摘 要： 在制冷空調系統中采用電子膨脹閥代替傳統的熱力膨脹閥，將為各種調節控制技術的應用提供廣闊的前景。介紹了模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器" 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關鍵詞： 模糊控制器 制冷空調系統 電子膨脹閥
采用蒸汽壓縮式制冷循環的制冷空調系統的制冷量是通過調節制冷劑的循環量來實現的。而制冷劑的循環量通常采用熱力膨脹閥來控制調節，目的是保證制冷量與熱負荷相匹配，使蒸發器出口制冷劑的過熱度穩定在一定范圍內。但熱力膨脹閥感溫系統的熱慣性大，滯后現象嚴重，導致控制系統性能不佳，甚至會出現控制不穩定、失控等現象。
隨著電子膨脹閥的出現，對膨脹閥的開度控制逐步簡便，通過單片機、PC機對制冷系統實行控制是大勢所趨。由于制冷系統具有滯后大、非線性的特點，存在很多不確定的外界因素，很難建立精確的數學模型。目前，控制領域還大量采用PID控制方式。PID參數的選擇及調整不便仍是普遍存在的難題。
模糊控制是近十年來發展最快的一項控制技術，已成功地應用于各種各樣的控制系統中。因為引入了人類的邏輯思維方式，使得模糊控制器具有一定的自適應控制能力，有很強的魯棒性和穩定性，因而特別適用于沒有精確數學模型的實際系統。本文將簡單實用的模糊控制方法引入制冷空調系統中，取得了一定的成果。
1 制冷模糊控制系統原理
制冷模糊控制系統原理圖如圖1所示。
模糊控制器有單輸入單輸出型和兩輸入單輸出型兩種常用型式。為了提高控制精度和速度，我們采用兩個輸入為偏差和偏差變化率及控制變量輸出的兩輸入單輸出控制方式。
輸出所得到的過熱度與設定的過熱度比較，形成反饋回路，其結果誤差e作為模糊控制器的輸入量。誤差e和誤差變化率Δe作為輸入量，經過模糊控制器模糊化成為模糊矢量
和Δ。再由、Δ和模糊關系控制規則
(模糊關系矩陣)，根據推理合成規則進行模糊決策，得到控制量。
2 模糊控制器的設計
模糊控制器的實現是由3部分組成的：實測值的模糊化、模糊關系矩陣的獲取、模糊決策。
2.1 實測值的模糊化
因為在模糊邏輯推斷中運用了語言變量，而模糊控制器的輸入、輸出是確定值，所以要求有模糊化過程——將輸入的確定輸入值變成模糊變量值，以實現調節和控制作用。
設計模糊控制器的第一步是確定語言變量、語言值和隸屬函數。例如：語言變量 “蒸發器出口制冷劑的過熱度”可以取各種語言值，如“過熱度很大”、“很小”、“適中”。那么，多個語言值的集合就構成了語言變量的取值范圍。而一個語言值，如“過熱度很大”，其物理意義則包含了模糊信息，可以用一個隸屬函數來描述。隸屬函數有多種形式，實際控制系統中常用三角形、梯形和Singleton來作為隸屬函數。
本文涉及的模糊控制器有兩個輸入信號和一個輸出信號，分別為：
(1)輸入語言變量之一，記為，是蒸發器出口過熱度偏差，＝s－y°C;
(2)輸入語言變量之二，記為Δ，是蒸發器出口過熱度偏差變化率，Δ＝[ei+1－ei]°C；
(3)輸出語言變量，記為Ut，是電子膨脹閥在6秒周期內連續開啟的時間，單位為秒，它對應電子膨脹閥開度大小。
蒸發器出口過熱度偏差是指實測被控對象的蒸發器出口過熱度減去設定蒸發器出口過熱度值的差。我們將蒸發器出口過熱度控制范圍分為模糊控制區和確定控制區，以蒸發器出口過熱度設定值的±1.0°C為界。蒸發器出口過熱度在設定值的±1.0°C以內為模糊控制區，以外為確定控制區。而在模糊控制區，將蒸發器出口過熱度偏差分為7個模糊狀態：PB(正的大蒸發器出口過熱度偏差)；PM(正的中蒸發器出口過熱度偏差)；PS(正的小蒸發器出口過熱度偏差)；Z(正的零蒸發器出口過熱度偏差)；NS(負的小蒸發器出口過熱度偏差)；NM(負的中蒸發器出口過熱度偏差)；NB(負的大蒸發器出口過熱度偏差)。將蒸發器出口過熱度偏差計算，圓整，并將±1.0°C的范圍細分為13個點，分別給出了它們對7個模糊狀態的隸屬度值，即輸入語言變量的取值：(負大，負中，負小，零，正小，正中，正大)，表示符號{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}。語言值的隸屬函數選擇三角形和梯形，如表1所示。
蒸發器出口過熱度偏差變化率理論上應該指蒸發器出口過熱度變化速度對控制輸出的影響；實際應用時，我們將蒸發器出口過熱度偏差變化率定義為一個采樣間隔內蒸發器出口過熱度偏差變化。由于蒸發器出口過熱度偏差變化是較慢的，我們將蒸發器出口過熱度偏差變化值在±0.4°C以內定為模糊控制區，在模糊控制區將蒸發器出口過熱度偏差變化率分為7個模糊狀態：PB(正的大蒸發器出口過熱度偏差變化率)；PM(正的中蒸發器出口過熱度偏差變化率)；PS(正的小蒸發器出口過熱度偏差變化率)；Z(正的零蒸發器出口過熱度偏差變化率)；NS(負的小蒸發器出口過熱度偏差變化率)；NM(負的中蒸發器出口過熱度偏差變化率)；NB(負的大蒸發器出口過熱度偏差變化率)。將蒸發器出口過熱度偏差變化率計算，圓整，并將±0.4°C的范圍細分為13個點，分別給出了它們對7個模糊狀態的隸屬度值，即輸入變量Δ的取值：(負大、負中、負小、零、正小、正中、正大)，表示符號{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，語言值的隸屬函數的選擇，為計算簡單取值與表1相同，如表2所示。
