的运行转速也稳定下来 ＰＩ控制 为研究方便．将室温对象用集中参数和 在式２的传递函数中．ｒ／Ｔｏ＝１２０／１８００＝ 下．压缩机的转速变化平稳．房间温度响 带纯滞后的一阶惯性环节表示 以制热 ０．０６７＜０．２．故不需要微分环节 本文采 应的动、静态性能也都很好。 为例．通过调节压缩机的运转频率．控 用位置型ＰＩ控制算法。其表达式为： 制其制热量．从而实现对房间温度的调 ｋ 节 在初始条件为０的情况下．即空调 ｎ（ｋ）＝ ｅ（ｋ）＋ ｅ（ｋ） （３） ｉ＝Ｏ ｝ 房间室内外处于热平衡的状态、压缩机 其中．ｎ为压缩机运转频率：ｋ为采 ５ 、 处于待机状态，则房间的温升Ｔ（ｏＣ）与 样序号；ｅ为误差；ＫＰ为比例系数；Ｋ 为 压缩机运转频率ｎ（Ｈｚ）间的传递函数的 积分系数 形式见式（１）所示。其中’Ｔ为延迟时间 ＰＩ调节器既有比例调节的反应迅 ｛鳓 ｛《ｔ｛＃ 《蟪 （Ｓ）；Ｔｏ为时间常数（ｓ）；Ｉ＜０为放大系数。 速．也有积分调节可以消除静态偏差的 一 一 Ｇ０（ｓ）＝ ＝ ｅ （１） 优点．而且算法简单。但是。由于房间温 ｒ＝１２０ｓ，Ｔｏ＝１８００ｓ，Ｋｏ＝０．３￣Ｃ／Ｈｚ， 度变化缓慢．可能出现长时间偏差较大 删 取＂的情况。会导致积分饱和：另外．压缩机 图２ ＰＩ控制系统仿真结果 则传递函数为： 的正常运行转速也是有一定的范围的． 另外．在仿真过程中．分别修改房间 Ｇｏ（ｓ）＝ ｅ （２） 因此．需要在ＰＩ控制器输出端增加抗积 模型的时间常数和延迟时间．控制性能 分饱和的环节 在较大的范围内仍然稳定 但是若两者 ２ ＰＩ控制 在Ｍａｔｌａｂ下建立Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真框 同时改动．如图３所示．将时间常数改为 传统的ＰＩＤ调节器．是控制系统中 图（见图１） １８０ｓ．将延迟时间改为１２００ｓ．则压缩机 应用最为广泛的一种控制方法．不仅使 设空调房问处于室内外热平衡的 的工作频率波动较大．温度响应也有轻 用方便．对受控对象特性的轻微变化也 初始状态．目标温升为２０℃．施加此阶 微的波动 不敏感．其品质能够满足大多数的 跃输入信号后．得到压缩机运行频率以 ３模糊控制 应用要求 空制系统中常用的有双 及房间温度的响应曲线见图２ 位调节器、Ｐ调节器、ＰＩ调节器等，一般 由图２可见．在控制过程的初期． 模糊逻辑控制（Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎ— 收稿日期：２０１０—０７—１８ ＰＩＯＮＥＥＲｌＮＧ ＷｌＴＨ ＳＣｌＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＭＯＮＴＨＬＹⅣＯ １２ ２０１０ ２０３ 斛技创业晏 ∞吣Ｗ丌 ９口日饪３ ０■ｎＤＧＹ 基于Ｍａｔｌａｂ的变频空调模糊控制研究 小会使系统动态响应过程变长．而Ｋｕ 选择过大会导致系统振荡 、 笔者取Ｋｅ＝Ｋｅｃ＝２，Ｋｕ＝１０。结合Ｅ、 ＥＣ和Ｕ的论域可知．温差与温差变化 率的实际取值范围为［一３，３］℃；输出转 速的实际取值范围为『Ｏ．９０］Ｈｚ．考虑到 压缩机的实际运行转速范围为 ． ｊ糖 ｛驭 臻 一一 『２０，ｌ１０］Ｈｚ，在仿真框图中增加一个常 量“２０” 图３房间模型改变后的仿真结果 图４模糊控制仿真结果 （３）模糊控制规则。本文的模糊控 制规则采用多重“ｉｆＩ．．ａｎｄ…ｔｈｅｎ…”模糊 ｔｒｏ１）简称模糊控制（Ｆｕｚｚｖ Ｃｏｎｔｒｏ１）。是以 模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑 推理为基础的一种计算机数字控制 模 糊控制是属于非线性控制的一种．也属 于智能控制的范畴 模糊控制的最大特 征是．它能把人的控制策略的自然语言 转化为计算机能够接受的算法语言．将 操作者或专家的控制经验和知识表示 成语言变量描述的控制规则．并用这些 规则去控制系统 ３．