轎車空調(diào)參數(shù)自調(diào)整模糊控制的仿真研究?

宋志強(qiáng)，史青錄，陳 艷，于慧艷，杜妮絲

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對汽車的舒適性要求愈來愈高。汽車空調(diào)在汽車上的應(yīng)用不僅有利于司乘人員的身心健康，還對增加交通安全性具有積極的作用。一般高級轎車上都裝有自動空調(diào)系統(tǒng)，而國內(nèi)大部分高級轎車上的空調(diào)控制器都是從國外進(jìn)口的，目前還沒有自己開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的轎車空調(diào)自動控制器［1］。因此，對汽車空調(diào)的研究開發(fā)特別重要。

由于人們對汽車空調(diào)溫度的舒適感是一個模糊性的概念以及汽車空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此難以建立關(guān)于汽車空調(diào)的統(tǒng)一舒適性評價標(biāo)準(zhǔn)和控制對象的精確數(shù)學(xué)模型。而基于模糊控制方法無需建立被控對象的數(shù)學(xué)模型，且對被控對象的非線性和時變性具有一定的適應(yīng)能力，但是模糊控制方法［2，3］穩(wěn)態(tài)精度較差，波動性較大。為了改善模糊控制效果，已經(jīng)有學(xué)者應(yīng)用模糊PID控制、自適應(yīng)模糊控制做過相關(guān)的研究，而本文采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制的方法來研究車內(nèi)空調(diào)的控制效果。

1 汽車空調(diào)的組成

汽車空調(diào)系統(tǒng)具有制冷、加熱、通風(fēng)、空氣凈化4項功能，這些功能都是由操縱控制部分來調(diào)節(jié)和控制的，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 汽車空調(diào)的熱力學(xué)模型［4］

在建模過程中，將汽車車廂看作一個定容定壓的系統(tǒng)，假設(shè)空氣為理想氣體，忽略氣體的動能和勢能，忽略發(fā)動機(jī)室內(nèi)傳入的熱量及其他方面對車廂的溫度影響較小的交換熱量。根據(jù)熱力學(xué)第一定律建立車廂內(nèi)熱平衡的數(shù)學(xué)模型為：

其中：ΔQ為車廂內(nèi)總熱量變化，kJ；Q1為空調(diào)輸出的空氣與吸入的空氣的熱量差，kJ；Q2為日照輻射傳入的熱量，kJ；Q3為車廂換氣新風(fēng)所產(chǎn)生的熱量差，kJ；Q4為車身壁面?zhèn)魅霟崃?，kJ；Q5為人體散發(fā)的熱量，kJ。

圖1 汽車空調(diào)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，理想氣體等壓變化時，有：

其中：m為車廂內(nèi)空氣質(zhì)量，kg；Δh為車廂內(nèi)空氣焓值的變化，kJ／kg；Vc為車廂總體積，取為6.75m3；ρ為空氣密度，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為1.225kg／m3；c為空氣比熱容，理想條件下為1.003kJ·／（kg·℃）；ΔT1為車廂內(nèi)空氣溫度變化，℃。

2.1 汽車空調(diào)對氣體的交換處理

將空調(diào)對空氣的處理看成為理想的熱交換器，將吸入車廂內(nèi)的一部分空氣經(jīng)過熱交換后從排風(fēng)口排出體積相同的空氣，則有：

其中：Vf為經(jīng)過空調(diào)器熱交換的空氣體積，m3；Tf為空調(diào)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口空氣溫度，℃；T1為車廂內(nèi)空氣溫度，℃；Δt為經(jīng)過的時間，s；v1為空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速，約為0.6m／s～2.2m／s；S1為鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口面積，約為0.7m2。

對于冷暖合一的混合風(fēng)門轎車空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)過空調(diào)制冷加熱處理后的溫度差又可寫為：

其中：Qc為空調(diào)制冷蒸發(fā)器的交換熱，kJ；Qh為暖風(fēng)加熱器的交換熱，kJ；Xc為制冷蒸發(fā)器的開關(guān)，0或1；Xh為暖風(fēng)加熱器的開關(guān)，0或1；Kc為制冷蒸發(fā)器熱交換系數(shù)，約為0.7；Kh為暖風(fēng)加熱器熱交換系數(shù)，約為0.5；Vh為經(jīng)過暖風(fēng)加熱器進(jìn)行熱交換的氣體體積，m3；ΔTc為制冷蒸發(fā)器處理前與處理后空氣溫度的差值，℃；ΔTh為暖風(fēng)加熱器處理前與處理后空氣溫度的差值，℃。

