基于MATLAB的变频空调模糊控制器设计与仿真电气7班0902107016吴炎强

基于MATLAB的智能变频空调模糊控制器设计与仿真变频空调控制系统能够根据环境热负荷的变化来控制压缩机的转速，从而控制空调器的制冷量（制热量）。当室内需要急速降温或急速升温、室内空调负荷加大时压缩机转速在微处理器的控制下加快，制冷量(或制热量)按比例增加;当室内负荷减小时，压缩机转速则按比例减小，因此，随着季节和昼夜的变化，空调器的变速运转既可以节能又可保证房间内舒适。变频空调器控制系统改善了普通空调控制系统的不足，具有很多优点：如压缩机采用了比单相电机效率更高的三相电机，在电机的控制上采用了变频调速技术，在室内温度的调节上则引入了自动控制理论，采用了智能模糊控制的控制策略，使得在大部分运转时间电机的运转速度能和室内的负荷相协调，避免了压缩机的断续运转，与普通空调相比有效地延长了压缩机的使用寿命；压缩机从低频启动，启动电流小，对电网无冲击，对其它电器无干扰等；启动后，压缩机能够高速运转，快速接近设定温度；当室内温度趋向设定温度时，压缩机低速运转，减少开停次数，降低室温波动，提高舒适度等。因此，变频空调的出现是空调器发展的一次变革，有广阔的发展前景，是空调的一个重要发展方向。1.基于MATLAB的变频空调模糊控制器设计过程MATLAB是美国的MATHWORKS公司于1982年推出的一套高性能的数值计算软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。在这个环境下，对所要求的问题，用户只需简单的列出数学表达式，其结果便以数值或图形方式显示出来，并且在它的界面下可以编写程序、运行程序并跟踪调试程序。MATLAB环境下的“模糊推理系统工具箱”(FuzzyInferenceSystemToolboxForMatlab)，该工具箱集成度高，内容丰富，基本包括了模糊集合理论的各个方面，其功能强大和方便易用的特点得到了用户的广泛欢迎，现已经成为模糊控制系统设计的首选工具[5]。MATLAB提供的simulink是一个用来对动态系统建模、仿真和分析的软件包。它支持连续、离散及两者混合的线形和非线形系统。Simulink包括多个子模型库，每个子模型库中又包含多个功能模块。利用这些模块可以较容易的建立系统模型，然后直接进行仿真，并可由模拟示波器将仿真结果予以显示。在MATLAB下设计模糊控制器、建立系统模型的过程如下所述。1.1变频空调模糊控制结构变频空调器采用模糊控制技术输入作模糊技术处理后，可实现对多变量的动态控制，其控制关系如图1-1所示。图1-1变频空调器的模糊控制关系它包括三个输入量：室内温差及其随时间的变化率，室内热交换器温度及其随时间的变化率，室外热交换器温度及其随时间的变化率。输出包括对空调器和制冷制热除湿化霜风向风量等功能实行智能化控制。我们这里通过模糊控制研究的空调控制系统实际上包括两个输入量：温度偏差E，温差变化率cE，一个输出量：压缩机运转频率增量U。设计的双输入单输出模糊控制器如图1-2所示。模糊控制规则模糊判决对象模型模糊化de/dtEEcuUece图1-2双输入单输出模糊控制器模糊输入接口主要功能是根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择的系统输入变量，并对输入变量的精确值变为模糊量，即将在被控系统的温度差及温度差的变化率的精确值转化为模糊量，以便进行模糊化推理和决策。模糊决策机构的主要功能是根据输入变量的模糊量和模糊推理规则表推出控制决策。模糊输出接口的主要功能是把经模糊推理决策后所得的模糊控制量转化为精确量，去控制压缩机的转速。1.2模糊控制器的设计1.精确量的模糊化(1)温度偏差的模糊化：温度偏差e是指设定温度T设定减去实测被控对象的温度值室内温差d/dt室内热交换器管壁温度d/dt室外换热交换器壁温度d/dt单片机制冷制热除湿化霜风量风向T室内的差，语言变量表示为E。将E的模糊子集iA相应的语言值设定为{负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)}。设E的论域为：6,5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6E其隶属度函数取高斯型[16]，一般可表述为：22/expcxx(3-1)隶属函数表示如图1-4所示。(2)温差变化率的模糊化：温差变化率为/ecdedt，语言变量表示为cE。将cE模糊子集iB相应的语言值也设定为{负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)}。设cE的论域为：6,5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6cE其隶属度函数取高斯型，隶属函数表示如图1-5所示。(3)压缩机运转频率增量的模糊化：取语言变量表示为U，将U的模糊子集iC相应的语言值设定为{负很大(NL)、负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)、正很大(PL)}。论域为：9,8,7,6,5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9U其隶属度函数取高斯型，隶属函数表示如图1-6所示。图1-4温度偏差的模糊化图1-5温差变化率的模糊化图1-6压缩机运转频率变化率的模糊化2模糊控制规则的确定模糊控制的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以“IF（条件）THEN（作用）”形式表示的控制规则,通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象或过程。