基于模糊比例積分控制的商用車駐車空調控制器設計

劉圣宇 湯廷孝 鄧益民

寧波大學 機械工程與力學學院 浙江寧波 315211

1 研究背景

隨著社會經濟的發展,商用車的舒適度日益受到重視。在夏季高溫天氣下,在商用車長途運輸過程中,駕駛員不得不面臨交通堵塞、貨物裝卸、休息等非行駛狀態,此時通常需要開啟空調以降低駕駛室內的溫度。然而,商用車的原裝空調在使用過程中會增加燃油消耗,導致環境污染,產生有害氣體,從而對駕駛員的健康構成威脅。對此,采用駐車空調可以有效解決這些問題[1-2]。目前,國內駐車空調大多采用傳統比例積分控制。雖然比例積分控制對于線性問題而言比較簡單,并且有較高的控制精度及穩定性,但是對于駐車空調這類時變性、強耦合、非線性系統而言,比例積分控制并不能滿足駐車空調控制器的相關要求。模糊比例積分控制器將模糊控制與比例積分算法相結合,具有不依賴被控對象模型精度的特點,能夠實現對難以建立精確數學模型的對象的有效控制,可以提高系統的動態性能,并且控制精度也高[3-8]。目前已有一些利用模糊比例積分微分控制進行溫度控制器設計方面的研究。王全剛等[9]通過研究,對擠出筒機筒采用模糊比例積分微分控制,使溫度系統具有良好的動靜態性能。楊萍萍等[10]通過汽車熱負荷模型的搭建,對汽車空調系統的壓縮機和鼓風機轉速采用模糊比例積分微分控制,具有較好的溫控效果。方祥建等[11]通過將預測場與模糊比例積分微分算法相結合,對壓縮機轉速進行控制,使空調控制系統具有較強的魯棒性及較低的功耗。但是,目前還缺少對駐車空調控制系統采用模糊比例積分控制的相關研究。

筆者針對駐車空調控制系統存在的溫度調節時間長、控制精度低、能耗較高等問題,基于駐車空調的工作原理及特性,通過AMEsim軟件搭建駐車空調模型,應用MATLAB軟件Simulink模塊搭建駐車空調主要可控部件蒸發風機、冷凝風機、壓縮機的模糊比例積分控制器和乘員艙熱負荷模型,進而設計基于模糊比例積分控制的商用車駐車空調控制器,并以聯合仿真的形式對駐車空調在不同使用情況下進行測試分析。

2 商用車駐車空調系統

2.1 原理

商用車駐車空調的制冷工作原理和汽車空調相類似,都是通過利用制冷劑蒸發時吸收熱量和冷凝時釋放熱量來實現乘員艙內熱量轉移。駐車空調主要由六個部件組成,分別為壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流裝置、蒸發風機、冷凝風機。商用車駐車空調制冷原理如圖1所示。在駐車空調系統中,由壓縮機將氣態制冷劑壓縮為高溫高壓狀態,送至冷凝器進行冷卻。通過冷凝風機,經冷卻后變為中溫高壓液態制冷劑,進入干燥瓶進行過濾與去濕。中溫高壓液態制冷劑經毛細管節流降壓,成為低溫低壓的氣液混合體,經過蒸發器吸收空氣中的熱量,變為氣態,再回到壓縮機繼續壓縮,如此循環進行制冷。乘員艙的熱負荷與駐車空調的熱負荷是由蒸發風機關聯在一起的,蒸發風機吸收車內的高溫空氣,并將經過蒸發器吸熱后的冷風帶入乘員艙內,實現制冷效果。相對應的,冷凝風機吸收外界空氣,實現對外放熱[12]。從整個商用車駐車空調制冷原理可以看出,僅依靠壓縮機做功是完全不夠的,壓縮機所實現的是空調體內的能量搬運,空調與乘員艙、空調與外界的熱量交換需要依靠蒸發風機和冷凝風機來實現。為了方便分析計算,深入研究駐車空調系統,將駐車空調三個主要可控部件,同時也是駐車空調的主要耗能部件壓縮機、蒸發風機、冷凝風機作為控制對象,并且將商用車駐車空調系統作為駐車空調熱負荷模型與乘員艙熱負荷模型的組合。對于駐車空調熱負荷模型,在AMEsim軟件中進行搭建。對于乘員艙熱負荷模型,在MATLAB軟件Simulink模塊中進行搭建。

圖1 商用車駐車空調制冷原理

2.2 駐車空調熱負荷模型

利用AMEsim軟件搭建駐車空調熱負荷模型,這一一維仿真軟件可以用于機電液一體化和能量的流動仿真,能夠實現對駐車空調系統中每個部件的仿真,保證系統中各部件協同穩定工作。這一軟件能夠更加直觀地呈現駐車空調系統的能量轉化與流動過程,仿真數據具有較高的精確度,對駐車空調系統能耗和效率的研究及優化十分有幫助[13-14]。根據實際駐車空調參數搭建駐車空調熱負荷模型,如圖2所示。在模型中,將駐車空調的出風溫度、乘員艙溫度作為輸入,將壓縮機轉速、蒸發風機轉速、冷凝風機轉速、乘員艙熱負荷作為輸出。

