智能冰箱的溫度模糊控制方法研究

1、第9卷第4期1998年12月廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)JOU RNAL O F GUAN GX I I N ST ITU T E O F T ECHNOLO GYV o l.9N o.4D ec.1998智能冰箱的溫度模糊控制方法研究3韓峻峰羅文廣張巍(廣西工學(xué)院計(jì)電系柳州545005摘要針對(duì)傳統(tǒng)的冰箱溫度控制方法存在的弊端,本文對(duì)冰箱溫度的模糊控制方法進(jìn)行了初步研究,所提出的方法具有節(jié)能、高效的特點(diǎn),具有一定的實(shí)用推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞智能溫控;節(jié)能;模糊控制分類號(hào)T P2730引言目前,市場上出售的冰箱有機(jī)械溫控、電子溫控和電腦溫控等控制方式,它們的溫度控制裝置、化霜裝置和其他控制裝置的控制值都是事先設(shè)定的

2、,這就易使許多能量消耗在目的相異的各種動(dòng)作及因缺少靈活性而發(fā)生的各種多余動(dòng)作,造成器件的頻繁開啟1,一方面造成器件損壞,溫度的起伏較大,不利于食品保鮮,另一方面,浪費(fèi)了大量能量。電冰箱的主要任務(wù)是保證所儲(chǔ)存的食品在經(jīng)過冷凍、冷藏之后,其色、味不變,主要手段是通過保持箱體內(nèi)的最佳溫度達(dá)到食品保鮮的目的2。但電冰箱的使用對(duì)象情況比較復(fù)雜,冰箱內(nèi)的溫度受諸多因素的影響,如存放入物品的初始溫度高低,存入物品的散熱特性及其熱容量、物品的充滿率及開門的頻繁程度等,因而其數(shù)學(xué)模型很難建立,用傳統(tǒng)的控制方法很難達(dá)到令人滿意的控制效果。為此,我們采用具有平緩連續(xù)過程的模糊控制方法,解決了冰箱溫度較大的起伏變化,

3、并且能對(duì)壓縮機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂贫_(dá)到節(jié)能目的,本文對(duì)此作一探討。1冰箱溫度控制方法的研究1.1冰箱溫度控制方法的現(xiàn)狀當(dāng)前常用的冰箱溫度控制方法是以設(shè)定的冰箱內(nèi)某點(diǎn)溫度為控制目標(biāo),根據(jù)冰箱體內(nèi)該3本項(xiàng)目得到廣西工學(xué)院科學(xué)研究基金資助本文于1998年6月30日收到.檢測點(diǎn)實(shí)際溫度求得溫度偏差,通過閉環(huán)控制系統(tǒng),采用P I D 調(diào)節(jié)器,實(shí)現(xiàn)恒溫控制。由于箱內(nèi)溫度場分布不均以及熱負(fù)荷的不確定性,其控制效果欠佳,有可能出現(xiàn)制冷和除霜工序的矛盾,存在兩種可能的弊端,一是可能出現(xiàn)冰箱體內(nèi)溫度上升已超過允許值,需要開動(dòng)制冷壓縮機(jī)時(shí),恰好霜層厚度已達(dá)預(yù)定值,需要除霜,壓縮機(jī)需停止工作,除霜過程中箱體內(nèi)溫

4、度進(jìn)一步提高,影響食品的保鮮質(zhì)量;二是可能壓縮機(jī)剛剛停止制冷,箱體內(nèi)溫度達(dá)到最低點(diǎn)時(shí),需要除霜加熱,這樣,既浪費(fèi)了能量,又使箱體溫度波動(dòng)較劇烈,影響食品保鮮,這是傳統(tǒng)溫度控制方法存在的弊端。1.2冰箱溫度的模糊控制方法在一般雙門電冰箱中,冷凝器處于冰箱后背,而蒸發(fā)器處于冷凍室和冷藏室之間,對(duì)冷凍室的溫度控制是通過對(duì)壓縮機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)的,而對(duì)冷藏室的控制則是通過對(duì)冷氣風(fēng)門的控制實(shí)現(xiàn)的?？梢赃@樣理解,冷凍室的溫度直接由壓縮機(jī)的工作狀態(tài)決定,而冷藏室的溫度既和壓縮機(jī)的工作狀態(tài)有關(guān),也和冷凍室的溫度有關(guān),同時(shí),蒸發(fā)器的制冷和冷凍室的溫度傳輸都是通過風(fēng)門傳送到冷藏室,故風(fēng)門對(duì)冷藏室溫度起控制作用。在溫度控