对于双输入单输出的二维模糊控制器，其规则描述为：ifE=AandcE=BthenU=C模糊控制规则是模糊控制器的核心，它的质量直接影响系统的响应特性。考虑到空调系统被控制对象具有纯滞后的特点，在建立模糊控制规则时，要注意以下情况：(a)在降温起始段，为了克服大惯性引起的被调量变化缓慢，加入大的控制量。(b)在降温后期，为了克服大惯性引起的超调，提前施加抑制量。(c)对于温度上升段，也作相应处理。根据专家对温度现象的控制经验制定的控制规则如表1-1所示。表1-1模糊控制规则EecNBNMNSZOPSPMPBNBPLPLPBPMPMNSNMPLPBPBPSPSNSNMPLPBPMZOZONMNBPBPBPMZONMNBNBPBPMZOZONMNBNLPMPSNSNMNBNBNLPMPSNMNBNBNLNLNMNSZOPSPMPB3..模糊推理这里采用马丹尼极小运算法[16]。本系统中是两个输入量E，cE，和一个输出量U的二维模糊控制器。控制规则取为：1R：ifEis1AandcEis1B，thenUis1C2R：ifEis2AandcEis2B，thenUis2C………………nR：ifEisnAandcEisnB，thenUisnC其中，1A，……，nA，1B，……，nB和1C，……，nC均为输入输出论上的模糊子集。已知00,EeEcec，则可根据隶属函数00(),()iiABeec(i＝1，2，……，n)及公式(3-1)得到合成推理结果：1212()[()][()][()]ncccncuuuu(1-2)式中：00eceiiBAi(i＝1，2，……，n)(1-3)4.解模糊模糊推理得到的结果是一个模糊量，不能直接控制被控对象，还需要采取合理的方法将模糊量转换为精确量。解模糊的目的是根据模糊推理的结果，求得最能反映控制量的真实分布。目前最常用的解模糊有最大隶属度法、中位数法和加权平均法三种，其中加权平均法计算量小，精度高，是模糊控制系统中应用较为广泛的一种判决方法，本次设计即采用加权平均法完成解模糊。其论域是离散的，因此，计算公式为[13]：△UEcniicniicizzzzdfz110''(3-4)当然，实际中存在这样的现象：制热时算出的频率为负值，即为应该制冷(或者制冷时运算出的频率为正值)这时输出的频率f应限定在压缩机的最低运行频率上。上面讲到的是模糊区域的算法，而在确定区域，如制热时温差E3C(或制冷时E-3C)时，直接输出0z为确定量，即压缩机最高运行频率，而在制热时如果E-3C(或制冷时E3C)时，说明即使压缩机以最低频运转也难以维持热量的平衡而达到设定温度，这时压缩机应该停止运转。5.在matlab下建立模糊控制器进行仿真1.1.1建立FIS的主框架在MATLAB提示符下键入Fuzzy命令，启动FIS编辑器。命名模糊推理系统(FIS)为AC，并在FIS编辑器中为该系统添加两个输入变量，命名为E和EC，分别代表温度偏差和温度偏差变化率。如图4-1所示。图4-1建立FIS主框架1.1.2隶属度函数的确立双击E，打开隶属度函数编辑器，并在隶属度函数编辑器的Edit下选择“AddMFS…”，在弹出的对话框中选择隶属度函数（MFType）和语言值个数(NumberofMFS)，然后如图4-2所示，分别将各隶属度函数命名为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，并设置当前变量的变化范围和其在隶属度函数上的显示范围。同样的方法设置EC和U。图4-2确立隶属度函数1.1.3编辑控制规则双击FIS编辑器上部中央表示模糊推理系统的白色方块,将打开模糊规则编辑器，根据前面各个变量之间的模糊规则表3-1（规则共计49条）依次来输入模糊控制规则。这是两个输入和单输出的控制规则。规则观察器以非常详细的方式显示了特定输入下每条控制规则是如何起作用的，以及隶属度函数形状的变化对输出的影响，如图4-3所示。图4-3控制规则编辑1.1.4规则观测器和曲面观测器现在我们可以用规则观测器ruleviewer和曲面观测器surface来查看模糊规则推理和输出曲面。如图4-4、图4-5所示。图4-4规则观测器图4-5曲面观测器1.2Simulink下系统建模仿真1.2.1对象模型的确定由专家的经验可知空调的数学模型是一个非常复杂的高阶系统，一般用带纯滞后的二阶惯性系统可到达控制效果，我们可用下面的模型作为本次仿真的数学模型[12]：1121sTsTKesGs(4-1)其中：1T=25，2T=12.5，K=20。1.2.2控制系统模型的建立利用所学的自动控制原理的知识，在MATLAB工作区键入simulink命令，建立仿真模型，在打开的simulink库（SimulinkLibraryBrowser）中选择系统模型中所需要的Constant、Gain、Derivative、Saturation、FuzzyLogicController、TransportDelay、TransferFcn、Subsystem及scope等模块，连接各个模块并设置各模块参数，建立的控制系统模型如图4-6所示。运行“FuzzyAC”命令，并将模糊控制系统导入到工作区中（workplace）中，双击FuzzyLogicController图标在出现的FISMatrix文本框中输入“AC”，将工作区中的FIS结构与该模糊控制器连接起来，完成将模糊控制器嵌入simulink仿真系统的工作。点击start命令即可开始系统仿真。图4-6空调控制系统模型Subsystem1的具体输入输出模型如下：图4-7Subsystem1的输入输出的仿真模型图