变频空调常用频率控制技术的仿真研究

2.1 PID控制PID控制算法是工业控制领域应用最为广泛的控制方

法叫其结构简单、稳定性好、工作可靠。变频空调领域通常

超调量、稳定性和控制精度都具有优势，在变频空调器频率控制上具有广阔的应用前景。关键字________________________________________________________________________________________________________

变频空调；频率控制；PID；模糊：模糊-PID用于控制压缩机频率，输入为温度偏差，输出为频率值。为 了方便实行计算机控制，需将模拟PID控制规律的微分方程

AbstractAiming at the characteristics of wide frequency range and variable use environment of household inverter air conditioners, several commonly used frequency control techniques are studied. Simultaneously, a simulation system is constructed to simulate and compare the control effects

转化成离散形式的差分方程，即：uPtD = K peg + K 主e(k) + K d(业1匕片(1)under different deviations. The simulation results show that the fuzzy-PID control has advantages in response speed, overshoot, stability, control accuracy, and has broad application prospects in inverter

o /

式中：Hp,DPID控制输出频率值，Hz；e(k)---采样时刻的温度偏差值,°C；Kp----比例系数；air conditioner frequency control.KeywordsInverter air conditioner; Frequency control; PID control; Fuzzy control; Fuzzy-PIDK,——积分系数；Kd——微分系数；k一一釆样序号；t一一采样周期。2.2改进型PID控制1引吉

近年来变频空调器的市场份额已超过定频空调器，随

家用变频空调器可以设定的温度范围非常广，在

16〜30°C之间，用户的使用环境也各不相同。因此，传统PID 控制用于家用空调需要面临积分项的两个问题：着节能观念的普及和消费升级，变频空调器将有更大的市

场空间。然而，变频空调是否节能，与其所用的频率控制方 法有着密切的关系。一些厂家由于使用了过于简单的频率控

(1)积分项饱和问题。在设定温差大或温降速率小的制方法，使空调器在高频与低频之间波动运行，甚至长期高 频运行，无法真正实现变频空调的节能与舒适。如何使空调 器根据房间的负荷及用户设定情况，在短时间内捕捉到一个 适合的频率稳定运行，是频率控制的关键所在。«1趴6＜；与11的控制规则表NMNSPBZ0PSPBPMPMPBPBPBPBPBPMPMNMPBPBPBPMPMPMNSNSZ0PBPMPSZ0PSPSZ0PBPMPM本文就变频空调器上常用的几种频率控制方法进行分 析，建立数学模型。结合变频空调系统的实际情况，构建系

PSPSPSZ0NSNMPSZ0PSPSPMPSZ0NSNMPSZ0统模型进行仿真，并对结果进行分析。NBNSNS42Articles论文情况下，容易造成积分项过早饱和，增大系统的超调量，甚 至引起振荡。（2）积分增益取值问题。积分增益值取大了会产生超 调，取小了迟迟不能消除静差，稳定时间长。为解决上面两个问题，本文应用积分分离和变速积分

对传统PID控制进行改进。积分分离是当温差较大时取消积 分作用，避免积分过早饱和，当温差降至某-范围内时引入 积分控制，以便消除偏差提高精度。而变速积分就是改变积

分项的累加速度，使其与温差大小相对应，温差越小，积分 增益越大，反之则越小叫改进后PID差分方程表达式为：恤二％⑷+ 伙）]片（灯+心（辿口口）（2）其中:(3)/[£伙)]=A

伙)|(4)式中:P—一积分分离系数；£——积分作用的温差阀值,°C;f[e（k）]——变速积分函数；A一一变速系数。2 3模糊控制模糊控制是将被控对象经过模糊化接口转换为可用语

言描述的模糊量，而后根据经验的控制规则，经过模糊推理 得到输出控制量的模糊取值，再经过清晰化接口转换为能 够被执行的输出量叭其设计不依赖于被控对象的模型，能

够很好地控制时变、时滞的系统。结合变频空调器的实际情况，模糊控制器输入量为温度偏差值e和偏差变化率ec,输出的控制量为模糊控制频

•组固定不变的参数去适应变化的偏差、干扰等众多因 素，显然是难以获得满意的控制效果，这就需要加入模

率讥输入量e的论域为卜2, +6],控制语言变量分成｛NM,NS, ZO, PS, PM, PB｝ 6个；输入量ec和输出量“的论域分别 为卜0.35, +0.35]和卜6, +6],控制语言变量分成｛NB, NM,糊控制。模糊控制不依赖控制对象的这一优势弥补了PID 控制的不足。模糊-P【D结合控制，目的是充分发挥PID控 制和模糊控制的优势。两者结合方式有多种，本文采用的

