基于变排量压缩机的车载空调系统温度控制策略

葛 钊，陈 冲

（福州大学 电气工程与自动化学院，福州 350116）

基于变排量压缩机的车载空调系统温度控制策略

葛 钊，陈 冲

（福州大学 电气工程与自动化学院，福州 350116）

通过分析车载空调温控系统的研究现状和面临的工艺问题，根据对系统的快速性、舒适度和稳定性的要求，设计了一种基于前馈解耦补偿的抗饱和PI控制器的温度控制策略，并利用LMS公司的AMESim软件完成了对控制器的设计。在分析系统模型的特点的基础上，建立控制系统的模型，并对控制系统进行仿真实验。通过加入车速变化的模拟仿真，验证了系统的稳定性；通过车速和设定温度两种干扰同时变化的模拟仿真，验证了系统良好的温度跟踪性能。

解耦；变排量；前馈补偿；抗饱和PI

0 引言

早在1925年，美国率先出现了利用冷却水加热的车载空调雏形，从那时开始，世界汽车空调产业已经走过了近一百年的历史，从单一制冷取暖开始，到现在用数百个参数标定的人体舒适度指标，车载空调走上了快速的发展道路。

我国于上世纪七十年代，首次将汽车空调装置使用在一汽的红旗轿车上，当时并无温度控制，一切均以手动控制风量为主；1995年，上海交大的江志斌等人将模糊控制引入车载空调控制系统中，将设定温度和当前温度之间的差值作为输入，在不同工况下，控制风机风量[1]；1995年，于兵、刘维华等人又通过研究蒸发器过热度，将注意力放在管道内制冷剂的状态上，对膨胀阀动态响应进行仿真，抑制了系统振荡[2]；2005年，北京工业大学的刘忠宝、王庆华等人提出了一种建立在EASY5和FLUENT两大软件平台上的开发模式，将室内温度场和蒸发器进风温度进行比较，建立了自适应模型，精度较高[3]，但对车载ECU的要求也较为苛刻。

本文提出了一种基于功率键合图法的仿真系统，利用LMS公司的AMESim软件，对功率流的传递进行模拟[4]；通过对变排量压缩机系统的特点以及不同工况下的车速干扰进行分析，确定主要控制对象，并采用互锁解耦器对系统耦合部分进行解耦；在分析车载空调系统基本工艺要求的基础上，对系统本身产生的干扰进行前馈补偿；通过对双环系统同时加入车速干扰的仿真，以验证所提出的控制策略的有效性。

1 车载空调系统

1.1 控制目标

进入21世纪后，我国夏季高温灾害频发，夏季室外最高温度可达40℃，而好的空调系统要使车内温度保持在一个较舒适的温度。根据日本工程师协会指定的舒适度，亚洲中纬度地区一般将夏季设定温度定为20℃～25℃[5]。为了保证在极端条件下（冷启动情况）均能满足要求，以考验系统对大温差的制冷能力，本次试验将起始温度和外部温度设定在40℃，最终车内温度定为20℃，误差限定在±1℃范围内。

除了控制车内温度，系统还要在快速性方面接受各种运行工况的考验，包括乘客在调整设定温度以后，空调系统的目标稳定时间。经过对不同型号汽车的空调系统进行测试，将系统仿真的目标稳定时间定为60s，误差为±15s。

根据车载空调的制冷原理，当动力通过发动机经皮带传送到压缩机主轴时，主轴带动活塞对制冷剂进行压缩和推动作用，如图1所示，使整个系统得以运转起来[6]。

图1 变排量压缩机结构

1.2 系统结构

当开发人员开发出一个新的温度控制策略的时候，需要将策略转化为一种计算机语言，烧写入车载ECU（Electronic Control Unit）中的ATC（Air Temperature Controller）模块，这个模块负责对车载空调系统的各个部件进行采样，进行A/D转换后再进行分析，然后驱动各个部位的执行器对车内温度进行控制。可以说，ATC是控制策略和系统配合的核心。

