智能電冰箱的模糊控制系統(tǒng)

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）題 目：智能電冰箱的模糊控制系統(tǒng)學(xué) 院： 國際學(xué)院 專 業(yè)： 機械制造與自動化 學(xué) 號： 200931310105 學(xué)生姓名： 柯洋洋 指導(dǎo)教師： 夏國宏 2012 年 5 月 4日摘要 電冰箱作為應(yīng)用較為普及的家用電器，近年來，隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及控制理論的發(fā)展，電冰箱具有溫度模糊控制、智能化霜、故障自診功能，同時還具有控制精度高、性能可靠、省電等優(yōu)點，并能達到高質(zhì)量食品保鮮的目的，這也是電冰箱發(fā)展的主要方向。電冰箱控制的主要任務(wù)就是保持箱內(nèi)食品最佳溫度，達到食品保鮮的目的。由于冰箱內(nèi)溫度受多種不確定因素影響，如放入冰箱中物品的溫度、熱容量以及物品的充滿率、

2、開門的頻繁程度等，冰箱內(nèi)的溫度場的數(shù)學(xué)模型很難建立，因此無法用傳統(tǒng)的控制方法實現(xiàn)精確控制。本文采用模糊控制技術(shù)可以方便地提高控制精度，配以電子溫度檢測，對壓縮機的工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，達到精確控溫和節(jié)能的目的。通過變頻控制可以使冷凍室的溫度控制更加合理。當(dāng)冷凍室需要制冷量比較大的時候，可以通過變頻調(diào)控，使電機高速轉(zhuǎn)動，就加強壓縮機制冷；同理，當(dāng)冷凍室制冷量比較小時，則使電機轉(zhuǎn)速慢一些。就降低壓縮機制冷。通過半導(dǎo)體制冷使冷藏室的溫度控制更加精確。在冷藏室需要制冷的時候可以啟動半導(dǎo)體制冷，而不用啟動壓縮機，這樣一方面避免了壓縮機的頻繁開啟，另一方面也節(jié)約了能量，同時也保證了冷藏室的溫度更加準(zhǔn)確。為了提

3、高冰箱的性能，軟件上還采取了自學(xué)習(xí)功能、故障運行自恢復(fù)功能、維護自檢功能和容錯技術(shù)等抗干擾設(shè)計。該系統(tǒng)具有控制精度高、性能可靠、省電等特點關(guān)鍵詞：模糊控制論，冰箱，單片處理機，自學(xué)習(xí)AbstractIn recent years，refrigerator as a widespread family electronics，they have advantages of perfect accuracy、high performance、saving electricity and keeping fresh food of high quality, while development of

4、 microelectronics technology, senor technology and control theoryIt is the main orientation of developing refrigeratorsThe control of the refrigerator aims to keep the food furthest temperatureBut there are many factors effect the refrigerator temperature，such as food temperature，thermal capacity, f

5、ull or not and frequency of opening doorSo it's difficult of building the model of the refrigeratorSo it cant realize precision control using traditional control method。The paper improves the control precision utilizing fuzzy control technology. And the frequency conversion has been designed in

6、order to avoid starting up compressor frequently, which makes the electrical machinery work according to requirementSo the refrigeration of compressor will be more effectiveSafe adopts the semiconductor and compressor to refrigerate at the same time。In the normal situation the safe refrigerates with

7、 refrigeration, of the freezerWhen the freezer needs refrigeration，the system starts the mechanism of compressingThe safe can reach the refrigeration result at the same timeWhen the freezer does not need refrigeration，the semi conductor will be used alone. The result controlled like this can make th

8、e safe achieve the goal of controlling alone basicallyFor the performance of refrigerators, the self-learning，self-repairing，self-checking and fault tolerant technique ale used in software designing. This system has the advantages of high control precision reliable performance and saving electric en

9、ergy. Keywords：fuzzy control theory, refrigerators, Single chip computer, self-learning第一章 緒論11課題背景及意義眾所劇知，電冰箱是現(xiàn)代家庭中必不可少的家用電器。而目前市售冰箱大多采用傳統(tǒng)的機械式溫控，控制精度差，功能單一，控制方式簡單難以滿足現(xiàn)代冰箱發(fā)展的要求。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的進一步提高，人們對多功能化的發(fā)展要求越來越高。單片機技術(shù)和電子技術(shù)的高速發(fā)展，使得箱內(nèi)溫度控制可隨冷藏室和冷凍室的不同而分別設(shè)定，定時自動除霜、白動制冰、省電等諸多功能和要求得實現(xiàn)。特別是模糊控制技術(shù)在家用電器中的應(yīng)