NS, ZO, PS, PM, PB｝ 7个，分别表示｛负大，负中，负小，

零，正小，正中，正大｝。e、ec和“均采用高斯隶属函数，如图

Bialkowski法，该控制方式是由PID控制器和二维模糊控 制并联而成，简单可靠⑷。模糊-PID混合控制输岀等于P1D

1〜3所示。模糊库使用Mamdani模糊类型，编辑器使用“If e and

控制器的输出加上模糊控制器的输出。ec then u”形式，按表1的控制规则整合模糊逻辑。每条规则 的加权值为1,推理算法为max-min合成法，解模糊方法采

3仿真及分析用面积重心法。3.1构建仿真模型为提高仿真的精度，需要搭建-个理想系统模型：围护

2.4模糊—PID控制P1D控制器的二个增益系数之间是互相制约的，以结构的漏冷量与空调的供冷量共同作用于具有确定初始温43Articles论文家电系统控制技术专题44PID反馈器减法器改进型PID分一 1一 .0.02初始溫度fi模糊LJ-WT7850TT0-通道选择器空调传递函数房间传递幟延迟器目标温度fie模腑P1D度7；的房间，经空气扩散、传热和延迟后再与目标温度7；札 1

比较，系统得出判断并进行调整。空调器模型相当于一个积分环节与一个惯性环节的串

联。各模式控制输出量为频率信号，调节压缩机功率，经积 分环节积累转化为压缩机做功，再乘-个控制压缩机转速

的惯性环节后相于空调散热片温度变化量⑸。其传递函数

确定为：s 20s +1空调风机将散热片冷量带出，经空气扩散和传热逐渐

使房间温度降低。因此，房间是-个具有大惯性和大延迟的

31系统，可以近似看成是一阶惯性环节加纯滞后的模型叫其 302928传递函数确定为：2726G($) = _l-严

⑹850s+ 1P)

翌建

建立系统仿真模型如图4所示。3.2结果及分析将前文中四种控制方法分别写入对应的逻辑编译器 中，采用通道选择器进行切换⑺。对于改进型P1D,积分作

10

20

30

40

50 60时间(min)用的温差阀值£取6€,变速系数/取2。仿真时目标温度7；固

定为26°C,为模拟“大偏差”、“中偏差”和“小偏差”3种情

285况，初始温度人分别设置为36°C、31°C和28°C。分析各模式 28O下的控制效果。仿真结果如图5〜7所示。27

.5Q“大偏差”下，PID控制受积分饱和影响，存在较大的 27.6超调，超调量达到1.8°C且波动50m in后才趋于稳定。改进型

UJ2.5OPID控制由于其枳分项受到了制约，超调量有明显改善，波

輕6.5

理2125

.5Q

动量也相对较小，但是响应速度要稍慢一些。模糊控制响应

245

速度最快且稳定性好，但是无法消除稳态偏差，稳态偏差 2

达到1.5°Co模糊-P1D控制最为理想，响应速度快，几乎没有 超调，且控制精度高，稳定性好。(下转4顶)Articles论文技术相配合，实现冷热水混合及系统工况运行随环境工况 应用开发主机来电自启、切换、远程控制、无线射频、红外

变化协调工作，节省电能。遥控编码瞬时学习与复制、RS485与串口服务器数据转换 通信、无线Wi-Fi、控制器MODBUS RTU通信协议、远程 传输数字加密、MPLAB8.92模拟仿真与编程等二十多项

