汽车空调系统的变频控制

谢敬田

(南京工业大学能源学院，江苏南京 211816)

0 引言

随着模糊控制理论及模糊控制系统的发展，显示出模糊控制在控制领域具有广阔的应用前景，模糊控制已成为智能控制的重要组成部分。在工业过程控制中，许多控制领域所涉及的设计算法和控制结构简单，不要求非常精确的受控对象数学模型，可以应用模糊控制对其过程进行控制。控制系统模型图形仿真环境(Simulink)工具平台的出现，使得控制系统的设计和仿真变得相当容易和直观。

目前，国内的空调客车已成为汽车客运的主力，旅客在旅途中享受空调冷气的同时也对汽车的空调系统提出了许多抱怨，比如该冷的时候冷得很慢，已经很冷时风还很大，车内旅客较多时空气很闷等。这些问题的存在影响了旅客的舒适度，不利于空调汽车档次的进一步提高。将模糊控制工具箱和Simulink仿真环境利用到基于温度控制的汽车可变冷媒流量(Variable Refrigerant Volume，VRV)变频空调的控制系统，可以对汽车车厢内温度根据环境的变化随时进行最优控制，从而使乘客能在舒适的环境中乘车。

1 汽车车厢内温度变化特点

客运汽车一般是跨地域性长途运行，人员流动性大，随着区域、外界气温、汽车运行速度及太阳辐射强度变化的影响，车内负荷随之频繁变化，同时汽车在起动、停止时温差也会发生急剧变化。因此，汽车空调的自动调节是汽车空调设计与制造中最关键的环节之一。提高自动控制水平，应尽快将模糊控制及神经元控制技术引入到客室内参数的控制，安装灵敏性较高的温度传感器，同时采用变频调节装置，实现对风量和制冷量的无级调节，提高车内舒适度并减少能耗。汽车空调设计参数如表1所示。

表1 汽车空调设计参数

本文以夏季车内温度参数为控制参数。

2 VRV空调系统简介

2.1 VRV空调系统的定义及控制原理

VRV空调系统是在电力空调系统中，通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内换热器的制冷剂流量，适时满足室内冷热负荷要求的高效率冷剂空调系统。VRV空调系统需采用变频压缩机、多极压缩机、卸载压缩机或多台压缩机组合来实现压缩机容量控制。在制冷系统中需设置电子膨胀阀或其他辅助回路，以调节进入室内机的制冷剂流量。通过控制室内外换热器的风扇转速或传热面积，调节换热器的能力。在变频调速和电子膨胀阀技术逐渐成熟之后，VRV空调系统普遍采用变频压缩机和电子膨胀阀。

2.2 VRV空调系统适用于汽车空调系统的特点

(1)VRV空调系统依据室内负荷的大小，在不同转速下连续运行，减少了压缩机因频繁起停造成的不可逆损失，能效比随频率的降低而升高。由于压缩机长时间工作在低频区域，故系统的季节能效比(SEER)相对于传统空调系统有较大提高。

