基于模糊比例积分控制的商用车驻车空调控制器设计

刘圣宇 汤廷孝 邓益民

宁波大学 机械工程与力学学院 浙江宁波 315211

1 研究背景

随着社会经济的发展,商用车的舒适度日益受到重视。在夏季高温天气下,在商用车长途运输过程中,驾驶员不得不面临交通堵塞、货物装卸、休息等非行驶状态,此时通常需要开启空调以降低驾驶室内的温度。然而,商用车的原装空调在使用过程中会增加燃油消耗,导致环境污染,产生有害气体,从而对驾驶员的健康构成威胁。对此,采用驻车空调可以有效解决这些问题[1-2]。目前,国内驻车空调大多采用传统比例积分控制。虽然比例积分控制对于线性问题而言比较简单,并且有较高的控制精度及稳定性,但是对于驻车空调这类时变性、强耦合、非线性系统而言,比例积分控制并不能满足驻车空调控制器的相关要求。模糊比例积分控制器将模糊控制与比例积分算法相结合,具有不依赖被控对象模型精度的特点,能够实现对难以建立精确数学模型的对象的有效控制,可以提高系统的动态性能,并且控制精度也高[3-8]。目前已有一些利用模糊比例积分微分控制进行温度控制器设计方面的研究。王全刚等[9]通过研究,对挤出筒机筒采用模糊比例积分微分控制,使温度系统具有良好的动静态性能。杨萍萍等[10]通过汽车热负荷模型的搭建,对汽车空调系统的压缩机和鼓风机转速采用模糊比例积分微分控制,具有较好的温控效果。方祥建等[11]通过将预测场与模糊比例积分微分算法相结合,对压缩机转速进行控制,使空调控制系统具有较强的鲁棒性及较低的功耗。但是,目前还缺少对驻车空调控制系统采用模糊比例积分控制的相关研究。

笔者针对驻车空调控制系统存在的温度调节时间长、控制精度低、能耗较高等问题,基于驻车空调的工作原理及特性,通过AMEsim软件搭建驻车空调模型,应用MATLAB软件Simulink模块搭建驻车空调主要可控部件蒸发风机、冷凝风机、压缩机的模糊比例积分控制器和乘员舱热负荷模型,进而设计基于模糊比例积分控制的商用车驻车空调控制器,并以联合仿真的形式对驻车空调在不同使用情况下进行测试分析。

2 商用车驻车空调系统

2.1 原理

商用车驻车空调的制冷工作原理和汽车空调相类似,都是通过利用制冷剂蒸发时吸收热量和冷凝时释放热量来实现乘员舱内热量转移。驻车空调主要由六个部件组成,分别为压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、蒸发风机、冷凝风机。商用车驻车空调制冷原理如图1所示。在驻车空调系统中,由压缩机将气态制冷剂压缩为高温高压状态,送至冷凝器进行冷却。通过冷凝风机,经冷却后变为中温高压液态制冷剂,进入干燥瓶进行过滤与去湿。中温高压液态制冷剂经毛细管节流降压,成为低温低压的气液混合体,经过蒸发器吸收空气中的热量,变为气态,再回到压缩机继续压缩,如此循环进行制冷。乘员舱的热负荷与驻车空调的热负荷是由蒸发风机关联在一起的,蒸发风机吸收车内的高温空气,并将经过蒸发器吸热后的冷风带入乘员舱内,实现制冷效果。相对应的,冷凝风机吸收外界空气,实现对外放热[12]。从整个商用车驻车空调制冷原理可以看出,仅依靠压缩机做功是完全不够的,压缩机所实现的是空调体内的能量搬运,空调与乘员舱、空调与外界的热量交换需要依靠蒸发风机和冷凝风机来实现。为了方便分析计算,深入研究驻车空调系统,将驻车空调三个主要可控部件,同时也是驻车空调的主要耗能部件压缩机、蒸发风机、冷凝风机作为控制对象,并且将商用车驻车空调系统作为驻车空调热负荷模型与乘员舱热负荷模型的组合。对于驻车空调热负荷模型,在AMEsim软件中进行搭建。对于乘员舱热负荷模型,在MATLAB软件Simulink模块中进行搭建。

图1 商用车驻车空调制冷原理

2.2 驻车空调热负荷模型

利用AMEsim软件搭建驻车空调热负荷模型,这一一维仿真软件可以用于机电液一体化和能量的流动仿真,能够实现对驻车空调系统中每个部件的仿真,保证系统中各部件协同稳定工作。这一软件能够更加直观地呈现驻车空调系统的能量转化与流动过程,仿真数据具有较高的精确度,对驻车空调系统能耗和效率的研究及优化十分有帮助[13-14]。根据实际驻车空调参数搭建驻车空调热负荷模型,如图2所示。在模型中,将驻车空调的出风温度、乘员舱温度作为输入,将压缩机转速、蒸发风机转速、冷凝风机转速、乘员舱热负荷作为输出。