圖2 駐車空調熱負荷模型

2.3 乘員艙熱負荷模型

乘員艙熱負荷模型與常規汽車熱負荷模型相似,主要由內部熱負荷和外部熱負荷兩部分組成[15]。

外部熱負荷主要包括車身維護結構傳入的熱量QB,為:

QB=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

(1)

式中:Q1為車頂傳入的熱量;Q2為前圍傳入的熱量;Q3為右圍傳入的熱量;Q4為左圍傳入的熱量;Q5為底板傳入的熱量;Q6為后圍傳入的熱量。

各維護結構傳入的熱量為:

Qi=KiAi(tc,i-tin)i=1～6

(2)

式中:Qi為維護結構的熱負荷;Ki為傳熱系數;Ai為維護結構面積;tin為乘員艙內溫度;tc,i為太陽輻射和車外溫度結合的綜合溫度。

tc,i=tout+ρiIt/αi

(3)

式中:tout為乘員艙外空氣溫度;ρi為圍護結構表面對太陽輻射的吸收率;It為表面接收的總太陽輻射;αi為維護結構表面對流換熱系數。

外部熱負荷還包括車窗熱負荷QW,為:

QW=QCH+QRH

(4)

式中:QCH為車窗吸收太陽輻射以對流形式傳入乘員艙內的熱負荷;QRH為太陽輻射透過車窗傳入乘員艙內的熱負荷。

(5)

式中:αin為車窗內表面換熱系數;αout為車窗外表面換熱系數;A為車窗表面積;qα為車窗單位面積吸收的太陽輻射熱;

QRH=τzIDV+τsIds

(6)

式中:τz為車窗的太陽直射透過率;IDV為太陽直射輻射強度;τs為車窗的太陽散射透過率;Ids為太陽散射輻射強度。

內部熱負荷有車內人員熱負荷Qp,為:

Qp=Qdriver+Qpassengernn′

(7)

式中:Qdriver為駕駛員的散熱量;Qpassenger為乘客的散熱量;n為乘客數量;n′為群集因數。

由此,乘員艙熱負荷Q,為:

Q=QB+QW+QP+Qr

(8)

式中:Qr為其它熱負荷之和,可取固定值。

3 駐車空調控制器

3.1 控制系統結構

商用車駐車空調控制系統共有三個獨立的模糊比例積分控制器,分別控制壓縮機、蒸發風機、冷凝風機的轉速,控制結構如圖3所示。每個模糊比例積分控制器由二維模糊控制器和比例積分控制器組成。以壓縮機的轉速控制為例,說明駐車空調模糊比例積分控制器的設計過程。模糊控制器是一個兩輸入兩輸出的控制器,輸入量為溫度誤差e、溫度誤差變化率ec,輸出量為比例調節因數變化量ΔKP、積分調節因數變化量ΔKI。通過模糊控制器對比例積分控制器的比例調節因數KP、積分調節因數KI進行實時調節,提升比例積分控制器的靈敏度,使比例積分控制器具有更好的動態特性,以滿足乘員艙溫度及能耗控制需求。比例積分控制器修正后的值為:

圖3 駐車空調控制系統結構

(9)

式中:KP0為初始的比例調節因數;KI0為初始的積分調節因數。

3.2 模糊化及數據庫

模糊化指將模糊邏輯引入控制系統,以處理不確定性、模糊性、非精確性問題。在模糊化過程中,需要通過規則庫對清晰量進行模糊轉換。根據駐車空調實際工作情況,對輸入量溫度誤差e、溫度誤差變化率ec及輸出量ΔKP進行模糊化處理,隸屬度函數如圖4～圖6所示。針對駐車空調為單一制冷的情況,為減少模糊語言,提高模糊精度,設置溫度誤差e的論域范圍為[-5,1],模糊語言集為{VL,L,M,S,VS,ZO,N},VL代表非常大,L代表大,M代表中,S代表小,VS代表非常小,ZO代表零,N代表負。在隸屬度選擇方面,為提升系統在目標值處的辨識靈敏度,中間采用三角形隸屬度函數,兩側使用梯形隸屬度函數。 溫度誤差變化率ec的論域范圍設置為[-0.08,0.08],模糊語言集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},NB代表負大,NM代表負中,NS代表負小,PS代表正小,PM代表正中,PB代表正大。在隸屬度選擇方面,中間采用三角形隸屬度函數,兩側使用梯形隸屬度函數。若實際使用中溫度誤差或溫度誤差變化率超過變化范圍,可將超出的量認定為邊界值。對于輸出值ΔKp,論域范圍設置為[-360,360],并將其劃分為五個等級,模糊語言集為{VS,S,M,L,VL},在隸屬度選擇方面,語言M采用高斯型隸屬度函數,語言S和語言L采用雙邊高斯型隸屬度函數,兩側使用梯形隸屬度函數。