如图2所示，基于车载变排量压缩机的温度控制系统主要由六个部分组成：HMI（Human–Machine Interaction，人机交互系统）、ATC、制冷系统（Air conditioning system）、送风系统（HEBA，Heater Evaporator Blower Assembly）、车厢系统和外部环境。而ATC的作用主要是采集和接受系统各处传感器信号，例如：车内温度、车外温度、阳光照度、初始温度、车速、发动机冷却水温等。对以上数据进行采集以后，根据自身编译完成的控制策略，通过飞思卡尔公司的S9S12GN48芯片进行计算，并对各个控制策略的执行器进行调控。

2 模型的特点分析

2.1 开环模型

由上文可知，系统的各部件之间可以组成一个基本的制冷循环，这个制冷循环是一个开环系统，在接受HMI人机交互面板提供的空调打开信号后，系统将其转化为压缩机的固定开度，通过发动机的转动使其做功，将拥有一定制冷量的制冷剂输送到蒸发器处，并由HEBA系统将冷量转化到风中传递到出风口，最终在车厢内混合后，使得车内温度降低，如图3所示。

图3 系统开环模型

开环系统是指控制装置和被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系，系统的输出并不会反向对系统的输入以及相应装置发生影响，其控制结果没有稳定性，完全取决于元件的增益变化和精度。车载空调系统在城市工况下面临的最大问题，就是发动机转速的不稳定性。无论是在通过红绿灯的过程中，还是在行车避让的过程中，因为传动皮带的存在，发动机转速的扰动都是一个强制性干扰，幅度约为800r/min～3200r/min。在开环系统中，车速和压缩机转速同时干扰对车内温度的影响如图4所示。

图4 车内温度受车速干扰情况

可以很明显地看出，每当车速上升的时候，因为压缩机转速的增加，制冷量也会增加，导致车内温度在其他条件都不变的情况下降低。系统设定为20℃，但是因为开环系统没有自动修正偏差的能力，导致温度虽然下降，但是无法控制在目标范围内。

2.2 风门耦合

本系统在改变压缩机控制阀开度的同时，还加入了混合风门的概念，当风门以及空调箱的结构形式确定后，通过角度引导冷热分配比达到精确控制温度的目的[8]。这个控制器可以在一些需要快速反应的过程中，如果压缩机的开度无法发生瞬时变化，或者蒸发器表面温度无法瞬时提高的时候，由混合风门将经过蒸发器以后的冷风进行适当升温：

式中：x为混合风门开度，0～1代表全热到全冷；To为出风口温度(℃)；Tw为发动机水温(℃)；Te为蒸发器表面温度(℃)；Qr为制冷剂能量(J)；为制冷剂和蒸发器间热效率；Qw为经过蒸发器的风所含能量(J)；cw为经过蒸发器的风的比热(J/(kg·℃))；为风的质量流量(kg/s)。根据式(2)可得，混合风门开度x可以改变出风口温度；根据式(1)、式(2)可得，压缩机开度也可以改变出风口温度。当一个车内温度和设定温度的差值信号输入时，会影响多个输出发生变化，控制系统将会出现耦合现象，有可能使系统产生振荡。此时必须分清哪个控制器的控制为主动，哪个控制器为从动[9]，用这种方式对系统进行解耦。

2.3 风机扰动

鼓风机风量在汽车工艺要求中，需要跟随出风口温度变化而改变。在车载空调的舒适度要求中，当出风口温度过低或者过高的时候，说明系统需要迅速将温度升高或者降低，只能让由风门带入的制冷量保持较大或者较小；而当出风口温度TAO在比较合适的范围内时，风量需要维持在一个较小的恒定值，让压缩机开度和混合风门大小来调节车内温度，保证乘客在系统稳定时，不会因为风量过大而觉得不舒适。

所以此系统为变风量系统，车厢负荷发生改变时，系统总风量也随时发生改变。根据以上要求，可以将风机扰动定义为一种不可避免的和工艺有关的扰动，其对应关系如图5所示[10]。