１变频空调模糊控制器的设计 变频空调模糊控制系统为单变量 二维模糊控制系统 模糊控制器的输入 为室内设定温度ＴＳｅｔ与实际温度ｒｒｒ的 偏差ｅ及其变化率ＣＣ．输出为空调压缩 机的转速ｎ 制冷时的误差为Ｔｒ—ＴＳｅｔ： 制热时误差为ＴＳｅｔ—Ｔｒ 模糊控制器的各 环节确定如下： ｆ１）模糊语言变量论域与隶属度函 数 误差Ｅ和误差变化率ＥＣ以及控制 量Ｕ的模糊集及其论域定义如下： Ｅ、ＥＣ的模糊集均为：｛负大ＮＢ，负 中ＮＭ，负小ＮＳ，零ｚ０，正小ＰＳ，正中 ＰＭ．正大ＰＢ｝；Ｅ、ＥＣ的论域均为：｛～６，一 ４，一２，０，２，４，６｝；Ｕ的模糊集为：｛零ＺＯ， 低Ｌ，中低ＭＬ，中Ｍ，中高ＭＨ，高Ｈ，很 高ＶＨ｝；Ｕ的论域为：｛０，１，２，３，４，５，６， ７，８，９｝。 隶属度函数都取为三角形和梯形 相结合的形式．即两边分别为升半梯形 和降半梯形．其他为三角形。 ｆ２）系统比例因子 量化因子Ｋｅ和 Ｋｅｃ的大小意味着对输入变量“误差”和 “误差变化”的不同加权程度 一般来 说．Ｋｅ选的越大．系统的超调也较大．过 渡过程较长．稳态误差和调节死区越 小：Ｋｅｃ较大时，超调量减小．系统响应 速度变慢 另外．输出比例因子Ｋｕ的大小也 影响模糊控制系统的特性．Ｋｕ选择过 ２０４ 科技创业月刊２０１０年第１２期 条件语句．共有４９条模糊规则ｆ见表 ％ １）。 ｜ ＼ ｛ （４）模糊推理。常用的模糊推理方 法有Ｍａｍｄａｎｉ和Ｓｕｇｅｎｏ．本文采用 Ｍａｍｄａｎｉ型推理．解模糊的方法采用区 １ ＃ 戢；科１０鼬 域等分法（Ｂｉｓｅｃｔｏｒ） ／／ 表１模糊控制规则表 枷 ＥＣ ＮＢ ＮＭ ＮＳ ＺＯ ＰＳ ＰＭ ＰＢ 图５房间模型改变后的仿真结果 ＮＢ ＺＯ ＺＯ Ｌ Ｍ ＭＨ Ｈ ＶＨ ＮＭ ＺＯ Ｌ ＭＬ Ｍ ＭＨ Ｈ ＶＨ ４模糊一ＰＩ复合控制 ＮＳ ＺＯ ＭＬ Ｍ Ｍ Ｈ Ｈ ＶＨ 为了克服模糊控制稳态误差较大 Ｚ０ Ｚ０ ＭＬ Ｍ Ｍ Ｈ Ｈ ＶＨ 的缺点．可以通过增加规则数来提高其 ＰＳ Ｌ ＭＬ Ｍ ＭＨ Ｈ ＶＨ ＶＨ 稳态性能．但是这样又将导致计算过程 ＰＭ Ｌ ＭＬ Ｍ ＭＨ Ｈ ＶＨ ＶＨ ＰＢ ＭＩ． Ｍ ＭＨ Ｈ ＶＨ ＶＨ ＶＨ 变得格外复杂 因此．人们提出了多种 优化、改进的模糊控制算法。比如动态 ３．２变频空调模糊控制仿真分析 积分法、神经网络模糊控制法等。 根据以上的分析．确定变频空调模 模糊控制与ＰＩ控制相结合的控制 糊控制系统．建立Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真框图 方法，即将模糊控制器和ＰＩ控制器的 仿真结果见图４．由图４可见．模糊控制 输出并联，当误差较大时，模糊控制器 比前文所述ＰＩ控制的效果要差一些 起主要作用．当系统趋于稳态工作点 但是．当对房间模型作出修改后．模糊 时．只让ＰＩ控制器发挥作用 从理论上 控制下的房间温度以及压缩机转速的 分析．这种控制器将既有模糊控制器的 波动都很小．明显优于ＰＩ控制．说明了 动态性能好、适应能力强的特点，又有 模糊控制器对被控对象的变化具有更 ＰＩ控制器稳态误差小的优点 好的适应性（见图５） 另外．由仿真结果 模糊一ＰＩ复合控制的ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真 可知．模糊控制下存在一定的稳态误 框图见图６．其中的模糊控制部分直接 差．这是由模糊控制器的自身特点决定 采用前文的模糊控制器．ＰＩ部分的参数 的 因为以误差和误差变化率做为输入 做了适当的调整．以更好地实现模糊控 量的模糊控制器．具有比例和微分控制 制与ＰＩ控制问的切换 仿真结果见图 作用而没有积分控制作用．因此．模糊 ７ 由图７可见．此模糊一ＰＩ复合控制器 控制器很难消除稳态误差 具有优良的稳态性能．