圖4 溫度誤差隸屬度函數

圖5 溫度誤差變化率隸屬度函數

圖6 輸出量隸屬度函數

圖7 駐車空調控制系統框圖

3.3 模糊規則

對駐車空調控制器模糊規則進行設計。當溫度誤差較大時,為實現空調系統快速制冷,應當增大KP,以提高系統的調節速度。同時為了防止積分飽和,導致系統出現過超調情況,應當減小KI。當溫度誤差和溫度誤差變化率為中等時,KP應較小,以減小系統響應過調,保證一定的響應速度,KI應該是適中的。當溫度誤差較小且溫度誤差變化率較大時,減小KP,并增大KI,使系統更快趨于平衡,具有更好的穩態性能,并降低總體能耗。根據以上原則設計49條模糊規則,見表1。表1中,各模糊規則的前半部分對應KP,后半部分對應KI。

表1 模糊規則

3.4 解模糊

解模糊是對模糊推理得到的結果進行去模糊化的過程,主要的解模糊方法有最大隸屬度法、中位數法、加權平均數法,質心法。本文采用的是質心法,在輸出的可能性分布曲線與橫坐標軸所包圍的面積上求面積質心的橫坐標,作為解模糊的結果。

4 仿真分析

商用車駐車空調控制系統的仿真共由三個部分組成,分別是駐車空調熱負荷模型、乘員艙熱負荷模型、模糊控制器。其中,駐車空調熱負荷模型在AMEsim軟件中搭建,其余兩個均在MATLAB軟件Simulink模塊中搭建,通過創建接口來實現兩個軟件之間的交互。駐車空調控制系統框圖如7所示。

通過采用工程整定法,設計壓縮機、蒸發風機、冷凝風機的模糊比例積分控制器,具體參數見表2。對駐車空調主要使用工況進行仿真測試,工況1為夏天晴天正午時強光照工況,工況2為夏天正午低光照工況,工況3為夏天傍晚工況,各工況具體參數見表3。

表2 模糊比例積分控制器參數

表3 工況參數

基于上述三種工況對駐車空調傳統比例積分控制與模糊比例積分控制的乘員艙溫度變化曲線和駐車空調能耗曲線進行對比,分別如圖8和圖9所示。從圖8中可以看出,傳統比例積分控制和模糊比例積分控制都能夠實現對駐車空調在不同工況下的溫度控制。在相同工況下,模糊比例積分控制相較于傳統比例積分控制具有更快的響應速度,達到平衡時所需的時間也更短,同時模糊比例積分控制的靜態誤差也更小。將設定溫度的±0.1 K設置為系統穩態誤差帶,在工況1的條件下,傳統比例積分控制達到穩態所需的時間為560.975 s,模糊比例積分控制達到穩態所需的時間為310.60 s;在工況2的條件下,傳統比例積分控制達到穩態所需的時間為409.305 s,模糊比例積分控制達到穩態所需的時間為206.126 s;在工況3的條件下,傳統比例積分控制達到穩態所需的時間為342.620 s,模糊比例積分控制達到穩態所需的時間為250.00 s。從圖8中還可以看出,在溫度誤差較大的時候,模糊比例積分控制能夠更快地降低溫度,制冷迅速。當快達到目標溫度時,模糊比例積分控制溫度變化相較于傳統比例積分控制更為平緩,而且沒有出現超調的情況,能給駕駛員帶來更高的舒適性。

圖8 乘員艙溫度變化曲線對比

圖9 駐車空調能耗曲線對比

從圖9中可以看出,在900 s時間內,在工況1條件下,傳統比例積分控制的能耗為0.33 kW·h,模糊比例積分控制的能耗為0.28 kW·h;在工況2條件下,傳統比例積分控制的能耗為0.27 kW·h,模糊比例積分控制的能耗為0.17 kW·h;在工況3條件下,傳統比例積分控制的能耗為0.3 kW·h,模糊比例積分控制的能耗為0.21 kW·h。由此可以得出,模糊比例積分控制能為駐車空調減少更多的能耗。

5 結束語

筆者基于模糊比例積分控制, 對商用車駐車空調控制器進行了設計。根據駐車空調的工作原理,對駐車空調的三個主要可控及耗能部件壓縮機、蒸發風機、冷凝風機分別設計了獨立的模糊比例積分控制器,并在駐車空調不同使用工況下與傳統比例積分控制進行對比。仿真結果表明,在應對駐車空調控制系統非線性、強耦合的復雜問題時,模糊比例積分控制的自整定能力較傳統比例積分控制更強,既能夠發揮模糊控制魯棒性強的優點,克服模糊控制器粗糙和精度不高的缺陷,又具有比例積分控制的優良動態跟蹤品質和穩態精度,無超調量,調節時間短,靜態誤差小,使駐車空調具有更好的熱舒適性。同時,采用模糊比例積分控制,駐車空調的總體能耗更低,可以延長駐車空調的工作時間,具有更好的實際應用價值。