图2 驻车空调热负荷模型

2.3 乘员舱热负荷模型

乘员舱热负荷模型与常规汽车热负荷模型相似,主要由内部热负荷和外部热负荷两部分组成[15]。

外部热负荷主要包括车身维护结构传入的热量QB,为:

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

(1)

式中:Q1为车顶传入的热量;Q2为前围传入的热量;Q3为右围传入的热量;Q4为左围传入的热量;Q5为底板传入的热量;Q6为后围传入的热量。

各维护结构传入的热量为:

Qi=KiAi(tc,i-tin)i=1～6

(2)

式中:Qi为维护结构的热负荷;Ki为传热系数;Ai为维护结构面积;tin为乘员舱内温度;tc,i为太阳辐射和车外温度结合的综合温度。

tc,i=tout+ρiIt/αi

(3)

式中:tout为乘员舱外空气温度;ρi为围护结构表面对太阳辐射的吸收率;It为表面接收的总太阳辐射;αi为维护结构表面对流换热系数。

外部热负荷还包括车窗热负荷QW,为:

QW=QCH+QRH

(4)

式中:QCH为车窗吸收太阳辐射以对流形式传入乘员舱内的热负荷;QRH为太阳辐射透过车窗传入乘员舱内的热负荷。

(5)

式中:αin为车窗内表面换热系数;αout为车窗外表面换热系数;A为车窗表面积;qα为车窗单位面积吸收的太阳辐射热;

QRH=τzIDV+τsIds

(6)

式中:τz为车窗的太阳直射透过率;IDV为太阳直射辐射强度;τs为车窗的太阳散射透过率;Ids为太阳散射辐射强度。

内部热负荷有车内人员热负荷Qp,为:

Qp=Qdriver+Qpassengernn′

(7)

式中:Qdriver为驾驶员的散热量;Qpassenger为乘客的散热量;n为乘客数量;n′为群集因数。

由此,乘员舱热负荷Q,为:

Q=QB+QW+QP+Qr

(8)

式中:Qr为其它热负荷之和,可取固定值。

3 驻车空调控制器

3.1 控制系统结构

商用车驻车空调控制系统共有三个独立的模糊比例积分控制器,分别控制压缩机、蒸发风机、冷凝风机的转速,控制结构如图3所示。每个模糊比例积分控制器由二维模糊控制器和比例积分控制器组成。以压缩机的转速控制为例,说明驻车空调模糊比例积分控制器的设计过程。模糊控制器是一个两输入两输出的控制器,输入量为温度误差e、温度误差变化率ec,输出量为比例调节因数变化量ΔKP、积分调节因数变化量ΔKI。通过模糊控制器对比例积分控制器的比例调节因数KP、积分调节因数KI进行实时调节,提升比例积分控制器的灵敏度,使比例积分控制器具有更好的动态特性,以满足乘员舱温度及能耗控制需求。比例积分控制器修正后的值为:

图3 驻车空调控制系统结构

(9)

式中:KP0为初始的比例调节因数;KI0为初始的积分调节因数。

3.2 模糊化及数据库

模糊化指将模糊逻辑引入控制系统,以处理不确定性、模糊性、非精确性问题。在模糊化过程中,需要通过规则库对清晰量进行模糊转换。根据驻车空调实际工作情况,对输入量温度误差e、温度误差变化率ec及输出量ΔKP进行模糊化处理,隶属度函数如图4～图6所示。针对驻车空调为单一制冷的情况,为减少模糊语言,提高模糊精度,设置温度误差e的论域范围为[-5,1],模糊语言集为{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代表负。在隶属度选择方面,为提升系统在目标值处的辨识灵敏度,中间采用三角形隶属度函数,两侧使用梯形隶属度函数。 温度误差变化率ec的论域范围设置为[-0.08,0.08],模糊语言集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},NB代表负大,NM代表负中,NS代表负小,PS代表正小,PM代表正中,PB代表正大。在隶属度选择方面,中间采用三角形隶属度函数,两侧使用梯形隶属度函数。若实际使用中温度误差或温度误差变化率超过变化范围,可将超出的量认定为边界值。对于输出值ΔKp,论域范围设置为[-360,360],并将其划分为五个等级,模糊语言集为{VS,S,M,L,VL},在隶属度选择方面,语言M采用高斯型隶属度函数,语言S和语言L采用双边高斯型隶属度函数,两侧使用梯形隶属度函数。