10、用日趨成熟，為電冰箱向智能化方向發(fā)展提供了有利技術(shù)支持。12智能冰箱系統(tǒng)概述121智能冰箱的發(fā)展智能控制技術(shù)的發(fā)展，正在改變著人們的生活方式，更加舒適、更加可靠的家用電器可日益提高人們的生活水平。單片機是智能家電的核心單元，因為單片機芯是嵌入在家用電器中，沒有自己獨立的外殼，通常稱為嵌入式系統(tǒng)，如今嵌入式系統(tǒng)無處不在，正推動著二十一世紀(jì)一場新的產(chǎn)業(yè)革命。為了適應(yīng)智能控制技術(shù)的發(fā)展，單片機在它誕生以來的二十多年內(nèi)，發(fā)生了迅猛的變化，從四位機發(fā)展到六十四位機，456架構(gòu)也在發(fā)生變化，從普通的746發(fā)展到895。電冰箱是白色家電中最有代表性的，在中國，電冰箱在家庭中的普及率很高，而且，制造技術(shù)也非常

11、成熟，關(guān)鍵技術(shù)處于國際先進水平，部分技術(shù)還領(lǐng)先于國際同行?？讫埞咀鳛橹袊畲蟮闹评浼译娖髽I(yè)之一，在國內(nèi)電冰箱行業(yè)率先采用智能控制技術(shù)，使消費者感受到了智能電冰箱帶來的一縷節(jié)能、環(huán)保、舒適的清風(fēng)。家用電冰箱的模糊控制技術(shù)、多段變溫技術(shù)、自動制冰技術(shù)、瞄準(zhǔn)冷卻技術(shù)、自動開門技術(shù)、變頻技術(shù)、信息化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)等都不同程度的折射出智能控制技術(shù)在家用電器中的廣泛應(yīng)用前景。122智能冰箱的功能家用電冰箱智能化控制系統(tǒng)真花從用戶考慮出發(fā)盡心設(shè)計，充分研究了日常生活中人的習(xí)慣特征，充分考慮了現(xiàn)代人機關(guān)系，運用了模糊控制、人機工程學(xué)等現(xiàn)代理念，真正意義上的對冰箱進行核心控制，實現(xiàn)人們所渴求的智能冰箱。本設(shè)計主要

12、有以下功能：冷凍室模糊制冷利用模糊控制技術(shù)，在冷凍室需要制冷的時候，快速啟動，并且設(shè)計了變頻調(diào)速系統(tǒng)，避免了壓縮機的頻繁開啟，使電機能夠按照所需要的進行工作，使壓縮機制冷更加臺理有效。冷藏室模糊制冷冷藏室制冷和以往的冰箱制冷不一樣，過去冷藏室的溫度變化是隨著冷凍室的溫度而變化的，當(dāng)冷凍室需要制冷的時候，壓縮機才開始啟動制冷，這就造成了當(dāng)冷凍室的溫度比較低不需要制冷的時候，而冷藏室的溫度比較高需要制冷，這樣就產(chǎn)生了一個矛盾，使冷藏室不能達到很好的制冷效果。本設(shè)計克服了上述缺點，采用半導(dǎo)體和壓縮機同時制冷，正常的情況下冷藏室還是隨著冷凍室的制冷而制冷，當(dāng)冷凍室需要制冷時，啟動壓縮機制冷，冷藏室同對

13、也能達到制冷效果；當(dāng)冷凍室不需要制冷時，這時不啟動壓縮機制冷，而是用半導(dǎo)體單獨對冷藏室制冷，當(dāng)達到預(yù)定的效果后，半導(dǎo)體停止制冷。這樣控制的效果能使冷藏室基本上達到獨自控制的目的。模糊化霜以前，冰箱的定時化霜與冰箱門的關(guān)閉之間沒有直接關(guān)系?，F(xiàn)在，運用模擬神經(jīng)智能控制技術(shù)將冰箱門關(guān)閉次數(shù)、開閉頻率和最佳化霜時間加以統(tǒng)計和分析，預(yù)置于控制程序中，讓其記憶，然后，根據(jù)冰箱的實際運行選擇在冰箱門開閉最少的時間段內(nèi)進行化霜，使冰箱內(nèi)溫度波動最小，對食品質(zhì)量影響最小。其他功能開門時間過長報警功能，當(dāng)任何一個箱門打開超過4分鐘，報警提示，但不影響系統(tǒng)正常工作，在冰箱的面板上有液晶顯示器，可以顯示冷凍室和冷藏室

