王俊杰

（云南省电子信息高级技工学校，云南 昆明 650225）

0 引 言

冰箱是居民生活最常用的家用电器之一，具有适用用户广、制冷效果良好、需求量大、成本较低等特点[1-3]。如果气候变暖在2030年至2052年间继续以目前的速度发展，全球平均气温将比工业化前高出1.5 ℃，导致冰川融化、海平面上升等一系列负面地质影响[4-6]。目前，大约70%的制冷系统温室气体排放是由于运行这些系统所需的电力能源消耗，资源节约型高新制冷技术是目前研究的热点。家用冰箱组成中制冷剂充注、膨胀装置流体速度、压缩机速度及其相互作用对冰箱的性能均有影响，在以往的研究中，通过物理实体测试进行冰箱的制冷性能研究，如改变毛细管内径、手动改变制冷剂充注量和压缩机速度等，这大大增加了研究成本。郭立芝[7]等论述了冰箱能效等级及耗电量是影响消费者选择、购买家用冰箱的重要指标，能效等级较高的产品在具有较高的品质的同时，也节约了能源与用户使用成本；文中论述了家用冰箱中的变频冰箱具有良好的功效，能够根据用户和环境实际需求改变工作频率，从而提升冰箱的节能效果和市场前景。KNABBEN F T 等[8]研究了制冷剂加注、膨胀装置限制、压缩机转速及其相互作用对家用冰箱性能的影响，建立了试验平台，进行了294 次稳态能耗测试，发现制冷剂加注和膨胀限制的几种组合都可以实现低能耗，因此对压缩机、蒸发器进行合力的闭环控制设计，可有效地节约电力能源；同时还发现，通过控制压缩机速度，及制冷剂加注量和等效直径组合可提供令人满意的性能水平，为本文的家用冰箱PI 闭环控制提供了研究思路。带有开/关控制的冰箱温度闭环控制是过去几年中家用冰箱常用的控制方式，但该控制方式控制精度较低，超调与振荡效应明显，导致能源消耗过多，控制效果不佳，因此当前采用基于逆变器技术的新型冰箱，在节约能源与高精度控制实现上均取得了长足进步，同时结合新一代NoFrost 技术对冰箱进行动态冷却，可防止冷藏室内产生霜冻。在设计家用逆变型冰箱的仿真模型前，需进行家用冰箱的功能拓扑分析，将冰箱进行功能拆解与连接分析，为家用冰箱设计与仿真模型建立提供依据。

1 家用冰箱功能拓扑与控制算法

1.1 家用冰箱功能拓扑图

针对目前家用冰箱功能实现，结合当前电压逆变、NoFrost 等新技术应用，得到家用冰箱功能拓扑结构如图1所示。图中显示了家用冰箱箱室，包括冷藏室和冷冻室；热力学循环模块，包括蒸发器和冷凝器；冷藏室与冷冻室气流通过蒸发器风扇实现气体对流换热循环；冷凝器通过冷凝器风扇实现气体对流换热循环；蒸发器与蓄能器、毛细管和热量交换器连接；毛细管和热量交换器与压缩机连接；冷凝器与压缩机、毛细管和热量交换器连接。

图1 家用冰箱功能拓扑图

冰箱冷藏室一般存储控制温度较高的食品，如瓜果蔬菜、剩菜剩饭等，根据生物学相关常识，冷藏室的控制温度一般在4 ℃为宜。冷冻室一般存储控制温度较低的食品，如生肉类、海鲜、冰淇淋等，其控制温度应低于0 ℃为宜。蒸发器风扇用于实现蒸发器与箱室间的气体对流换热，通过控制风扇转速或功率可加快或减缓对流效率。冷凝器风扇用于实现冷凝器与环境热场的气体对流换热，通过控制风扇转速或功率可加快或减缓对流效率。箱室与环境热场存在空气低速流动的气体对流换热。

蒸发器将制冷剂通过吸收外接热量，如空气或食物，并将吸收热量进行气化，从而实现对周围环境的降温。蒸发器进气口与毛细管连接，一般安装在冰箱内部，在冷冻室和冷藏室中均有分布。冷凝器是冰箱的散热部件，一般可安装在冰箱内部，称为内藏式冷凝器；亦可安装在冰箱外部，称为外露式冷凝器。根据当前时代对系统模块化、集成化、系统智能化等的要求，采用内藏式冷凝器集成设计方式较能适应时代的发展。内藏式冷凝器一般采用蛇形盘管增加换热面积与效率，盘管通过挤压工艺与冰箱外壳内表面接触，从而实现箱体的高效换热。

1.2 PI 控制器

PID 控制器是现代工程控制中最常用的控制策略之一，其控制模式涵盖了常见工程模型中的比例环节、积分环节、微分环节，其控制系统原理图如图2 所示。根据PID 控制器原理图，将期望输出记为xd（t），实际输出记为x（t），可得控制偏差为：

图2 PID 控制器原理图

对偏差进行比例缩放、积分缩放和微分缩放处理，可得PID 控制律为：

式（2）中，kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数，若不考虑误差的微分项即可得到PID 控制器中的PI 控制律。