达到了与ＰＩ控 图６模糊一ＰＩ复合控制ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真框图 基于无线收发系统的遥控车设计 韩 伟 孙世菊 刘丽华 （北京电子科技职业学院 北京 １０００１６） 摘 要：对无线遥控车电路进行了详细的分析和设计，并给出了各部分电路包括编码电路、解码电 路、发射电路、接收电路的详细电路图，阐述了各部分电路的原理以及电路功能扩展方向。 关键词：无线发射；无线接收；编码；解码 中图分类号：ＴＭ１３ 文献标识码：Ａ 无线收发系统广泛应用于各种场 能也优于调幅波．该遥控车电路设计采 并由锁存电路锁存．锁存信号控制编码 合．通过无线收发系统可以方便的实现 用无线调频收发系统实现．具有较远的 电路进行编码．产生对应控制功能的串 控制信号的无线传输 无线遥控电路比 控制距离和较强的抗干扰性能 行数字编码信号．通过Ｓ０管脚输出不 声控光控电路复杂．控制距离更远．声 本设计的无线遥控车电路具备前 带载波频率的编码信号．该信号可作为 控光控电路一般为几米到十几米的作 进、后退、左转、右转和加速功能，通过 无线遥控的调制信号．调整ＴＸ２芯片 用距离．而无线控制电路视不同的应用 无线发射电路实现对遥控车各种功能 ＯＳＣＯ管脚与ＯＳＣＩ管脚之间的电阻值． 场合可以近到零点几米．也可以远到太 的控制 遥控车电路原理框图见图１．电 可改变载波频率及编码脉冲波形输出 空 该无线遥控车电路系统由发射电路 路通过遥控器采集输入信号．将输入信 ＴＸ２芯片内部结构（见图３）。 和接收电路两部分组成．接收机接收到 号送入编码电路进行编码．编码电路的 发射电路：无线发射电路如图４所 发射机发出的控制信号后促使驱动电 输出信号送入发射电路．调频之后经天 示．ＴＸ２芯片ＳＯ管脚输出的编码信号 路工作．以控制遥控车产生相应动作 线无线发射．接收电路由天线接收到控 送入Ｃ９０１４．由Ｃ９０１４及ＬＣ振荡电路 遥控车电路的发射频率与接收频率必 制信号后先通过接收电路进行鉴频．还 等产生的载波信号受到编码信号的调 须完全相同，以实现信号的无线传输。 原出原来的低频信号．再将低频信号送 制后．经Ｃ９０１８放大．再经天线发射出 调频发射是用固定频率的低频信 入解码电路进行解码．解码后送出相应 去 发射电路调制采用调频方式．常用 号去调制高频发射波的频率．使得高频 的控制信号去控制遥控车的运行状况 的调频方式可分为两大类：直接调频和 发射频率随着低频信号频率产生相应 编码电路结构及原理：编码电路见 间接调频．直接调频是用调制电压直接 的频率偏移 因为调频发射发送的是高 图２。通过ＴＸ２芯片的ＲＩＧＨＴ、ＬＥＦＴ、 去控制载频振荡器的频率．以产生调频 频等幅波．充分利用了高频发射功率． ＢＡＣＫＷＡＲＤ、ＦＯＲＷＡＲＤ、ＴＵＲＢ０管脚 信号 间接调频是保持振荡器的频率不 所以在发射机高频发射功率相同的情 采集遥控器的按键信息．当其中某个管 变．而用调制电压去改变载波输出的相 况下．控制距离比调幅波远．抗干扰性 脚接地后．此脚对应的控制功能选通． 位 函数．模糊一ＰＩ复合控制器兼有模糊控 制与ＰＩ控制的优点，稳态误差小，适应 、 、 能力强 ”。 一 、 参考文献 ， １ 贾少青．陈平．李爱华．基于神经网络的变 』＃ ｌ耪濑 ｛ ＃ 《∞ 搀 ； ； 频空制系统［Ｊ］．计算机测量与控制， ＿ ／ ２００６（１４） ２胡建平．模糊控制技术在暖通空调领域的 糍哟 图７模糊一ＰＩ复合控制仿真结果 图８房间模型改变后的仿真结果 应用综述［Ｊ］．制冷空调，２００５（２６） ３沈霞．杨佳．王君瑞．基于模糊控制的客车 制一样的稳态精度。同时，在改变房间 动也远较同样情况下的ＰＩ控制小。 变频空调温度控制系统的研究［Ｊ］．铁道 模型后，其适应能力也较强（见图８），不 仿真结果表明．通过调整控制器的 机车车辆，２００５（２５） 仅温度的稳态误差小．压缩机转速的波 参数．制定适当的模糊规则以及隶属度 （责任编辑高平） 收稿日期：２０１０—０７—２６ ＰＩＯＮＥＥＲＩＮＧ ＷｌＴＨ ＳＣｌＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮｏＬＯＧＹ ＭＯＮＴＨＬ—ＹⅣｏ．１２ ２０１０ ２０５