14、的溫度，并通過按鍵可對冰凍室和冷藏室的溫度進行調(diào)控，以達到用戶所需要的溫度。13智能冰箱的控制方法綜述131單片機概述單片微型計算機(single-Chip Microcomputer)，簡稱單片計算機。就是將CPU、RAM、ROM、定時計時器和多種接口集成在一塊芯片上的微型計算機。其主要特點如下：(1) 片內(nèi)存儲容量較小：原因是受集成度的限制。ROM一般小于8KB，RAM一般小于256B，但可以在外部擴展。通常ROM、RAM砸分別擴展至64KB。(2) 可靠性高：(a)因先芯片是按工業(yè)測控坯境要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于PC機。(b)系統(tǒng)軟件(如：程序指令、常數(shù)、表格)固化在ROM中，不易

15、受病毒破壞。 (c)許多信號的通道均在一個芯片內(nèi)，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。(3) 便于擴展：片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的(總線、并行和串行的輸入輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。(4) 控制功能強：具有豐富的控制指令；如：條件分支轉(zhuǎn)移指令、IO閉的邏輯操作指令、位處理指令。(5) 實用性好：體積小、功耗低、價格便宜、易于產(chǎn)品化。(a)第1階段(1971年一1978年)，以MCS-48系列為代表，稱4位單片機。在片內(nèi)：CPU有4位戲8位；ROM有IKB或2KB；RAM有 64B或128B；只有并行接口，無串行接口；只有1個8位的定時/計時器；中斷源只有2個

16、。在片外：尋址范圍只有4KB；芯片引腳有40個。(b)第2階段(1978年一1983年)，以MCS-51系列為代表，稱8位單片機。在片內(nèi)：CPU有8位；ROM有4KB或8KB；RAM有128B或256B；有串并行接口；有2個或3個16位的定時計時器；中斷源有5至7個。在片外：尋址范圍有64KB；芯片引腳有40個。(c)第3階段(1983年以后)，以MCS-96系列為代表，稱16位單片機。在片內(nèi)：CPU有16位；ROM有8KB；RAM有232B；有串并行接口；有4個16位的定時計時器；中斷源有8個；增加了DA和AD轉(zhuǎn)換電路。在片外：尋址范圍有64KB；芯片引腳有48個或68個。(6)單片機主要應(yīng)

17、用如下幾個方面(a)家用電器：如高檔的洗衣機、空調(diào)器、電冰箱、彩電、DVD、音響、手機、高檔電子玩具等電器，用單片機做自動控制。(b)智能設(shè)各：用單片機改造普通儀器、儀表、讀卡機等，使其(集測量、處理、控制功能為一體)智能化、微型化。(c)網(wǎng)絡(luò)與通信的智能接口：在大型計算機控制的網(wǎng)絡(luò)或通信電路與外圍設(shè)備的接口電路中，用單片機來控制或管理，可大大提高系統(tǒng)的運行速度和接口的管理水平。(d)工業(yè)測控：對工業(yè)設(shè)備(如機床、汽車、高檔中西餐廚具、鍋爐、供水系統(tǒng)、生產(chǎn)自動化、自動報警系統(tǒng)、衛(wèi)星信號接收等)進行智能測控，大大地降低了勞動強度和生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。單片機技術(shù)的進步，模糊控制技術(shù)的

18、完善，為家用電器的發(fā)展實現(xiàn)智能控制成為一種趨勢。132 PID控制概述計算法和增量計算法 增量計算法是相對于標(biāo)準(zhǔn)計算法的相臨兩次計算之差，得到的結(jié)果是增量，也就是說，在上一次的控制量基礎(chǔ)上增加(負值意味著減少)控制量，例如對于可控硅電機調(diào)速系統(tǒng)，就是可控硅的觸發(fā)相位還需要提(或遲后)的量，對于溫度控制就是需要增加(或減少)加熱比例，根據(jù)具體的應(yīng)用適當(dāng)選擇采用哪一種算法，但基本的控制方法、原理是完全一樣的，直接計算方法得到的是當(dāng)前需要的控制量，相鄰兩次控制量的差就是增量；基本偏差e(t)表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo)間的差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)果可以是正成負，正數(shù)表示還沒有達到，負數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定

19、值。這是面向比例項用的一個變動數(shù)據(jù)。累計偏差e(t)=e(t)+e(t-1)+(t-2)+e(1)，這是我們每一次測量到偏差值的總和，這是代數(shù)和，考慮到他的正負符號的運算的，這是面向積分項用的一個變動數(shù)據(jù)?；酒畹南鄬ζ頴(t)e(t-1)，用本次的基本偏差減去上一次的基本臨差，用于考慮當(dāng)前控制的對象的趨勢，作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項的一個變動數(shù)據(jù)。三個基本參數(shù)Kp，Kd。這是做最好的控制器的關(guān)鍵常數(shù)，分別稱為比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，不同的控制對象他們需要選擇不同的數(shù)值，還需要經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試才能獲得較好的效果。標(biāo)準(zhǔn)的直接計算法公式：Pou(t)=Kp+e(t)+Kie(c)