2 仿真模型建立

基于AMESim 集成仿真环境建立其冷冻室、冷藏室、PID 控制器、冷凝器、蒸发器、热交换器、毛细管、压缩机等仿真模型。通过仿真试验方法对PID 控制器的控制参数进行调试，模型可设置环境温度、冷冻室控制温度、冷藏室控制温度等。

2.1 PI 控制器

设计冷冻室与冷藏室PI 温度控制器如图3 所示。在AMESim 中可直接调用PID 控制器图形模块，在模块中设置PID 控制参数，设计冷冻室和冷藏室PI 控制器的期望输入分别为冷冻室控制温度和冷藏室控制温度，控制温度需在仿真试验前进行设置。冷冻室和冷藏室PI 控制器被控对象分别为压缩机和蒸发器风机，通过控制压缩机和蒸发器功率实现冷冻室温度变化。

图3 P ID 控制器AMESim 模型

2.2 冰箱模型

冰箱模型主要组件包括外部墙壁、外部隔热、冷冻室、冷藏室、蒸发器风扇、蒸发器、冷凝器风扇、冷凝器、压缩机、毛细管、热交换器等。其中冷冻室和冷藏室模型如图4 所示。设置冷冻室体积为0.108 m3，食物质量为1.5 kg；冷藏室体积为0.3 m3，食物质量为1.5 kg。

图4 冷冻 室与冷藏室模型

设计蒸发器风扇与冷凝器风扇模型如图5 所示，设置风扇最大功率均为500 W，模型可接收环境温度T、湿度RH、大气压力Q、空气质量流m˙信号，同时将这些信号实时输出。

图5 风扇模型

同理可建立冰箱的冷凝器、蒸发器、热交换器、毛细管、压缩机、蓄能器等仿真模型。仿真设置外部环境温度为25 ℃，一个标准大气压强101 kPa、相对湿度40 %RH，冷冻室控制温度为-18 ℃，冷藏室控制温度为3 ℃。

3 仿真分析

设置仿真总时间为86 400 s（一天），得到冷冻室与冷藏室温度控制跟踪情况如图6 所示。冷冻室与冷藏室初始温度为25 ℃，与仿真设置的环境温度一致，符合实际情况。随着冰箱工作时间推移，冷冻室与冷藏室温度逐渐降低，在初始一段时间下降时间呈现较明显的线性降低趋势，说明控制系统已达到最快速温度下降，符合控制系统基本控制规律。在25 000 s 左右，冷冻室与冷藏室温度均出现了一定程度的超调振荡，这与PI 控制器无法完全消除积分效应有关，但超调振荡的幅值非常小，且控制系统很快就消除了振荡效应，并逐渐趋于期望温度，这对冰箱温度高精度控制与节约电力能源具有重要作用。冷冻室和冷藏室温度达到期望温度后，其温度均呈现明显的直线变化趋势，实际温度与期望温度几乎完全重合，达到了较高的控制精度。

图6 冰箱温跟踪 控制情况

得到压缩机转速的稳定性能情况如图7 所示。下面的曲线表明，开始时，压缩机以最大速度工作，其容量大于冰箱与环境空气之间的热交换，使得冷冻室和冷藏室快速地由高温状态转向至低温状态。在冷冻室与冷藏室快要达到期望温度时，压缩机工作速度快速下降，并由PI 控制器产生了一定程度的超调振动线性，这与图6 的温度变化情况相对应，符合实际情况。随着冷冻室与冷藏室温度逐渐达到期望温度，压缩机的工作速度也逐渐趋于稳态，在达到稳态值后，其工作转速基本呈一条明显的定常值变化，且变化平滑无振荡，符合实际情况，说明此时的蒸发器、冷凝器组成的热力学循环系统与环境空气的对流换热交换处于平衡状态。

图7 压缩机转速变 化情况

得到蒸发器风扇和冷凝器风扇处的相对湿度变化情况如图8 所示。可知冷凝器风扇湿度变化较为理想，与环境默认湿度一致，这与图1 所示的冷凝器风扇与环境空气直接接触有关。蒸发器风扇湿度在温度较高的初始阶段较大，随着冷却过程的进行，湿度逐渐较小，并在稳态阶段保持较理想的定常值直线变化。因此可知，当温度越高时，组件周围的相对湿度越高，反之则越低，这与生活实际中的温湿度相对变化对应，符合实际情况。

图8 蒸发器与冷凝器 风扇相对湿度变化曲线

4 结 论

本文进行了家用逆变器型冰箱气液两相流温度高精度PI控制与仿真研究。根据目前较先进的家用冰箱功能实现，建立了家用冰箱功能拓扑关系图，并分析了各功能模块的主要作用。在AMESim 集成仿真环境中进行了家用冰箱功能模块仿真模型的建立，得到了较合适的比例、积分控制参数，可设置环境温度、冷冻室控制温度、冷藏室控制温度等，得到了冰箱跟踪温度、压缩机转速、相对湿度等随时间的变化情况，为家用家用冰箱相关研究了参考。