图5 出风口风速随出风口温度变化

为了构建一个可按扰动控制的闭环系统，可以利用可观测的扰动量，产生一种补偿作用，采取前馈或者顺馈的方式，降低或者抵消扰动对输出量的影响。

3 系统的控制策略

3.1 TAO闭环

TAO（Target Air Outlet，目标蒸发器温度）首先由美国工程师提出，用来构建闭环系统。其他系统会采用车内温度直接作为闭环反馈值进行处理，这样在仿真中可能比较精确，可是在实车实验时就会出现系统不稳定的情况。因为对车内温度场的仿真较难做到，而且车载空调系统的传感器一般设置在驾驶员脚下，无法代表车内混合气体的平均温度。所以需要建立一种预估机制，根据变化前的车内温度和车外温度，以及各种可测量干扰量，计算出车厢想达到设定温度，当前的HEBA系统需要输出多少的制冷量[11]。公式如下：

式中：Tset为设定温度(℃)；Ge为需要冷量系数；Tcar为初始车内温度(℃)；K为自然散热系数；Tamb为室外温度(℃)；GL为光照热系数(℃/( W/m2))；Solar为光照强度(W/m2)；GA为风机系数。根据目标蒸发器的温度和实际蒸发器出口的温度进行比较，构成系统的内环，并加入一个PI控制器对目标蒸发器温度和实际蒸发器温度进行控制，PI的输出直接通过式(1)、式(2)控制压缩机开度，从而控制内环的实际蒸发器温度。因为其转速扰动存在内环之外，所以在外侧再进行一次闭环，使其能够很好的处理转速扰动带来的系统偏差。

3.2 门阀互控

通过实验，系统确定了压缩机开度对整车温度变化的影响曲线图，如图6所示。

图6 两种控制装置对车内温度的影响

从图6可以看出，当混合风门开度为90%，发动机转速为1500r/min，鼓风机风速保持在0.08m3/s时，随着压缩机开度的增大，车内温度的降低也是较为明显。与此同时，当系统压缩机开度在0.3，发动机转速为1500r/ min，鼓风机风速在0.08m3/s时，车内温度随混合风门开度的变化如图6所示。

当压缩机开度和混合风门开度均可以影响车内温度时，通过以上两表可以看出，压缩机开度在全开和全关之间可以控制的温度范围为15.2℃～60.5℃，而混合风门开度可控制的温度范围为11.9℃～84.1℃。当两者均控制车内温度时，系统将变化比较缓慢且准确的压缩机开度控制定为主要控制。当压缩机开度达到上下限时，再启动混合风门，对车内温度进行控制；而只要压缩机开始工作，说明此时系统需要制冷量来对车内温度进行调整，则强制令混合风门开度维持最大值，保证所有冷气均可进入车厢，不浪费制冷量，达到节约能源的目的。风门互锁系统在AMESim仿真软件中如图7所示。

图7 门阀互控结构

如图7所示，起始时，因为车内温度较高，PI输出值为1，此信号直接传递给压缩机并用于控制风门信号，而风门信号触发值为0.05，所以此时风门信号为定值k1=100，风门信号被锁；当PI输出小于0.05时，风门信号被触发，同时将PI信号触发切换为k=0.01，压缩机基本停止工作。

3.3 抗饱和PI控制器

通过对系统动态控制过程的分析可知，在TAO闭环中，当闭环控制器采用一般的PI控制器时，因为压缩机排量已经到达了最大，可是此时蒸发器表面温度依旧没有达到目标蒸发器温度TAO，由于积分环节的持续作用，传递给压缩机的信号已经远远大于其百分百开度信号——1，如果此时车内温度开始接近设定温度，需要PI控制器输出一个小于1的值，此时会因为刚才的长时间的积分饱和问题导致系统需要较长时间脱离饱和区，引起系统的大幅超调，导致不稳定。

积分器抗饱和方法有一下三种[12]：1）积分切除法；2）变速积分法；3）钳位法。三种方法的原理图如图8所示。

图8 三种抗饱和积分控制器原理图

积分切除法原理图如图8(a)所示，当控制器的输出达到额定的上下极限以后，比较器将PI的输出和经过限幅器以后的输出进行比较，如果限幅器的输入大于输出，说明已达控制器极限，此时比较器的输出为1，切换头此时将积分信号的输入改为0，停止积分作用，使积分输出不再变大。此方法虽然限制了积分环节的输入，但是没有对当前的系统状况进行判断，不知道此时PI输出需要变大还是变小，导致反应缓慢。