20、+Kd+(e(t)-O(t-1)：上一次的計算值：Pou(t-1)=Kp4e(t-1)+Ki*e(t-1)+Kd*(e(t-1)-e(t-2)；兩式相減得到增量法計算公式：Pdlt=Kp*(e(t)-e(t-1)+Ki*e(t)+Kd*(e(t)一2*e(t-1)+e(t-2)：比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用|三l減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作

21、用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti，Ti越小、，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)臺，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干優(yōu)不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)

22、律相結(jié)合，組成PD或PIE)控制器。133模糊控制概述數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過程中是一種普遍采用的控制方法，在冶金t機械、化工等行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的反饋控制、近代控制理論和大系統(tǒng)理論，都是建立在精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的。而且，研究這些系統(tǒng)時，必須提出一些比較苛刻的假設(shè)。因此傳統(tǒng)控制所面臨的難題是：(1)實際系統(tǒng)存在復(fù)雜性、非線性、時變性、不確定性和不完全性等，一般無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。(2)為研究這類系統(tǒng)提出并遵循的一些假設(shè)在應(yīng)用中與實際不符。(3)對于某些復(fù)雜的和包含不確定性的對象，無法以傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來表示。(4)為了提高性能，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可能變得很復(fù)雜，從而增加了設(shè)備的初始投資和

23、維修費用，降低系統(tǒng)的可靠性。自動控制領(lǐng)域面臨上述難題其解決途徑是：(1)推進控制硬件、軟件和智能的結(jié)合。(2)實現(xiàn)自動控制科學(xué)與其它相關(guān)學(xué)科(科學(xué))的結(jié)合。特別是人工智能的出現(xiàn)和發(fā)展，促進了自動控制向著它的更高層次一智能控制發(fā)展。1.4本文的主要工作電冰箱的主要作用是保持箱內(nèi)食品的最佳溫度，達到食品保鮮的目的因而本文控制器的主要功能是溫度控制和智能化霜，根據(jù)不同型號冰箱的要求，也可帶有自動制冰功能此外，該控制器還具有過欠壓保護功能、斷電后壓縮機開啟延時功能、開門報警功能、自學(xué)習(xí)功能及故障運行自恢復(fù)功能等(1)電冰箱溫度自動調(diào)節(jié)功能該功能是電冰箱應(yīng)具備的主要功能。電冰箱設(shè)存冷凍室和冷藏室，冷凍室

24、的溫度為一6-18，冷藏室的溫度為OlO'C，在該溫度范圍內(nèi)，食品保鮮效果較好，因此，對控制器的要求是將冷凍室和冷藏室的溫度自動控制在各自的范圍內(nèi)。(2)自動除霜功能冷凍室中的水分會凝結(jié)成霜，因此，電冰箱應(yīng)有自動除霜功能。該功能的實現(xiàn)方法是通過累計壓縮機運行時間和檢測環(huán)境溫度，來判斷是否滿足化霜條件，當(dāng)滿足化霜條件時，接通化霜加熱絲，同時斷開壓縮機和風(fēng)機，30分鐘后斷開化霜加熱絲，接通壓縮機，再過15分鐘后接通風(fēng)機。(3)電源過欠壓保護功能為了使電冰箱安全可靠地運行，要求其電源電壓在176V240V之間。因此，當(dāng)電源電壓小于176V或大于240V時，壓縮機應(yīng)自動停機并報警顯示。(4)壓

25、縮機丌啟延時功能該功能要求壓縮機停機時間超過3分鐘才能啟動，以延長壓縮機的壽命。這就要求在每次電冰箱上電時，都要檢查壓縮機停機是否到3分鐘，若未達到，需延時到3分鐘后才能啟動。因此，在設(shè)計時應(yīng)有判斷與延時功能。(5)故障自檢報警功能該功能要求在電冰箱運行過程中，不斷診斷電冰箱的運行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重故障時，電冰箱停機并報警顯示。(6)變頻控制通過變頻控制可以使冷凍室的溫度控制更加合理。當(dāng)冷凍室需要制冷量比較大的時候，可以通過變頻調(diào)控，使電機高速轉(zhuǎn)動，壓縮機制冷就多一些；同理，當(dāng)冷凍室需要制冷量比較小的時候，則使電機轉(zhuǎn)速慢一些，壓縮機制冷就少一些。第二章系統(tǒng)介紹2.1 概述 電冰箱的熱負荷壓縮機排

