轿车空调参数自调整模糊控制的仿真研究❋

宋志强，史青录，陈 艳，于慧艳，杜妮丝

（太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

随着汽车工业的发展和人们生活水平的提高，人们对汽车的舒适性要求愈来愈高。汽车空调在汽车上的应用不仅有利于司乘人员的身心健康，还对增加交通安全性具有积极的作用。一般高级轿车上都装有自动空调系统，而国内大部分高级轿车上的空调控制器都是从国外进口的，目前还没有自己开发的具有自主知识产权的轿车空调自动控制器［1］。因此，对汽车空调的研究开发特别重要。

由于人们对汽车空调温度的舒适感是一个模糊性的概念以及汽车空调系统的复杂性，因此难以建立关于汽车空调的统一舒适性评价标准和控制对象的精确数学模型。而基于模糊控制方法无需建立被控对象的数学模型，且对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力，但是模糊控制方法［2，3］稳态精度较差，波动性较大。为了改善模糊控制效果，已经有学者应用模糊PID控制、自适应模糊控制做过相关的研究，而本文采用参数自调整模糊控制的方法来研究车内空调的控制效果。

1 汽车空调的组成

汽车空调系统具有制冷、加热、通风、空气净化4项功能，这些功能都是由操纵控制部分来调节和控制的，其结构如图1 所示。

2 汽车空调的热力学模型［4］

在建模过程中，将汽车车厢看作一个定容定压的系统，假设空气为理想气体，忽略气体的动能和势能，忽略发动机室内传入的热量及其他方面对车厢的温度影响较小的交换热量。根据热力学第一定律建立车厢内热平衡的数学模型为：

其中：ΔQ为车厢内总热量变化，kJ；Q1为空调输出的空气与吸入的空气的热量差，kJ；Q2为日照辐射传入的热量，kJ；Q3为车厢换气新风所产生的热量差，kJ；Q4为车身壁面传入热量，kJ；Q5为人体散发的热量，kJ。

图1 汽车空调的结构

根据热力学第一定律，理想气体等压变化时，有：

其中：m为车厢内空气质量，kg；Δh为车厢内空气焓值的变化，kJ／kg；Vc为车厢总体积，取为6.75m3；ρ为空气密度，在标准大气压下为1.225kg／m3；c为空气比热容，理想条件下为1.003kJ·／（kg·℃）；ΔT1为车厢内空气温度变化，℃。

2.1 汽车空调对气体的交换处理

将空调对空气的处理看成为理想的热交换器，将吸入车厢内的一部分空气经过热交换后从排风口排出体积相同的空气，则有：

其中：Vf为经过空调器热交换的空气体积，m3；Tf为空调风机出风口空气温度，℃；T1为车厢内空气温度，℃；Δt为经过的时间，s；v1为空调鼓风机风速，约为0.6m／s～2.2m／s；S1为鼓风机出风口面积，约为0.7m2。

对于冷暖合一的混合风门轿车空调系统，经过空调制冷加热处理后的温度差又可写为：

其中：Qc为空调制冷蒸发器的交换热，kJ；Qh为暖风加热器的交换热，kJ；Xc为制冷蒸发器的开关，0或1；Xh为暖风加热器的开关，0或1；Kc为制冷蒸发器热交换系数，约为0.7；Kh为暖风加热器热交换系数，约为0.5；Vh为经过暖风加热器进行热交换的气体体积，m3；ΔTc为制冷蒸发器处理前与处理后空气温度的差值，℃；ΔTh为暖风加热器处理前与处理后空气温度的差值，℃。