5、制系統(tǒng)中,模糊控制器接收到冷凍室的溫度偏差信號(hào)e 1,它直接去控制壓縮機(jī),而模糊控制器接收到冷藏室的溫度偏差信號(hào)e 2之后,同時(shí)也考慮冷凍室的溫度偏差信號(hào),再?zèng)Q定對(duì)風(fēng)門的控制。在對(duì)壓縮機(jī)控制時(shí),還必須考慮壓縮機(jī)兩端的壓力平衡問題。大”(NB 、“負(fù)小”(N S 、“零”(Z O 、“正小”(PS 、“正大”(PB 這五個(gè)模糊值,而壓縮機(jī)的電機(jī)控制信號(hào),則只取開關(guān)的“通”(ON 和“斷”(O FF 這兩種狀態(tài),冷凍室的溫度偏差e 1、溫度偏差變化率e 1的隸屬函數(shù)如圖1所示,為簡化起見,只取五個(gè)模糊值,并以三角形隸屬函數(shù)為例 。圖1溫差、溫差變化率的隸屬函數(shù)對(duì)于冷凍室的溫度控制,控制規(guī)則如表1所

6、示。實(shí)際上,冷凍室溫度控制還有一個(gè)條件,即是在壓縮機(jī)停機(jī)三分鐘之內(nèi)不準(zhǔn)重新啟動(dòng),以防止壓縮機(jī)的輸入輸出兩端壓力不平衡,使壓縮機(jī)啟動(dòng)力矩過大而燒毀電機(jī)。因此,對(duì)于凡是壓縮機(jī)電機(jī)接通電源的語句,應(yīng)有停壓縮機(jī)時(shí)間的約束條件:停機(jī)后需3分鐘才表1冷凍室的溫度模糊控制表Cp e 1NB N S Z O PS PB e 1NB ON ON O FF O FF O FF N S ON ON O FF O FF O FF Z O ON ON O FF O FF O FF PS ON ON O FF O FF O FF PBONO FFO FFO FFO FF能再啟動(dòng)(CON 1。同時(shí)考慮壓縮機(jī)制冷后達(dá)到除霜時(shí)

7、機(jī)時(shí),可利用自然升溫后再加熱除霜13第4期韓峻峰等:智能冰箱的溫度模糊控制方法研究3(CON 2。如果用T O FF 表示壓縮機(jī)停機(jī)的時(shí)間,則在表中的語句規(guī)則應(yīng)為:IF e 1AND e 1AND T O FF TH EN Cp但有時(shí)也和壓縮機(jī)有關(guān)。例如,在初始溫度為室溫時(shí),要考慮啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷,所以,冷藏室溫度控制就比冷凍室溫度控制復(fù)雜一些。冷藏室給定溫度與冷藏室實(shí)際溫度的偏差e 2取“負(fù)大”(NB ,“負(fù)小”(N S ,“零”(Z O ,“正小”(PS ,“正大”(PB 這五個(gè)模糊量。而冷藏室給定溫度與實(shí)際溫度的偏差變化率e 2也取和e 2類同的五個(gè)模糊量。風(fēng)門的控制量cf 取單點(diǎn),它們分

8、別是“零”(Z O ,“小”(S ,“中”(M ,“大”(B ,“極大”(VB ,見圖2,它們分別是在風(fēng)門的控制范圍中平均取值的。圖2風(fēng)門控制量的隸屬函數(shù)由于冷藏室的溫度控制還和壓縮機(jī)的工作狀態(tài)有關(guān),故在控制中分別考慮Cp =O FF 和Cp =ON 兩種情況。在這兩種狀態(tài)中分別用兩個(gè)不同的控制規(guī)則集表示。在壓縮機(jī)電機(jī)通電工作的情況下,壓縮機(jī)處于制冷狀態(tài),風(fēng)門打開主要是傳遞蒸發(fā)器制冷所得的冷氣。在壓縮機(jī)電機(jī)斷電的情況下,壓縮機(jī)停止制冷,風(fēng)門打開主要是傳遞蒸發(fā)器制冷后的余冷及冷凍室的冷氣。故在Cp =ON 和Cp =O FF 時(shí),冷藏室溫度控制規(guī)則集如表2所示。表2冷藏室溫度模糊控制規(guī)則表Cf

9、e 2NB N S Z O PS PB e 2NB VB VB M M Z O N SVB VB M ZS Z O Z O VB B M S Z O PS VB B M Z O Z O PBVBMMZ OZ OCp =ONCf e 2NB N S Z O PS PB e 2NB VB VB B M S N SVB VB B M S Z O VB VB B M S PS VB VB B M S PBVBBMSSCp =O FF冷藏室是存放新鮮食品的地方,所以冷藏室的門會(huì)經(jīng)常開啟,在用戶開啟冷藏室的門時(shí),一般有兩種操作,即取出食品或是加入食品。在取出食品時(shí),雖然冷藏室的門打開,外界的熱量會(huì)侵入冷藏