26、氣經(jīng)冰箱冷暖氣(在冰箱背面或側(cè)面)冷凝后遴入干燥過濾器，去除水分和雜激，在通過毛細管節(jié)流。節(jié)流后的氣液混合物先精流入冷凍室和冷藏室，農(nóng)蒸發(fā)器中吸收熱量蒸發(fā)，使冷凍室和冷藏室驄溫度達到設(shè)定要求從蒸發(fā)器流出的制冷劑流入壓縮機。 電冰箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文的研究對象是大容積、多功能的無氟電冰箱，這種電冰箱一般是多門分體結(jié)果、一套制冷裝置，多通道風(fēng)冷式?？刂茰囟鹊氖侄沃饕菈嚎s機的開停，循環(huán)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、通風(fēng)道風(fēng)門的開啟程度等。2.2 系統(tǒng)設(shè)計與功能簡介風(fēng)冷式電冰箱的制冷系統(tǒng)設(shè)置在冷凍室，由壓機出來的高溫、高壓液態(tài)制冷劑，經(jīng)冷凝器冷卻后，被送到設(shè)置在冷凍室四周蒸發(fā)器中蒸發(fā)為氣態(tài)，同時吸收外界的熱量，達到制冷的

27、目的。壓縮機的開停定制冷的程度。在冷藏室和蔬菜室中不設(shè)蒸發(fā)器，而是將冷凍室的冷氣經(jīng)公用風(fēng)道，由風(fēng)機送給各溫區(qū)，用各區(qū)的風(fēng)門控制該溫區(qū)的溫度變化。冷凍室和其他溫區(qū)的溫度制匹配問題用模糊控制器協(xié)調(diào)。冷凍室和冷藏室的溫度控制方案基本是相同的，只是控制對象不同。前者控制壓縮機開停，后者調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)門?，F(xiàn)以冷凍室為例，說明溫度控制系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計問題。模糊控制電冰箱不僅要考慮到冷凍室溫度的恒溫調(diào)節(jié)，同時也要考慮到冷凍室溫度與食品溫度未必相同這一因素。最終應(yīng)使食品溫度保持在某一范圍內(nèi)，從未達到保鮮的目的，這是它與傳統(tǒng)的PID恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)追求的控制目標(biāo)間的差別。食品放進冷凍室即開始降溫，經(jīng)過一段時間，冷凍

28、室的溫度可能已降到給定值，但這是食品溫度還么一有達到保鮮溫度的要求，因此，這是壓縮機不應(yīng)關(guān)斷，必須繼續(xù)制冷，延長的時間，視放入的食品的熱容量而定。在壓縮機關(guān)斷以后，冷凍室的溫度開始回升，當(dāng)回升到給定值時，理應(yīng)將壓縮機再次投入運行。但實際上，這是食品的溫度猶豫熱慣性并不與冷凍室空間溫度一致，從節(jié)能的觀點出發(fā)，應(yīng)延時起動壓縮機，延時多長，也與放入食品的熱容量有關(guān)。以上分析說明，最后一次投入的食品的熱容量在以后的壓縮機控制決策的調(diào)整中起著重要的作用。但投入食品的熱容量是無法檢測的，不能指望用戶輸入，而必須利用模糊推理和軟傳感技術(shù)。投入的食品熱容量的檢測是在食品放入冷凍室并關(guān)門后5min內(nèi)進行的。一般

29、情況下，冷凍室的溫度都在-18左右，當(dāng)食品存入以后冷凍室的溫度急劇上升，上升的絕對值和變化率，決定放入食品的溫度和熱容量。第三章 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與智能控制理論31概述電冰箱的主要任務(wù)是保證所儲存的食品在經(jīng)過冷凍、冷藏之后，仍然色、味不變，其主要手段是通過保持箱體內(nèi)的最佳溫度達到食品保鮮的目的。傳統(tǒng)的PID控制方法是一種線性的控制方法，對于電冰箱這個非線性系統(tǒng)來說，它已經(jīng)不能很好地滿足系統(tǒng)控制的要求。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，以及智能控制理論在各行各業(yè)中的應(yīng)用，電冰箱控制系統(tǒng)可以采用智能控制方法進行控制。模糊控制理論發(fā)展于20世紀(jì)60、70年代，它也是一種智能控制方法。將電冰箱控制系統(tǒng)與模糊控制理論

30、有機的結(jié)合起來，必能實現(xiàn)理想的控制效果。32 電冰箱模糊控制系統(tǒng)第一章 太陽能發(fā)電1.1太陽能簡介太陽能的能源是來自地球外部天體的能源（主要是太陽能），是太陽中的氫原子核在超高溫時聚變釋放的巨大能量，人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。我們生活所需的煤炭、石油、天然氣等化石燃料都是因為各種植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來后，再由埋在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成。它們實質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風(fēng)能、波浪能、海流能等也都是由太陽能轉(zhuǎn)換來的。1.4太陽能發(fā)電類型1.6.1太陽能發(fā)電原理1.6.2太陽能電源系統(tǒng)太陽能電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源

