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【關(guān)鍵詞】模糊；PID；電子膨脹閥；過熱度

1引言

在當(dāng)前的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，精確性、安全性、實時性成為控制方面的主要技術(shù)指標(biāo)，特別是在外界環(huán)境變化較大，溫度精度要求較高的領(lǐng)域，傳統(tǒng)的一些控制手段已無法達(dá)到控溫快速穩(wěn)定的要求。電子膨脹閥因其具有控制范圍廣、調(diào)節(jié)精度高、穩(wěn)定等特性在空調(diào)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。常用的電子膨脹閥的控制算法采用的是PID控制算法，此算法需要建立在精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上。影響空調(diào)系統(tǒng)過熱度的因素有很多，如空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的擾動、環(huán)境溫度的變化。過熱度對電子膨脹閥的動態(tài)響應(yīng)具有一定的非線性和滯后性等，所以很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。通常PID控制算法的參數(shù)經(jīng)過整定、調(diào)整后不會再作改動，單一的設(shè)定不能滿足各種工況的需要。本文主要采用模糊PID算法控制電子膨脹閥，可根據(jù)環(huán)境溫度和壓縮機(jī)的過熱度，在線修改空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑質(zhì)量流量（閥門的開度）和過熱度控制的PID參數(shù)，確保電子膨脹閥工作過程中始終處于優(yōu)化狀態(tài)。模糊PID控制算法保證電子膨脹閥能精確穩(wěn)定地控制室內(nèi)環(huán)境溫度，并且壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中一直處于最佳狀態(tài)。

2系統(tǒng)原理

變頻空調(diào)電子膨脹閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)由STM32-F407核心處理器、隔離電源模塊、PT100AD采樣單元、FET輸出控制單元、0~20mA輸出單元、RS485通信接口、以太網(wǎng)通信接口組成。其中PT100為溫度采集傳感器，F(xiàn)ET輸出控制壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)，0~20mA信號控制電子膨脹閥開度，RS485和以太網(wǎng)為監(jiān)控通信接口，STM32-F407處理器實時進(jìn)行AD采樣和模糊pid控制實現(xiàn)對環(huán)境溫度和壓縮機(jī)過熱度的控制。

3模糊PID控制

電子膨脹閥開度調(diào)節(jié)模糊PID控制框圖如圖2所示。圖中模糊PID控制器由模糊控制器和PID控制器兩部分組成。該模糊控制器的輸入變量是被控對象的反饋值與設(shè)定目標(biāo)值之間的誤差e和誤差變化率ec。根據(jù)模糊規(guī)則表進(jìn)行模糊推理，并對PID參數(shù)Kp、Ki、Kd參數(shù)進(jìn)行清晰化處理（解模糊），最后輸出調(diào)整后的PID參數(shù)至PID調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)中PID控制器的基本控制算法仍為PID，但是其中的PID參數(shù)由模糊控制器根據(jù)采集到的偏差e和偏差變化率ec進(jìn)行在線調(diào)整，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實時性與靈敏性。

3.1模糊化

模糊控制器采用二維模糊控制模式，即采用過熱度偏差e和過熱度偏差變化率ec兩個變量反應(yīng)控制過程中輸出變量的動態(tài)特性。根據(jù)經(jīng)驗確定過熱度偏差e的基本論域為[-20,20],離散論域為E={-3,-2,-1,0,1,2,3},量化因子為Ke=0.15。過熱度變化率ec的基本論域為[-0.6,0.6],離散論域為EC={-3,-2,-1,0,1,2,3},量化因子Kec=5，模糊控制器輸出變量Kp、Ki、Kd的基本論域為[-1,1]，模糊論域為[-3,3]，比例因子Kp、Ki、Kd的值都是1/3。將Kp、Ki、Kd分為7個模糊區(qū)段子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},其中NB表示負(fù)向較大偏差，NM表示負(fù)向中等偏差，NS表示負(fù)向較小偏差，ZO表示接近零偏差，PS表示正向較小偏差，PM表示正向中等偏差，PB表示正向較大偏差。

