基于模糊神经网络算法智能变频空调控制系统的研究

摘要

传统空调器的温度控制是通过温度传感器感受室内温度变化，来控制压缩机的开、停(压缩机以恒定的转速运行)。由于压缩机的ON/OFF控制方式及空调器自身的非线性、大延迟时滞的结构特点，造成室内温度波动性大，人体舒适性差等问题。传统空调对温度的调节是一种断续的变化过程，它不能根据环境温度变化，及时调整空调器工作状态(即压缩机转速)。近年来人们采用模糊控制算法，克服了PID算法的弊端，系统自调整性能有了很大的提高。控制系统能够根据室内温度变化，连续、动态、实时地对压缩机变频调速，即调节温度，这样克服了传统空调器在室温波动时，压缩机工作状态频繁切换的问题。 尽管常规模糊变频空调与传统空调相比，技术上有了很大的进步。但是，由于隶属函数和控制规则的获取往往依赖于专家经验，专家经验是否正确直接影响空调控制效果。同时隶属函数和控制规则一旦确定，当环境温度发生突变时，空调器工作状态仍按照既定的隶属函数和控制规则进行突变，中间没有一个过渡区，使人感到不舒适。 针对上述问题，本文探索用模糊与神经网络相结合的方法对变频压缩机进行控制。本课题构造设计了模糊神经网络控制器(FNNC)和神经网络预测器(NNP)，该控制系统以温度偏差、温度偏差变化率作为输入变量，变频压缩机工作频率变化作为输出控制量，通过对隶属函数和控制规则的调整，来提高变频空调智能化程度，即该空调器工作状态可根据用户要求和环境温度的变化而进行自动调整。在控制理论研究的基础上，设计了智能变频空调的控制系统(硬件和软件)，并对研制的智能变频空调样机进行了实验研究。论文内容安排如下： 1、第一章，绪论。本章首先介绍了传统空调控制方法存在的问题以及模糊变频空调控制的优点与不足之处；在此基础上介绍了国内外研究现状，提出了“基于模糊神经网络算法智能变频空调控制系统的研究”课题，并拟定了主要研究内容。 2、第二章，智能变频空调控制系统初步设计。本章通过对智能变频空调控制系统设计方案的比较研究，确立了一种控制方案，并对其硬件控制系统及算法进行了初步设计。 3、第三章，模糊神经网络理论基础。本章通过对模糊控制和神经网络控制方法的学习研究，总结归纳了模糊与神经网络控制相结合的实现方法。 4、第四章，智能变频空调模糊神经网络控制。本章针对变频空调控制过程的非线性与时变性特点，研究设计了变频空调模糊神经网络控制器和预测器，并对其进行了仿真，仿真结果表明该方法实现了变频空调的智能控制。 5、第五章，智能变频空调控制系统硬件设计。针对智能变频空调对硬件控制的要求，以PICl6F877为核心设计了室内机控制系统，以SSTg9E564RD为核心设计了室外机控制系统。 6、第六章，智能变频空调控制系统软件设计。本章依据硬件控制电路设计了相应的软件，主要包括室内机控制系统软件、室外机控制系统软件及室内、室外机通讯协议的制定和功能描述等。 7、第七章，实验研究。为验证理论，本章进行了基于模糊神经网络算法智能变频空调控制系统的实验研究。通过实验研究，优化了相关的控制参数，同时也验证了本理论方法的可行性。 8、第八章，总结与展望。本章对全文内容进行了系统总结，并提出本设计存在的不足及需要研究改进之处。 本课题的创新点： 1、本文通过对目前空调控制技术的研究,以及它们的优缺点分析，提出了采用模糊神经网络方法对变频压缩机进行智能控制的新思路。 2、研究构造了变频空调模糊神经网络控制模型，并在此理论研究的基础上，研究设计了智能变频空调控制系统的硬件和软件。 3、通过实验，对控制系统相关参数进行了优化，为该新型变频空调控制技术的进一步理论研究和实际应用奠定了理论与实验基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本课题主要研究内容

1.4本章小结

第二章智能变频空调控制系统初步设计

2.1变频空调基本结构、原理及分析

2.1.1变频空调的结构及工作原理

2.1.2变频器件的工作性能分析

2.2控制系统方案设计及比较分析

2.3控制系统基本结构及工作原理

2.3.1控制系统基本结构

2.3.2智能变频空调控制算法的构思

2.3.3智能变频空调控制系统总体方案构思

2.3.4智能变频空调控制系统软件构思

2.4本章小结

第三章模糊神经网络理论基础

3.1模糊控制原理

3.1.1输入输出变量的确定

3.1.2模糊化方法的确立

3.1.3模糊控制规则及模糊推理设计

3.1.4清晰化方法的确立

3.2神经网络理论基础

3.2.1人工神经元模型

3.2.2人工神经网络模型

3.2.3人工神经网络的学习方法

3.3模糊控制与神经网络的结合

3.3.1模糊控制与神经网络的融合

3.3.2模糊神经网络控制模型

3.4本章小结

第四章智能变频空调模糊神经网络控制

4.1变频空调控制系统的模糊模型

4.1.1变频空调模糊控制策略

4.1.2模糊控制器输入输出变量的确定

4.1.3输入输出变量的语言值域及相应隶属度函数的确定

4.1.4确定模糊控制规则

4.1.5模糊决策及解模糊处理

4.2模糊神经网络控制器的设计

4.2.1模糊神经网络控制模型的设计

4.2.2模糊神经网络的学习算法

4.3变频空调智能控制方法

4.3.1变频压缩机模糊神经网络控制器的设计

4.3.2神经网络预测器NNP的设计

4.4智能变频空调模糊神经网络控制方法仿真

4.4.1模糊神经网络控制器的训练

4.4.2三种控制方法的仿真及比较分析

4.5模糊神经网络算法的编程实现

4.5.1模糊神经网络的学习程序

4.5.2前向计算程序

4.5.3后向反馈计算程序

4.6本章小结

第五章智能变频空调控制系统硬件设计

5.1室内机控制单元说明

5.2室内机控制单元主要电路设计

5.2.1温度检测电路

5.2.2遥控接收及LED显示电路

5.2.3导风板、百叶窗控制电路

5.2.4风机调速电路

5.3室外机控制单元说明

5.4室外机控制单元主要电路设计

5.4.1电压检测电路

5.4.2室外风机及四通阀驱动电路

5.4.3内外机通讯电路

5.4.4变频压缩机控制电路

5.5系统硬件电磁兼容性分析

5.6本章小结

第六章智能变频空调控制系统软件设计

6.1室内机控制系统软件设计

6.2室外机控制系统软件设计

6.3室内、室外机通讯协议

6.3.1通讯方式

6.3.2内外机命令帧定义

6.4系统保护控制

6.5系统软件的抗干扰性设计

6.6本章小结

第七章实验研究

7.1模拟实验

7.1.1上位机软件设计

7.1.2下位机的配置

7.1.3模拟实验验证

7.2真实空调系统的实验

7.2.1实验简介

7.2.2实验方案设计

7.2.3实验研究

7.3本章小结

第八章总结与展望

8.1总结

8.2工作展望

致 谢

参考文献

硕士期间发表论文