31、單元，因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性。 (1)電池單元： (2)電能儲存單元：1.6.3控制器1.6.4DC-AC逆變器第二章 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 21太陽能光伏電源系統(tǒng)的原理及組成圖21 太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)示意圖2.2太陽能電池方陣太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為4cm2到100cm2不等。太陽能電池單體的工作電壓約為0.5V, 工作電流約為2025mA/cm2, 一般不能單獨作為電源使用。將太陽能電池單體進行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)組合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，

32、可以滿足負載所要求的輸出功率 (見圖22)。圖22 太陽能電池單體、組件和方陣 （1）硅太陽能電池單體（2）硅太陽能電池種類一般產(chǎn)品化單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 1315 %。產(chǎn)品化多晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 1113 %，產(chǎn)品化非晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 58 %。（3）太陽能電池組件I: 電流 Isc: 短路電流 Im: 最大工作電流 V: 電壓 Voc: 開路電壓 Vm: 最大工作電壓圖1-3 太陽能電池的電流電壓特性曲線（4）太陽能電池列陣設(shè)計步驟充放電控制器直流/交流逆變器蓄電池組2.6 測量設(shè)備太陽能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計第三章 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用與舉例3.5.1太陽

33、能照明的節(jié)能優(yōu)點無論是現(xiàn)在還是將來，太陽能都擁有廣闊的市場前景。潛力無限的太陽能是一種清潔、高效而且可持續(xù)的可再生能源。同時，使用太陽能也是一個明智的財務(wù)選擇。如果使用太陽能電池板為您的住宅供電，在收到每個月的電費單時，您就能體會到這一點。另外，太陽能是環(huán)保的選擇如果您知道使用太陽能將為您的孩子留下一個更環(huán)保的美好世界，您一定會感到自豪。如今，全球的光伏 (Photovoltaic, PV) 太陽能供不應(yīng)求，是增長最快的可再生能源之一。隨著制造工藝的高效化，光伏系統(tǒng)的成本將繼續(xù)下降。如今，光伏系統(tǒng)的價格已經(jīng)是 20 年前的 1/25。即使是商業(yè)電力公司，也正在尋求通過利用太陽能來構(gòu)建更為穩(wěn)定的

34、成本結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果顯示，太陽能在北方的氣候條件下更為有效。在加利福尼亞州，電費每年上漲 6.7%。太陽能則可以用來預(yù)防未來電費的居高不下。在許多國家，您可以將富余電力賣給電力公司，沖抵您的電費。與高成本的化石燃料污染和全球溫室效應(yīng)相比，太陽能不僅使用范圍廣，而且更經(jīng)濟。在近期的民意調(diào)查中，當(dāng)受訪對象被問及哪類能源最適合子孫后代時，太陽能的得分高出所有其它能源。光伏系統(tǒng)在提供電力的同時，不會排放二氧化碳 (CO2)。一塊光伏組件在 25 年的有效使用期內(nèi)，可減少約 7.5 噸的碳排放量。隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國的照明用電將大幅度提高，綠色節(jié)能照明的研究應(yīng)用，將越來越受到重視。太陽能LED照明燈具作為冷

35、光源產(chǎn)品，具有性價比較高、綠色環(huán)保、安全可靠、質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長、安裝維護簡便等特點，可廣泛應(yīng)用于綠地照明、公路照明、廣告燈箱照明、城市造型景觀照明及家居照明系統(tǒng)，但太陽能LED照明燈具一次性投入較高是其發(fā)展的瓶頸。目前，照明消耗約占整個電力消耗的20%左右，降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，業(yè)界已研究開發(fā)出多種節(jié)能照明器具，并取得了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求還較遠，開發(fā)和應(yīng)用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。 到2006年底，我國可再生能源利用量總計為2億噸標(biāo)準(zhǔn)煤(不包括傳統(tǒng)方式利用生物質(zhì)能)，約占0.5個百分點，為2010年實現(xiàn)可再生能源占全國一次

36、能源消費總量10%的目標(biāo)邁出了堅實的一步。目前，我國正在從以下幾個方面來推動光伏發(fā)電的國內(nèi)市場發(fā)展：一、啟動送電到村工程;二、在特殊工程上運用光伏發(fā)電，如世博會、奧運會等;三、在沙漠地區(qū)建光伏電站;四、動員一些城市啟動屋頂計劃;五、研究制定提高光伏發(fā)電競爭力的電價政策(光伏產(chǎn)品90%的出口以及國內(nèi)市場的缺失，都可能限制中國光伏產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展。一旦國外光伏產(chǎn)業(yè)政策有變或者為保護本國產(chǎn)業(yè)采取限制進口的措施，中國近年來大量上馬的光伏項目將面臨困境)。太陽能路燈與普通路燈相比較隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，太陽能逐漸被開發(fā)利用，并已成為最有發(fā)展前景的環(huán)保能源之一，太陽能照明就是利用太陽能最重要的途徑。太陽能