(2)采用压缩机低频起动，降低了起动电流，电气设备节能效果显著，同时避免了对其他用电设备和汽车自身电网的冲击。

(3)冷媒自由分配技术和智能系统采用先进的变频控制技术、智能化控制技术，使系统能感应车厢冷热负荷变化而精确调温，提高了舒适水平。

(4)采用一次冷媒系统，与传统二次冷媒的中央空调相比，提高了能源利用率;同时无需庞大的配管工作，节省了材料和安装空间。

(5)VRV空调系统具有能调节容量的特性，在系统初开机时室温与设定温度相差很大，利用压缩机高频运行的方式，使室温快速到达设定值，缩短室内不舒适的时间。

(6)系统调节容量使室温维持在设定温度上下极小的波动范围内，改善了室内的舒适性。

(7)极少出现传统空调系统起停压缩机时所产生的振动和噪声。

3 控制系统原理

模糊控制器根据传感器的信号发出脉冲调节指令。进入模糊控制器的信号主要来自反映室内温度与给定值的温差及温差变化率信号，将这两个差值模糊化送入模糊推理机进行推理，得到频率控制量的模糊值，再将该模糊值解模糊化得到频率控制量的精确值输入变频器中，对变频器的频率和电子膨胀阀的开度进行调节，达到控制空调制冷量的目的，控制模型如图1所示。变频器驱动通风机变频旋转，从而对对象(车内空气温度)进行调节，再实时采集温度信号送入模糊控制系统，如此反复直到车内的温度达到设定值。控制流程如图2所示。

图1 汽车空调控制模型图

图2 系统控制流程图

4 模糊控制设计

4.1 输入变量的隶属度设计

选定输入变量温差和温差变化率的模糊化算子，并设定温差的论域为{－5，15}，温差变化率的论域为{－2，2};再确定温差的语言变量为{负大NB，负中 NM，负小 NS，0，正小 PS，正中 PM，正大PB}，温差变化率的语言变量为{负大NB，负中NM，负小NS，0，正小 PS，正中PM，正大PB}。隶属度函数均采用三角形函数。在MATLAB 6.5模糊工具箱的GUI界面中构建输入变量氧含量差(input1)和温差(input2)的隶属度函数，如图3所示。

图3 输入函数的隶属度设置

4.2 输出变量的隶属度设计

选定输出变量频率控制量的模糊化算子，并设定频率控制量的论域为{0，10}(共量化为11档)，分别代表频率从0～60 Hz的变化，再设定频率控制量的语言变量为{0，很弱HR，弱R，较弱JR，较强JQ，强Q，很强HQ}，隶属度函数均采用正态隶属函数，如图4所示。

图4 输出变量频率控制量的隶属度函数

4.3 模糊规则的确定

系统采用的控制规则形式为if‘input1’and‘input2’then‘output’，根据相关经验得到模糊控制规则如表2所示。

表2 模糊控制规则

4.4 模糊控制曲面

利用MATLAB软件中的FIS编辑器可以得到2个输入和1个输出的系统输出曲面，根据车内温度与设定值之间的误差及其误差变化率得到压缩机频率的变化，如图5所示。

图5 模糊控制曲面

5 温度控制仿真

从Simulink界面中的library browser中调出各种元件，构造图形化控制系统模型，如图6所示。输入信号选用平均分布的随机信号(Uniform Random Number)来模拟车厢内温度的变化情况。

图6 控制仿真设计

仿真开始前先把模糊控制环节读进仿真模型。读入方法经模糊控制器编辑好后，选择file/export/to workspace直接导入工作空间，点击仿真模型中的模糊逻辑控制器，把所设计的模糊控制器的名称输入到对话框中，把bpkz.FIS文件加载到模糊控制器模块中，然后设定好仿真时间、步长等参数，即可起动仿真，通过Scope观察系统的仿真输出情况，仿真结果如图7所示。

图7 模糊控制系统的仿真结果

控制系统的仿真调试主要从以下两个方面入手:(1)调整输入、输出变量论域(通过调整比例因子实现);(2)选择不同的解模糊方法。通过适当调节使输出达到控制系统要求，在以上方法调整后仍无法满足要求时，考虑进一步细化语言变量的取值，相应增加控制规则。

6 结语

汽车变频空调器的控制系统，运用模糊控制系统控制压缩机的频率从而达到调温的目的。针对车厢内负荷频繁变化，同时汽车在起动、停止时温差也会发生急剧变化等特点，采用模糊控制的方法，克服了被控对象数学模型难以建立，以及被控对象的非线性和时变性等难点，缩短了工况的稳定时间，提高了工况的稳定性和系统的控制精度，大大提高了变频空调系统的性价比，为汽车提供了高质量的空调控制系统，为乘客提供了舒适的乘车环境。

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