輸出變量Ut的取值分為13種狀態，分別對應電子膨脹閥開度大小：
－6/－5關閉電子膨脹閥 電子膨脹閥開度為0
－4/－3微開電子膨脹閥 電子膨脹閥開度為80
－2/－1小開電子膨脹閥 電子膨脹閥開度為160
0/+1半開電子膨脹閥 電子膨脹閥開度為240
+2/+3大半開電子膨脹閥 電子膨脹閥開度為320
+4/+5多半開電子膨脹閥 電子膨脹閥開度為400
+6全開電子膨脹閥 電子膨脹閥開度為480
將這13種輸入狀態分為7個模糊輸出狀態：關閉、微開、小開、半開、大半開、多半開、全開，表示符號為{CB、CM、CS、H、OS、OM、OB}，每種具體輸出狀態對這7個模糊輸出狀態的隸屬度值如表3所示。
每個語言變量所取的語言值對應的隸屬函數都是交叉重疊的。初始設計時，可采用均勻等分的方式布置，然后再根據系統仿真或實際控制結果進行合理的調整和改進。
2.2 獲取模糊關系矩陣
模糊推斷邏輯是由一組IF－THEN的控制規則組成的，這一組控制規則的形成來源于人類思維邏輯和實際經驗的總結。
從經驗出發，用語言形式來表述推理控制決策過程如下：
· IF(實際過熱度過大)AND(實際過熱度有增加的趨勢)THEN(電子膨脹閥的開度要增大)
· IF(實際過熱度太小)AND(實際過熱度有減小的趨勢)THEN(電子膨脹閥的開度要減小)
類似于上述的一系列控制規則集中在控制規則表4中。根據表4寫出如下規則：
(1) if ＝NB and(Δ＝NB or Δ＝NM) then Ut＝OB
(2) if ＝NB and(Δ＝NS or Δ＝Z) then Ut＝OM
(3) if ＝NB and(Δ＝PS or Δ＝PM) then
Ut＝OS
(4) if ＝NB and Δ＝PB then Ut＝H ……
(29) if ＝PB and(Δ＝NM or Δ＝NS) then
Ut＝CS
(30) if ＝PB and(Δ＝Z or Δ＝PS) then
Ut＝CM
(31) if ＝ PB and(Δ＝PM or Δ＝PB) then
Ut＝CB
總共31條規則，根據這31條規則可以得出相應的模糊關系：
將上述模糊關系寫成通式
。設某一時刻的偏差與偏差變化為e*、ec*，根據各條規則給出的模糊關系進行合成推理運算可得到相應的輸出控制量模糊值：
(l＝1,2……31)。
由此，模糊控制器總的輸出控制量(模糊值)應該是:
由于上式所得到的一個輸出量是模糊矢量，而被控對象(電子膨脹閥)只能接受一個確切的控制量，因此必須經過解模糊，將模糊矢量清晰化，在這里我們使用最大隸屬度法： u＝umax。
上面的計算過程比較復雜，可以使用軟件編程實現。按照上述合成推理與解模糊方法可以得到一個容量為13*13的模糊控制查詢表，如表5所示。
2.3 模糊決策
在實際控制系統中，取得過熱度偏差、過熱度偏差變化率后將其轉化為模糊值，然后查詢表5即可得到控制量的模糊值u。但u還是論域U中的一個等級值，還須乘上一個輸出量化因子，才能決定控制量的確切值。
3 模糊控制器的實現
3.1 硬件
我們所設計的模糊控制器，主控制器采用PC機，測溫元件采用鉑100電阻，數據采集及控制量輸出使用研華的多功能數據采集控制卡818LS，制冷劑流量采用電子膨脹閥控制，開度越大，流量越大。系統硬件框圖如圖2所示。
3.2 軟件
軟件設計采用了Visual Basic編程，圖形界面簡單。使用研華公司提供的有關例程，程序編寫比較方便。對模糊矩陣
采用了查表法求取。程序的主要模塊有數據轉換與計算、采樣、顯示、論域變換及控制計算與動作等。
3.3 干擾問題的處理
為了減少系統的干擾，在設計中對開關頻繁的電器使用固態繼電器；模擬輸入端加有低通濾波器。在軟件中加入了數字濾波程序、死機自動攔截程序、數據存取校驗程序等。
4 制冷空調系統的模糊控制結果
當系統的輸入信號為6℃時，達到±0.4℃的控溫精度。采用模糊控制器,過程超調量很小，基本上是立即進入控溫穩定區。系統響應速度快，過渡過程時間短。實驗中也發現，過熱度模糊控制使得被控對象的過熱度在設定值的上下波動，而不是穩定在某一值上。本控制系統的溫度波動幅度為±0.4℃，這與模糊控制的穩定性理論是一致的。
參考文獻
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2 馮德益.模糊數學方法與應用，北京：地震出版社，1983
3 李士勇.模糊控制和智能控制理論與應用.哈爾濱工人出版社,1990
4 田成方,王學慧.微機模糊控制理論及應用.北京：電子工業出版社,1987