作者簡介：

魏明楠（1988-）男 河北唐山人，碩士研究生，主要研究方向為機電系統(tǒng)測控技術(shù)。

王子文（1956-），男，碩士研究生，教授，主要研究方向為機電控制學(xué)。

摘 要：針對目前超市和酒店等大型機構(gòu)對冰箱的管理與使用存在管理不便、設(shè)備采購及使用成本高，且恒溫冷藏、冷凍效果差等問題，提出一種基于CAN總線的冰箱集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將所有冰箱的核心控制器的功能集成在一個主控計算機內(nèi)，對大量的冰箱進行集中控制，通過主控計算機界面對冰箱的運行情況進行顯示。介紹了集成控制系統(tǒng)下冰箱控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，以及對實現(xiàn)溫度控制、容霜以及故障報警功能的硬件設(shè)備，設(shè)計了對系統(tǒng)溫度進行智能控制的Fuzzy-PID控制策略，并對集成控制的軟件進行了仿真分析，該系統(tǒng)能夠簡化冰箱的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低冰箱設(shè)備的使用成本。

關(guān)鍵詞：商用冰箱 集成控制 總線 虛擬儀器 溫度控制

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（a）-0000-01

冰箱如今已經(jīng)作為人們?nèi)粘Ｉ畹谋仨毱飞钊氲饺藗兩畹拿總€部分，回顧冰箱產(chǎn)品的的發(fā)展，從20世紀(jì)的90年代以來，冰箱產(chǎn)品的發(fā)展越來越快，先后出現(xiàn)了由單片機控制的冰箱以及其它電器設(shè)備。目前的冰箱產(chǎn)品多是以家庭為單位，其冰箱做為一個獨立的設(shè)備進行設(shè)計與制造，同時面向超市、酒店等大型機構(gòu)的冰箱冷凍設(shè)備只是在體積和規(guī)模上做的更大，其本質(zhì)上還是獨立的硬件設(shè)備，在控制方式上也采用獨立的控制，對于一個規(guī)模比較大的超市來說，需要采購上百臺的冰箱，而每個冰箱的硬件結(jié)構(gòu)都基本相同，都采用基本相同的控制器控制運行，核心控制器和操作面板的成本占冰箱絕大部分，這無疑是一種巨大的浪費。另外，現(xiàn)有的高檔冰箱基本都是由單片機作為控制器，由于單片機的運算速度、存儲容量有限，控制功能少，控制策略簡單、固定，又由于超市、酒店冰柜操作頻繁，很難實現(xiàn)恒溫冷藏或冷凍效果。

針對上述問題，設(shè)計一種商用冰箱集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于總線網(wǎng)絡(luò)采用普通PC機作為主控計算機，將所有冰箱的控制和顯示等功能集成在主控計算機內(nèi)，可采用智能控制策略對所有冰箱進行實時控制，將控制的執(zhí)行元件和傳感器等集成在冰箱內(nèi)。采用集成控制既可降低控制器的能源消耗，大大降低了冰箱系統(tǒng)的成本，也可采用智能控制，確保冰箱恒溫冷藏、冷凍效果。

1集成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

商用冰箱集成控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括：1）主控計算機，主要用于完成冰箱的溫度控制、容霜控制以及故障報警功能。2）CAN總線網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)主控計算機與受控冰箱的通訊連接。3）受控冰箱設(shè)備，其內(nèi)部的傳感器信號的采集與壓縮機的控制等功能由STM32單片機完成。系統(tǒng)的主控計算機采用普通運行Windows操作系統(tǒng)的PC計算機，對于計算機配置要求在此不做討論，主要對集成控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)以及受控冰箱的信號采集及電源等設(shè)備進行設(shè)計。

1.1 系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備

商用冰箱集成控制系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線，與無線通信方式相比，CAN總線的抗干擾性能具有顯著優(yōu)勢，能夠保證在外接強電磁干擾環(huán)境下的通信穩(wěn)定性，CAN節(jié)點硬件配置可靠，主控節(jié)點能夠以廣播的形式發(fā)送信息，實時性好。在本次設(shè)計時在主控計算機端選用武漢諾比特機器人公司生產(chǎn)的USB-CANV2適配器作為通信設(shè)備，下位機冰箱節(jié)點選用TJA1050與STM32單片機作為下位機的通信設(shè)備[1]。