10、室內(nèi),但由于取走了食品,冷藏室的負(fù)荷減小,只要開啟柜門的時(shí)間不長,則冷藏室的溫度變化較小。在加入食品時(shí),一旦冷藏室的門打開,而加入的食品也較多,這樣冷藏室的負(fù)荷增加較多,從而使冷藏室的溫度變化較大,在關(guān)上柜門后,則要求冷藏室以較快的速度恢復(fù)到原有的設(shè)定溫度處。控制規(guī)則的自調(diào)整是在冷藏室的柜門打開并加入食品后進(jìn)行。它包含兩個(gè)過程,一是加入食品量的判定,另一個(gè)是進(jìn)行控制規(guī)則的修改。加入食品量的判定是根據(jù)柜門關(guān)閉后所得溫度和冷藏室開啟柜門前的溫度差以及柜門開啟的時(shí)間長短來判定的。用T cl 表示關(guān)閉柜門后冷藏室的溫度,Top 表示開啟柜門前冷藏室的溫度,則溫度差為T 為T =T cl -Top(1根

11、據(jù)溫差T 和門的開啟時(shí)間ts 的情況,把食品量分成“少”(L I ,“中”(M E 和“多”(M A 表示。23廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)1998年12月根據(jù)上述因素,對(duì)食品量的模糊推論如表3所示?？紤]冷藏室柜門開啟后的冰箱運(yùn)行情況,需要進(jìn)行控制規(guī)則調(diào)整,采用如下方法:IF m =L I TH EN Cf =0IF m =M E TH EN Cf =Cf IF m =M A TH EN Cf =2Cf 表3食品量的模糊推論表mT 低中高ts短L I M E M A 中L I M E M A 長L IL IM E在關(guān)閉冷藏室柜門后,如果其溫度處于Top 之上,則馬上進(jìn)行控制規(guī)則校正,直到冷藏室溫度下降到To

12、p ,才停止校正。在校正時(shí),輸出的控制量Cf 等于原來的控制規(guī)則推理得出的控制量加上校正量,即有:Cf =Cf +Cf(2修正后的控制規(guī)則如表4所示:表4修正后的控制規(guī)則表Cf e 2NB N S Z O PS PB e 2NB VB VB VB VB M N SVB VB VB B M Z O VB VB VB B M PS VB VB VB M M PBVBVBVBMMCp =ON Cf e 2NB N S Z O PS PB e 2NB VB VB VB VB B N SVB VB VB VB B Z O VB VB VB VB B PS VB VB VB B B PBVBVBVBBSC

13、p =O FF表中,控制量Cf 是根據(jù)(3式求出,即當(dāng)求出的控制量大于VB 時(shí),取其值為VB ,Cf =VB (Cf +Cf (32結(jié)論利用模糊數(shù)學(xué)的原理建立具有模糊知識(shí)工程的智能冰箱,是當(dāng)今國際上正在研究的新一代智能冰箱2,由于冰箱的使用狀況、用戶情況等異常復(fù)雜,傳統(tǒng)的控制方法難以保證最佳控制效果,本文采用模糊控制方法,通過箱體溫度、溫度變化率、箱內(nèi)食物量、熱負(fù)荷多少等以及有關(guān)約束條件去推斷是否以及如何制冷,可以避免出現(xiàn)除霜工序與制冷工序的矛盾,保證箱體溫度的最佳范圍,同時(shí)對(duì)食品溫度的影響也最小,保證食品保鮮質(zhì)量,并達(dá)到節(jié)能的效果。參考文獻(xiàn)33第4期韓峻峰等:智能冰箱的溫度模糊控制方法研究3

14、43廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)1998年12月Study on Fuzzy Con tro l M ethod ofT em peratu re in In telligen t R efrigerato rH uan JunfengL uo W enguangZhang W ei(D ep a rt m en t of Co m p u ter and E lectrica lE ng ineering of Guang x i Institu te of T echnologyL iuz hou545005AbstractIn th is pap er,the fuzzy con tro l m ethod of tem peratu re in in telligen t refrigerato r w as studied.T h is m ethod has character of energy saving and h igh efficency.Key w o rdsIn telligen t con tro l of tem peratu re;Energy saving;Fuzzy con tro l“強(qiáng)化戊二醛醫(yī)用消毒液”項(xiàng)目通過