设混合风门的开度为λ（0≤λ≤1），即进行加热处理的空气占流经空调热交换总空气的比，于是有：

由式（3）～式（5）计算得到空调鼓风机出口温度为：

2.2 辐射热量和车身表面传入热量

在阳光照射下，太阳通过车窗的辐射热量和阳光照射车顶表面然后传入车内的热量使车内温度迅速改变。日照辐射传入的热量为：

其中：τ为车身围护结构对室内的导热系数，kJ／（m2·s·K）；A1为车体太阳直射方向有效面积，约为1m2；ε为车身外表面吸收系数，取0.89；I为太阳辐射强度，水平面时为0～1kJ／（m2·s），垂直面时为0～0.2 kJ／（m2·s）；α为对流换热系数，车速40km／h时取3.49×10－2kJ／（m2sK）；η为通过玻璃的太阳辐射透入系数，取0.84；A2为车窗太阳直射方向有效面积，约为0.3m2。

由于汽车没有良好的隔热性能，经过车身壁传入车内的热量对车内的温度影响较大，其计算公式为：

其中：A3为车身不透明隔热结构外表面积，m3；T0为车外空气温度，℃。

2.3 车厢缝隙和换气系统缝隙进入的新风温度

由缝隙进入车内新风的体积与由排风口排出车内的气体体积相同，则根据热力学定律得：

其中：VN为进入车内的新风空气的体积，m3；n为汽车的乘客人数，轿车为2人；vn为每人每小时获得的新风量，推荐值取11m3／（h·人）。

2.4 人体散发的热量

对于乘客散发的热量，可以按下述公式计算：

其中：q为人均产生热量，取值540kJ／（h·人）。

综上所述并整理得到：

其中：T′1为车厢内空气温度变化率。将已知参数代入式（11），进一步计算得到：

其中：a1，a2，a3，a4均为常数。

3 控制模型的建立和仿真

参数自调整模糊控制器［6］是在常规模糊控制器基础上加入一个自调整环节，其控制原理如图2 所示。

图2 参数自调整模糊控制器控制原理图

参数自调整模糊控制器利用模糊控制对量化因子Ke和Kec进行在线调整，以满足不同e和ec对控制器参数的要求，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。

偏差e、偏差变化率ec和输出变量u的论域都为［－5，5］；模糊子集分别为｛NB，NS，Z，PS，PB｝。隶属度函数都采用三角形函数。根据此建立各模糊规则，在模糊推理系统中混合风门开度和鼓风机转速选择Mamdani型算法，解模糊化采用重心法；压缩机启停和热水阀开关采用Sugeno型算法，解模糊化采用加权平均法。

在MATLAB／Simulink中构建图3 和图4 两个模块，选择各参数的合适数值代入计算，并分别以夏季车外35℃和冬季车外0℃进行仿真，得到的仿真曲线如图5 和图6 所示。

图2 参数自调整模糊控制器控制原理图

图3 汽车空调参数自调整模糊控制仿真模块

图4 汽车空调执行机构仿真模块

图5 夏天高温时空调调节仿真温度曲线

4 结论

由仿真曲线可以看出，当系统达到稳定状态后，温度波动小，稳态精度较高，有效地改善了模糊控制方法稳态精度较差、波动性较大的缺点，说明参数自调整模糊控制系统的控制效果较好，能满足控制的要求。

图6 冬天低温时空调调节仿真温度曲线

［1］李睿钦，张荣标，柏受军，等.模糊PID在汽车空调温度控制中的应用［J］.微计算机信息，2008（2）：235-237.

［2］王桂琴，刘宏伟，冯利辉.基于模糊控制的汽车自动空调仿真分析［J］.拖拉机与农用运输车，2008，35（2）：42-43.

［3］王文涛，贾志成.基于模糊控制的汽车空调风门控制的研究［J］.汽车零部件，2011（11）：65-67.

［4］崔胜民.现代汽车系统控制技术［M］.北京：北京大学出版社，2008.

［5］刘端.基于模糊控制的轿车自动空调设计与仿真［D］.长春：吉林大学，2009：14-36.

［6］梁铁城，姜长洪.参数自调整模糊控制系统的设计与仿真［J］.系统仿真学报，2006，18（2）：628-629.