图4 温度误差隶属度函数

图5 温度误差变化率隶属度函数

图6 输出量隶属度函数

图7 驻车空调控制系统框图

3.3 模糊规则

对驻车空调控制器模糊规则进行设计。当温度误差较大时,为实现空调系统快速制冷,应当增大KP,以提高系统的调节速度。同时为了防止积分饱和,导致系统出现过超调情况,应当减小KI。当温度误差和温度误差变化率为中等时,KP应较小,以减小系统响应过调,保证一定的响应速度,KI应该是适中的。当温度误差较小且温度误差变化率较大时,减小KP,并增大KI,使系统更快趋于平衡,具有更好的稳态性能,并降低总体能耗。根据以上原则设计49条模糊规则,见表1。表1中,各模糊规则的前半部分对应KP,后半部分对应KI。

表1 模糊规则

3.4 解模糊

解模糊是对模糊推理得到的结果进行去模糊化的过程,主要的解模糊方法有最大隶属度法、中位数法、加权平均数法,质心法。本文采用的是质心法,在输出的可能性分布曲线与横坐标轴所包围的面积上求面积质心的横坐标,作为解模糊的结果。

4 仿真分析

商用车驻车空调控制系统的仿真共由三个部分组成,分别是驻车空调热负荷模型、乘员舱热负荷模型、模糊控制器。其中,驻车空调热负荷模型在AMEsim软件中搭建,其余两个均在MATLAB软件Simulink模块中搭建,通过创建接口来实现两个软件之间的交互。驻车空调控制系统框图如7所示。

通过采用工程整定法,设计压缩机、蒸发风机、冷凝风机的模糊比例积分控制器,具体参数见表2。对驻车空调主要使用工况进行仿真测试,工况1为夏天晴天正午时强光照工况,工况2为夏天正午低光照工况,工况3为夏天傍晚工况,各工况具体参数见表3。

表2 模糊比例积分控制器参数

表3 工况参数

基于上述三种工况对驻车空调传统比例积分控制与模糊比例积分控制的乘员舱温度变化曲线和驻车空调能耗曲线进行对比,分别如图8和图9所示。从图8中可以看出,传统比例积分控制和模糊比例积分控制都能够实现对驻车空调在不同工况下的温度控制。在相同工况下,模糊比例积分控制相较于传统比例积分控制具有更快的响应速度,达到平衡时所需的时间也更短,同时模糊比例积分控制的静态误差也更小。将设定温度的±0.1 K设置为系统稳态误差带,在工况1的条件下,传统比例积分控制达到稳态所需的时间为560.975 s,模糊比例积分控制达到稳态所需的时间为310.60 s;在工况2的条件下,传统比例积分控制达到稳态所需的时间为409.305 s,模糊比例积分控制达到稳态所需的时间为206.126 s;在工况3的条件下,传统比例积分控制达到稳态所需的时间为342.620 s,模糊比例积分控制达到稳态所需的时间为250.00 s。从图8中还可以看出,在温度误差较大的时候,模糊比例积分控制能够更快地降低温度,制冷迅速。当快达到目标温度时,模糊比例积分控制温度变化相较于传统比例积分控制更为平缓,而且没有出现超调的情况,能给驾驶员带来更高的舒适性。

图8 乘员舱温度变化曲线对比

图9 驻车空调能耗曲线对比

从图9中可以看出,在900 s时间内,在工况1条件下,传统比例积分控制的能耗为0.33 kW·h,模糊比例积分控制的能耗为0.28 kW·h;在工况2条件下,传统比例积分控制的能耗为0.27 kW·h,模糊比例积分控制的能耗为0.17 kW·h;在工况3条件下,传统比例积分控制的能耗为0.3 kW·h,模糊比例积分控制的能耗为0.21 kW·h。由此可以得出,模糊比例积分控制能为驻车空调减少更多的能耗。

5 结束语

笔者基于模糊比例积分控制, 对商用车驻车空调控制器进行了设计。根据驻车空调的工作原理,对驻车空调的三个主要可控及耗能部件压缩机、蒸发风机、冷凝风机分别设计了独立的模糊比例积分控制器,并在驻车空调不同使用工况下与传统比例积分控制进行对比。仿真结果表明,在应对驻车空调控制系统非线性、强耦合的复杂问题时,模糊比例积分控制的自整定能力较传统比例积分控制更强,既能够发挥模糊控制鲁棒性强的优点,克服模糊控制器粗糙和精度不高的缺陷,又具有比例积分控制的优良动态跟踪品质和稳态精度,无超调量,调节时间短,静态误差小,使驻车空调具有更好的热舒适性。同时,采用模糊比例积分控制,驻车空调的总体能耗更低,可以延长驻车空调的工作时间,具有更好的实际应用价值。