3.2模糊控制規(guī)則

當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時，PID調(diào)節(jié)應(yīng)以盡快消除偏差為主，當(dāng)偏差較少時，要注意增加系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性，防止超調(diào)。當(dāng)偏差e與偏差變化率ec乘積小于零或者偏差為零時，說明系統(tǒng)的誤差趨于減少，或者已達(dá)到平衡狀態(tài)，此時應(yīng)保持控制器輸出不變。采用Mamdani模糊推理方法，根據(jù)實際操控經(jīng)驗，將在操作過程中可能遇到的情況和相應(yīng)的控制策略編寫成控制規(guī)則表，系統(tǒng)的過熱度模糊規(guī)則表如表1所示。

3.3解模糊

我們可以采用重心法對上述求出的PID參數(shù)進(jìn)行清晰化（解模糊），所用公式如下：式中Z0為模糊控制器輸出量解模糊后的精確值；zi為模糊控制量論域內(nèi)的值；為zi的隸屬度值，其中i的范圍為1~n（n=7)。在控制過程中，核心處理器根據(jù)溫度傳感器的采樣值得到當(dāng)前的過熱度的偏差和偏差變化率，再按照模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊化處理得到對應(yīng)的論域元素。采用重心法進(jìn)行解模糊，從制定的模糊控制表中查詢計算得出PID參數(shù)的變化量∆P、∆I、∆D，再根據(jù)調(diào)整因子更新初始的PID參數(shù)。PID參數(shù)Kp、Ki、Kd的計算公式為：Kp=(Kp0+∆P)*eKi=(Ki0+∆I)*ecKd=(Kd0+∆D)*sumE其中Kp0，Ki0，Kd0為PID參數(shù)的初始值。在控制過程中通過更新PID調(diào)節(jié)器參數(shù)輸出量，進(jìn)行計算后輸出為電子膨脹閥的電流值，從而調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度實現(xiàn)壓縮機(jī)過熱度的控制。

4實驗結(jié)果及分析

將本文設(shè)計的模糊控制器應(yīng)用工業(yè)變頻空調(diào)控制機(jī)房溫度。試驗分別對兩個方案進(jìn)行了對比實驗方案一，使用傳統(tǒng)PID算法控制電子膨脹閥；方案二，使用本文的模糊PID算法控制電子膨脹閥控。通過試驗對比可知兩套方案都可以把環(huán)境溫度都控制在20℃，但是兩種方法的控制效果不同。本文設(shè)計的基于模糊PID控制器的電子膨脹閥控制方案，在制冷過程中無論是超調(diào)量、控制周期還是最大偏差值等重要的PID控制指標(biāo)上都明顯優(yōu)于采用常規(guī)的PID控制算法，而且在控溫試驗過程中，壓縮機(jī)過熱度一直保持在正常范圍之內(nèi)，整個系統(tǒng)的溫度平穩(wěn)，波動小，響應(yīng)靈敏。兩種方案測試的環(huán)境溫度曲線如圖3所示。

5結(jié)束語

通過對本文設(shè)計的這種采用模糊PID控制電子膨脹閥的方案的研究及多種工況下的實驗發(fā)現(xiàn)模糊PID控制電子膨脹閥控制變頻空調(diào)方案相對于傳統(tǒng)的PID控制器，在超調(diào)量、調(diào)節(jié)周期以及最大偏差值等PID指標(biāo)上都有顯著的提高，整個系統(tǒng)運(yùn)行高效、穩(wěn)定。采用模糊PID控制電子膨脹閥的方案對空調(diào)制冷系統(tǒng)的性能和可靠性都有明顯提升，抗干擾能力強(qiáng)，有良好的魯棒性，該控制方案在不同控制系統(tǒng)上具有較好的移植性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者：趙英軍 單位：深圳麥格米特電氣股份有限公司