1.2 冰箱內(nèi)傳感器與壓縮機控制設(shè)備

冰箱內(nèi)的溫度與濕度的檢測是溫度控制以及容霜控制的基礎(chǔ)，本方案采用AM2303型溫濕度采集模塊作為系統(tǒng)的溫度與濕度傳感器，該傳感器在檢測濕度時的精度能夠達到±2%，在檢測溫度時的精度能夠達到±0.3℃，對與冰箱冷藏室和冷凍是的溫度濕度檢測，這樣的精度完全能夠滿足設(shè)計要求。STM32F103RCT6單片機最小系統(tǒng)擁有16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、7通道的DMA控制器、16位定時器、USART接口、CAN接口（2.0B）和USB2.0全速接口（12 Mbps）等功能接口。其通過內(nèi)部的定時器TIM1和TIM2可以產(chǎn)生6路帶死區(qū)控制的PWM型號，可以直接控制帶有三相直變頻壓縮機的能力[2][3]。

1.3 系統(tǒng)電源模塊

本次設(shè)計中STM32單片機的供電電壓范圍為2-3.6V，通常對其供電的電壓為3.3V。溫濕度采集模塊AM2303的供電電壓為5V，同時對冰箱電源開關(guān)的控制需要采用繼電器，其供電電壓為24V，綜合考慮后選擇24V為外部電源的供電電壓，其外部供電電源采用愛浦電子生產(chǎn)的WA5-220S24D3型交直流模塊電源，其輸入電壓范圍為AC120-380V，輸出電流為210m。同時設(shè)計了24V轉(zhuǎn)5V電源以及5V轉(zhuǎn)3.3V電源電路來完成對節(jié)點系統(tǒng)的供電。其中24V轉(zhuǎn)5V 電源通過TPS5430電源轉(zhuǎn)換芯片完成，其正常最大輸入電流為4A，輸入電壓為5.5V—36V。其最低電壓輸出為1.22V。5V轉(zhuǎn)3.3V電源的供電電路采用ASM1117抵壓壓差電壓調(diào)節(jié)器作為轉(zhuǎn)換工作的控制芯片，其電壓輸出范圍為1.2V-37V，負(fù)載穩(wěn)定電流為800mA，ASM1117也具有電流限制與熱保護能夠長時間穩(wěn)定運行，同時ASM1117的線性調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固態(tài)穩(wěn)壓器好。

1.4 容霜加熱模塊

本次設(shè)計的冰箱容霜模塊，采用電阻絲輔助加熱的方式來加快冰箱的容霜，加熱電阻絲，加熱控制的控制電路由 MOC3021型光電耦合器以及型號為BTA41600B可控硅組成，電阻絲采用 220 V 工頻交流電源供電在需要加熱容霜時，加熱控制端轉(zhuǎn)換為低電平，電阻絲開始加熱，當(dāng)化霜停止進入滴水時間時，則改為高電平，電阻絲停止加熱。

2 集成控制系統(tǒng)控制策略及軟件設(shè)計

目前使用的商用冰箱，如超市，其在使用時都是大量集中的使用，而單個冰箱采用內(nèi)部的控制器對冰箱的冷凍或冷藏室的溫度進行獨立控制，為了降低制造成本其控制器一般采用單片機來進行實現(xiàn)，因此，冰箱的溫度控制策略的選擇也受到硬件設(shè)備的局限，導(dǎo)致控制效果不是很好[4-6]。本次設(shè)計的商用冰箱集成控制系統(tǒng)采用主控計算機對各個子冰箱的冷凍冷藏室溫度進行集中控制，在主控計算機中利用其硬件優(yōu)勢可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制策略，本次設(shè)計對冰箱冷凍冷藏室的溫度控制采用Fuzzy-PID，此控制器采用主控計算機通過軟件的編程的方式實現(xiàn)，F(xiàn)uzzy-PID的輸入量為溫度偏差E以及溫度偏差的變化EC ，其控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

根據(jù)參數(shù) ， ， 對系統(tǒng)動態(tài)特性和靜態(tài)特性的影響，模糊控制規(guī)則依以下原則制定。

1）若偏差|E|較大，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，取值如下：

當(dāng)E<0：EC > 0時， 取較大值， =0， =0值；EC< 0時， 取較大值， 取較大值， =0值。當(dāng)E>0，EC > 0時， 取較大值， 取較大值， =0值；EC< 0時， 取較大值， =0， =0值。

2） 若偏差|E|處于中等，為了使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，取值為：

當(dāng)E<0：EC > 0時， 取中等值， =0， =0值；EC< 0時， 取中等值， 取較大值， =0值。當(dāng)E>0，EC > 0時， 取中等值， 取較大值， =0值；EC< 0時， 取中等值， =0， =0值。