設(shè)混合風(fēng)門的開度為λ（0≤λ≤1），即進(jìn)行加熱處理的空氣占流經(jīng)空調(diào)熱交換總空氣的比，于是有：

由式（3）～式（5）計算得到空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)出口溫度為：

2.2 輻射熱量和車身表面?zhèn)魅霟崃?/h3>

在陽光照射下，太陽通過車窗的輻射熱量和陽光照射車頂表面然后傳入車內(nèi)的熱量使車內(nèi)溫度迅速改變。日照輻射傳入的熱量為：

其中：τ為車身圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ／（m2·s·K）；A1為車體太陽直射方向有效面積，約為1m2；ε為車身外表面吸收系數(shù)，取0.89；I為太陽輻射強(qiáng)度，水平面時為0～1kJ／（m2·s），垂直面時為0～0.2 kJ／（m2·s）；α為對流換熱系數(shù)，車速40km／h時取3.49×10－2kJ／（m2sK）；η為通過玻璃的太陽輻射透入系數(shù)，取0.84；A2為車窗太陽直射方向有效面積，約為0.3m2。

由于汽車沒有良好的隔熱性能，經(jīng)過車身壁傳入車內(nèi)的熱量對車內(nèi)的溫度影響較大，其計算公式為：

其中：A3為車身不透明隔熱結(jié)構(gòu)外表面積，m3；T0為車外空氣溫度，℃。

2.3 車廂縫隙和換氣系統(tǒng)縫隙進(jìn)入的新風(fēng)溫度

由縫隙進(jìn)入車內(nèi)新風(fēng)的體積與由排風(fēng)口排出車內(nèi)的氣體體積相同，則根據(jù)熱力學(xué)定律得：

其中：VN為進(jìn)入車內(nèi)的新風(fēng)空氣的體積，m3；n為汽車的乘客人數(shù)，轎車為2人；vn為每人每小時獲得的新風(fēng)量，推薦值取11m3／（h·人）。

2.4 人體散發(fā)的熱量

對于乘客散發(fā)的熱量，可以按下述公式計算：

其中：q為人均產(chǎn)生熱量，取值540kJ／（h·人）。

綜上所述并整理得到：

其中：T′1為車廂內(nèi)空氣溫度變化率。將已知參數(shù)代入式（11），進(jìn)一步計算得到：

其中：a1，a2，a3，a4均為常數(shù)。

3 控制模型的建立和仿真

參數(shù)自調(diào)整模糊控制器［6］是在常規(guī)模糊控制器基礎(chǔ)上加入一個自調(diào)整環(huán)節(jié)，其控制原理如圖2 所示。

圖2 參數(shù)自調(diào)整模糊控制器控制原理圖

參數(shù)自調(diào)整模糊控制器利用模糊控制對量化因子Ke和Kec進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同e和ec對控制器參數(shù)的要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。

偏差e、偏差變化率ec和輸出變量u的論域都為［－5，5］；模糊子集分別為｛NB，NS，Z，PS，PB｝。隸屬度函數(shù)都采用三角形函數(shù)。根據(jù)此建立各模糊規(guī)則，在模糊推理系統(tǒng)中混合風(fēng)門開度和鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速選擇Mamdani型算法，解模糊化采用重心法；壓縮機(jī)啟停和熱水閥開關(guān)采用Sugeno型算法，解模糊化采用加權(quán)平均法。

在MATLAB／Simulink中構(gòu)建圖3 和圖4 兩個模塊，選擇各參數(shù)的合適數(shù)值代入計算，并分別以夏季車外35℃和冬季車外0℃進(jìn)行仿真，得到的仿真曲線如圖5 和圖6 所示。

圖2 參數(shù)自調(diào)整模糊控制器控制原理圖

圖3 汽車空調(diào)參數(shù)自調(diào)整模糊控制仿真模塊

圖4 汽車空調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模塊

圖5 夏天高溫時空調(diào)調(diào)節(jié)仿真溫度曲線

4 結(jié)論

由仿真曲線可以看出，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，溫度波動小，穩(wěn)態(tài)精度較高，有效地改善了模糊控制方法穩(wěn)態(tài)精度較差、波動性較大的缺點，說明參數(shù)自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)的控制效果較好，能滿足控制的要求。

圖6 冬天低溫時空調(diào)調(diào)節(jié)仿真溫度曲線

［1］李睿欽，張榮標(biāo)，柏受軍，等.模糊PID在汽車空調(diào)溫度控制中的應(yīng)用［J］.微計算機(jī)信息，2008（2）：235-237.

［2］王桂琴，劉宏偉，馮利輝.基于模糊控制的汽車自動空調(diào)仿真分析［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008，35（2）：42-43.

［3］王文濤，賈志成.基于模糊控制的汽車空調(diào)風(fēng)門控制的研究［J］.汽車零部件，2011（11）：65-67.

［4］崔勝民.現(xiàn)代汽車系統(tǒng)控制技術(shù)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2008.

［5］劉端.基于模糊控制的轎車自動空調(diào)設(shè)計與仿真［D］.長春：吉林大學(xué)，2009：14-36.

［6］梁鐵城，姜長洪.參數(shù)自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18（2）：628-629.