37、照明路燈采用高效單晶硅太陽能電池供電,采用免維護密封型蓄電池貯存電能,用高效節(jié)能燈照明,并采用先進的充放電和照明控制電路,具有性質(zhì)可靠、發(fā)光效率高、亮度大、安裝方便、無需鋪設(shè)電纜電線，無需交流電能和電費，采用直流供電，光敏控制、安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保，實用)壽命長,是未來戶外照明的發(fā)展方向和照明燈具中的一枝新秀。市電照明燈具安裝復(fù)雜：在市電照明燈具工程中有復(fù)雜的作業(yè)程序，首先要鋪設(shè)電纜，這里就要進行電纜溝的開挖、鋪設(shè)暗管、管內(nèi)穿線、回填等大量基礎(chǔ)工程。然后進行長時間的安裝調(diào)試，如任何一條線路有問題，則要大面積返工。而且地勢和線路要求復(fù)雜、人工和輔助材料成本高昂。對比而言，太陽能照明綠色環(huán)保

38、，能為高尚生態(tài)小區(qū)的開發(fā)和推廣增加新的賣點；可持續(xù)降低物業(yè)管理成本，減少業(yè)主公共分?jǐn)偛糠值馁M用。綜上對比所述，太陽能照明之安全無隱患、節(jié)能無消耗、綠色環(huán)保、安裝簡便、自動控制免維護等固有的特性將為樓盤的銷售、市政工程的建設(shè)直接帶來明顯可利用的優(yōu)勢。太陽能照明燈具有體積小,重量輕,低能耗,高光強,防雷擊,無須其它電源,安全可靠,安裝、維護方便等特點。太陽能照明燈可廣泛應(yīng)用于：家庭別墅、單位花園、公園綠地、環(huán)保小區(qū)、房前路邊等戶外場所的照明。一盞普通的路燈以400W光源、日工作10小時計，1年平均耗電量是1460度電，還需要專人維護、更換燈泡；而太陽能路燈一般采用壽命長達50000小時以上的LED

39、燈作為光源，日常無需增加消耗電量的費用開支。換個角度說，每裝一盞太陽能路燈，每年就可節(jié)省1460度電，十年可節(jié)省14600度。1.大陽能路燈的造價其實不高，因其使用壽命長，比普通路燈更劃算太陽能路燈其實并不貴。在很多人眼里，路燈的成本不過是一根桿，一只燈泡。但是，事實上根本不是這樣子，一盞普通路燈除了這些成本，還有預(yù)埋地下的電纜申請和施工過程的費用，還可能影響、破壞周圍植被和景觀，日常需要專人定時維護、更換燈泡，同時每隔大約1Km要建一個升壓站（防止輸電線路過長，電壓降低過大，影響燈光亮度），分?jǐn)傁聛淼某杀久勘K大約在3萬元左右，目前市政道路路燈的招標(biāo)價格每盞一般也在23.5萬元之間。而太陽能路

40、燈的最大成本就是太陽能電池板，無需預(yù)埋輸電電纜及相關(guān)工程費用，一盞812米的太陽能路燈的造價一般在1.83.5萬元之間。這些太陽能路燈一般使用的光源是長壽命的LED燈或低壓鈉燈，使用的電壓都是絕對安全的直流低電壓，采用光控、時控、全自動、無觸點電子開關(guān)，故障率極低，整體路燈使用壽命要長達15年。此外，路燈與路燈之間彼此獨立工作、互不干擾，可根據(jù)實際情況將某段時間設(shè)計成節(jié)能照明狀態(tài)，從而有效降低造價。只要設(shè)計合理，實際比普通路燈更劃算。2.偷盜難，也不劃算，太陽能路燈燈桿一般都在8米高以上，偷盜電線不合算近年來，由于銅以及其他金屬價格的上漲，偷盜路燈電纜成為一大治安問題。很多人擔(dān)心太陽能路燈采用