3） 當(dāng)偏差|E|較小，為了使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，取值應(yīng)為：

當(dāng)E<0：EC > 0時， 取較小值， =0， 較小值；EC< 0時， 取較小值， 取較大值， 中等值。當(dāng)E>0，EC > 0時， 取較小值， 取較大值， 中等值；EC< 0時， 取較小值， =0， 較小值。根據(jù)以上原則，可以的得到 ， ， 的模糊控制表， ， ， 為采用常規(guī)方法整定的PID控制參數(shù)則 （1）

（2）

（3）

模糊控制規(guī)則如表1、表2、表3所示。

冰箱冷凍冷藏室溫度控制策略采用Fuzzy-PID，其控制器性能通過Matlab的Simulink仿真后結(jié)果如下：

表1 KP的模糊控制規(guī)則表

E EC

NBNMNSZOPSPMPB

NBPMPSPSZONBNMNS

NMPMPSZOZONBNMNS

NSPSZOZOZONBNMNS

ZOPSPSZOZONSNSNS

PSNBNBZEZOZOZOZO

PMNBNBPSPMPBPBPB

PBNBNSNMZOPBPBPB

表2 KI的模糊控制規(guī)則表

E EC

NBNMNSZOPSPMPB

NBNBNBNBNBNBNBNB

NMNBNBNBNBNBNBNB

NSZONSNSNMNBNBNB

ZOPMPMPMPBPMPMPM

PSNBNBNBNMNSNSZO

PMNBNBNBNBNBNBNB

PBNBNBNBNBNBNBNB

表3 KD的模糊控制規(guī)則表

E EC

NBNMNSZOPSPMPB

NBNBNSZOPMPMPBPB

NMPMPMPSPMPMPBPB

NSZONSNMPSPSPBPB

ZOPBPSPSPSPSPMPB

PSPBPBPBNBPSPMPB

PMPBPBPBNBPSPMPM

PBPBPBPBNBNBNBNB

冰箱冷凍冷藏室的溫度控制系統(tǒng)模型為 Matlab程序運行后仿真結(jié)果如下，模糊PID控制器與普通PID控制的單位階躍相應(yīng)曲線如圖2所示， 其中PID1為采用擴充臨界比例法確定參數(shù)的PID控制器，其超調(diào)量 =31%，調(diào)節(jié)時間 =9500s。PID2為采用階躍曲線法確定參數(shù)的PID控制器，其超調(diào)量 =23%，調(diào)節(jié)時間 =11000s，而Fuzzy-PID控制器超調(diào)量 =16%，調(diào)節(jié)時間 =7800s。

圖2 Fuzzy-PID與普通PID的階躍響應(yīng)曲線

與PID控制器相比，F(xiàn)uzzy-PID控制器相應(yīng)相對迅速，調(diào)整時間短，更重要的是采用Fuzzy-PID控制器的受控系統(tǒng)能夠迅速穩(wěn)定，在實際應(yīng)用中較小的超調(diào)量與調(diào)整時間能夠有效的降低設(shè)備的能耗，并且能快速達到良好的溫度控制效果。

軟件采用LabVIEW軟件開發(fā)完成，其主要包括對冰箱的冷凍室和冷藏室的溫度控制，以及冰箱容霜控制和故障報警。受控冰箱的壓縮機驅(qū)動控制以及傳感器數(shù)據(jù)的傳輸控制通過編寫STM32單片機程序完成。CAN總線通信作為上下兩層設(shè)備的通信進行傳輸，其中主控計算機為主節(jié)點，冰箱設(shè)備為子節(jié)點，數(shù)據(jù)的傳輸采用問答的形式。

3結(jié)語

集群用冰箱采用CAN總線通訊技術(shù)，將所有冰箱的控制功能和控制器集成在主控計算機內(nèi)，采用Fuzzy-PID控制策略，實現(xiàn)集成控制，通過仿真分析，得出以下幾點結(jié)論：1）簡化了普通冰箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大大降低冰箱的制造以及采購成本；2）通過對控制界面的集中顯示，既可以減少從業(yè)人員，又便于對大量冰箱設(shè)備進行集中監(jiān)控。3）對冰箱內(nèi)冷凍室和冷藏室采用模糊控制策略，能夠保證有較小的調(diào)整時間，在超市、賓館等開啟冰箱門頻率較高的場合實現(xiàn)冷藏、冷凍室溫度的恒定。

參考文獻

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