3 2无线网络转换技术应用采用工业级设计，能适应工作环境恶劣的现场要求，

能够完成远程无线数据传输功能。系统带有看门狗WDT保

技术，依据国家出台的相关规定实现库房温湿度检测、记

护，确保设备永远在线。支持TCP、UDP通讯方式、支持固 定IP或DNS域名访问、支持点对点，点对多点联网方式、上

录、分析的自动化管理。核心系统比空调器、除湿机、空气 净化器系统节能20%。相关技术还可推广应用于农业干燥 机、恒温泳池、高大建筑空调系统及制冷设备性能研究测

电自动拔号上网，自动连接服务器、内嵌标准的TCP/IP协议 栈,支持数据双向全透明传输。试实验室等。3.3集中监控网关技术应用内部电路为无源转换电路设计、控制逻辑处理编程设

参考文献HI朱丽梅，袁晓凤.关于纸质档案保管环境状况的探讨[J」.三台世界，

计、RS485远程采集、采用VB编程技术的节能控制系统。每

2006, 24：24 25.f2|张桂芝.桓温恒湿空凋控制中存在的问题及对策[J].科技创新与应用， 2014, 15：83 83.L3I潘子东.探析恒温恒湿空凋控制〔J].建讽工程技术与设计，2015,

个控制末端配备1个红外发射器控制主机开关，1个电流互 感器判断主机状态，1个温度探头反馈给中控系统。4：739 -739.(41王静云，马练兵.桓温桓湿实验室温湿度监控装置的硏究[J].中国纤 检，？017, 12： 60 62.4结论本文针对在寒暑假期间维持学校档案库房环境人力 成本高、控温控湿设备常处开机状态能耗高、现有的恒温 系统控制精度低等问题，提出一个高精度高效的无人值守

[b]中华人民共和国档案法中华人民共和国国务院令第676号.16J档案馆建设标准[S].建标[2008]51号.(/I档案安全保护技术管理暂行规定[Z].I8I陈雪清，童蕾.黎泽明.制冷热回收式中低温桓温槽循环系统设计及制

作IJ〕.家电科技，2016, 8：36 39.档案库房环境监测与调节系统设计方案。档案库房环境监 测与调节系统运用温度、湿度独立控制的思想，采用热回

基金项目1.厂东省教育厅20\"年度科硏顶目：特色创新顶目(自然科学)《档案库房 综合管理系统关键技术硏究及工程应用〉?•广东省高校档案工作协会2018年科研课题《葛校档案库房环境监测与调节

收、微循环、分程及串级控制技术构建双度串级调节多源

恒温循环系统，融合计算机技术、互联网、云平台及APP

系统研究〉(上接44页)“中偏差”下，PID控制没有受到积分饱和影响，超调

所改善，可以较好地应用于变频空调器。模糊控制具有响应

量降低至0.5°C。改进型PID控制由于变速积分效果，波动量

速度快的特点，但是存在不同程度的稳态偏差，控制精度较 差。将模糊与PID结合的模糊-PID控制在不同偏差下都表现 出最好的控制效果，在响应速度、超调量、稳定性和控制精

比PID控制更小。模糊控制仍然存在0.7°C的稳态偏差，而模 糊-PID控制表现依然较好，能快速趋近目标值，且不出现超

调，稳定性和控制精度高。度都具有优势。这种模糊-PID的频率控制方法可靠性高且 容易实现，在变频空调器上具有广阔的应用前景。参考文献[11吴宏鑫.沈少萍.PID控制的应用与理论依据[J].控制工程.2003, 10(01)： 37 42.[21刘金银.先逬门。控制及其MATLAB仿真(M].电子工业出版社，2011.[3] 王耀南，称炜.智能控制理论及应用[M].机械工业出版社，2010.[4] 赵瑞军.模糊PID控制技术在中央空调系统中的应用与硏究[D].天津

\"小偏差”下，各模式的响应速度都十分接近，PID控 制、改进型PID控制和模糊-PID控制都出现了不同程度的超

调，其中模糊-PID控制超调量最小。模糊控制的稳态偏差缩 小到0.2°C,已经十分接近目标值。4结论通过构建仿真模型进行仿真及分析，可以看出传统PID

大学，2005.[& I杨春敏，王信用.房间温度模糊控制系统及其仿Ml JJ.能源技术，

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控制在变频空调上应用效果欠佳，经过积分分离与变速积 分处理之后的改进型PID控制，在控制超调量和波动性上有

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