41、的都是高新技術(shù)的材料，一旦被盜的損失會更高，持這種觀點的人不少，不僅僅有一些政府官員，連一些能源研究專家也認(rèn)為這確實是一個問題。小偷偷電線一般用剪或用絞輪拉，目的是為了獲得金屬銅謀取利益，而太陽能路燈的內(nèi)部電線絕大部分都在燈桿里面且短而小，含銅量不如傳統(tǒng)路燈，加上燈桿較高，一般都在8米以上，要開著吊車才能將太陽能電池板和電纜快速盜走，被盜可能性比傳統(tǒng)路燈要低得多。如果小偷真的開著吊車來偷路燈了，那不知是什么天下了，應(yīng)該不是偷了而是搶了！那我們國家能有這么亂嗎？因此，偷盜太陽能路燈內(nèi)部電線是不合算的。3.大陽能路燈的造價其實不高，因其使用壽命長，比普通路燈更劃算(1)不受地理位置限制、無需消耗燃

42、料，無機械轉(zhuǎn)動部件，建設(shè)周期短，規(guī)模大小隨意；(2)安全可靠、無污染、無噪聲、環(huán)保美觀、故障率極低、壽命長；(3)拆裝簡易、移動方便、工程安裝成本低，無需預(yù)埋架高輸電線路，可免去遠距離敷設(shè)電纜時對植被和環(huán)境的破壞及其所需的工程費用；(4)廣泛應(yīng)用于道路照明上，非常適用于鄉(xiāng)村、農(nóng)場、山頭、海島、高速公路等輸電不便的偏僻地方。太陽能路燈的組成原理框圖及其工作原理（1）太陽能路燈的組成太陽能路燈由太陽能電池組件、蓄電池、電源控制器、光源等組成。如圖3-1太陽能路燈技術(shù)特點是：具有特大功率，光亮度相當(dāng)于白熾燈150W-250W時，每天8小時照明，可在連續(xù)陰雨9天內(nèi)正常工作；應(yīng)用了具有充放電保護功能、光

43、敏自控裝置和時控裝置的光電智能控制器，使產(chǎn)品可有效地節(jié)約能源，增加有效照明時間，降低生產(chǎn)成本；中央控制器單元采用單片機控制，并在智能控制器中建立了全球不同緯度的全年日照時間數(shù)據(jù)。使用時在控制器中輸入所在地區(qū)緯度，調(diào)整好年、月、日和開/關(guān)機的時間，就能夠長年自動跟蹤環(huán)境光線；在大面積使用后，啟動和關(guān)閉的時差很小，從而比較好的克服了傳統(tǒng)太陽能燈因啟動時差過大而產(chǎn)生的種種弊端。（2）太陽能路燈的工作原理太陽能光伏發(fā)電是依靠太陽能電池組件，利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，由于P-N結(jié)勢壘區(qū)產(chǎn)生了較強的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴或產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘

44、區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各自向相反方向運動，離開勢壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大體上可以分為兩類，一類是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網(wǎng)通過標(biāo)準(zhǔn)接口相連接，像一個小型的發(fā)電廠;另一類是獨立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過光伏數(shù)組將接收來的太陽輻射能量經(jīng)過高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流。而獨立式發(fā)電系統(tǒng)光伏數(shù)組首先會將接收來的太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負載，并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學(xué)能的形式儲存在蓄電池中。

45、白天的時候，太陽能電池吸收太陽光子能產(chǎn)生電能，通過控制器吧電能儲存在蓄電池里，當(dāng)夜幕降臨或者燈具周圍的廣度較低時，蓄電池通過控制器向光源供電設(shè)定的時間后切斷，這樣就可以照明了。太陽能路燈的實際應(yīng)用日前，廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局審核通過了由東莞勤上光電股份有限公司提出并組織起草的廣東省太陽能LED燈地方標(biāo)準(zhǔn)，將于09年7月1日起實施?！耙郧皼]有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)什么、怎么生產(chǎn)、產(chǎn)品達到什么技術(shù)要求沒有明確規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)出臺后，行業(yè)門坎提高了，肯定要淘汰一批不符合標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)，企業(yè)要做好準(zhǔn)備?！眹艺彰麟娖鳂?biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會負責(zé)人表示，標(biāo)準(zhǔn)的出臺將使太陽能LED產(chǎn)業(yè)提前進入規(guī)范化調(diào)試期，引導(dǎo)行業(yè)由無序、無標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，向有序、有標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，“山寨燈”橫行的局面將得以改變。即將實施的廣東省太陽能LED燈地方標(biāo)準(zhǔn)是中國大陸地區(qū)LED行業(yè)首個地方標(biāo)準(zhǔn)，適用于250V以下直流電源或1000V以下交流供電的道路、街路、隧道照明和其它室外公共場所照明用太陽能LED燈。對于照明領(lǐng)域來說，這是一次不小的革命。本次設(shè)計的太陽能路燈的總電路圖如圖3-2所示，其工作原理：太陽照射在硅光板上，太陽能電池開始工作，使二極管D1跟三極管Q1工作，蓄電池開始蓄電，待蓄電池蓄電完畢后，根據(jù)程序的設(shè)定，