变速积分法如图8(b)所示，如果PI输出还没有到饱和状态的时候，偏差器差值为0，积分器正常进行积分，如果当PI输出和限幅器输出不一致时，此时偏差器对两者的输出值进行做差，将差值通过增益反馈到积分器的输入，和积分器的增益进行抵消；如果积分过大则进行减小，如果积分不够则进行增加；同时偏差器也可以使得此方法对饱和深度进行感知，如果PI输出和限幅器的输出差值较大时，说明系统已经进入了深度饱和区，较大的偏差通过增益Ks输入积分环节会产生较大的抵消作用，改变了积分速度。

钳位法如图8(c)所示，首先是PI的输入和输出之间进行一个比较，如果输入输出同号，说明有产生静差的趋势，钳位器判断两者同号输出1，然后也是对PI的输出和限幅器的输出进行比较，如果进入饱和区则输出也为1，说明此时已经进入了饱和区而且出现了静差增大的趋势，则需要让积分过程停止，所以通过切换头，停止控制器的积分过程，减小深度饱和，直到限幅器输入输出相等；若依然存在静差，则继续进行积分消除作用。

三种抗饱和方法的积分输出如因为钳位法可以利用输入u对是否进行积分进行钳制，及时的切除积分效果，从而达到判断和控制二合一的效果。所以本系统的抗饱和PI控制采用的是钳位法，解决了控制器的去饱和问题。

当系统采用闭环控制策略进行仿真时，设定温度为19℃，车速和压缩机转速干扰随时间变化情况如图12所示时，三种抗饱和积分法的输出如图9所示。

图9 三种抗饱和积分法仿真输出

由图9(a)可以看出三种抗饱和积分法均将车内温度控制在了设定温度的±0.1℃之内，但是相比较而言，钳位法超调较大，稳定速度较快；且在后续面对车速变化时的温度波动较小，效果最好；同时由图9(b)可以看出，积分切除法积分项开始输出较早，不利于系统快速进入稳定状态，变速积分法在后续出现干扰时波动较大，稳定性较差，只有钳位法其积分项开始输出较晚，给于系统足够的超调，同时及时的通过接入和切除积分项，保证系统稳态性质符合设计要求。

3.4 前馈抗扰策略

在设计闭环回路的时，由于出风口风速和出风口温度线性相关，在这个系统中变成了一种干扰，因为风速和风量的关系转换成风机系数GA是一种可知、可测的转化，所以采用前馈控制将其影响利用TAO闭环公式消除在前，使风速干扰不进入控制器内环，最终闭环系统图如图10所示。

TAO公式也变为：

通过对车厢模型散热分析可知，此时Ge=3.5，K=0.05，GL=0.35，建立仿真模型。

4 仿真

根据以上控制策略，在AMESim软件中搭建系统模型和控制模型后，控制系统的仿真模型如图11所示。

图10 系统解耦后闭环前馈补偿

根据系统工作的特点，设定系统的工作环境为：外温40℃，设定温度为20℃，阳光照度为1000（W/m2），自由热交换面积为10m2，热交换效率为40%，车内空间为3m3，水温在一分钟达到90℃，工况为为变车速变压缩机转速工况，两者的对应关系如图12所示，图中转速抖动为换档过程导致。

图12 压缩机和车速两个干扰量随时间变化情况

在图12中两干扰量同时存在的情况下，仿真结果如图13所示。

图13 系统面对不同扰动时的稳定性

如图13(a)所示，当系统加入单一车速干扰的时候，除了很明显可以看出每当车速增加的时候温度都会有所下降的符合物理模型这一点，此控制系统可以很好的将车内温度控制在±1℃之内；从图13(b)中可以看出，如果在这个系统中加入两个干扰，系统输入的设定温度增加到22℃和车速从18.8m/s骤减到13m/s，二者同时变化时，例如501s时出现的极端情况，车速和设定温度同时发生较大改变，系统在出现了小幅波动以后，依旧在35s内进入到±1℃之内，并在47s内完成精确跟踪，设定温度和车内温度达到一致，说明此温度控制系统能够很好的完成对车内温度的精确控制。

5 结论

本文通过对基于变排量压缩机的车载空调系统特点的分析，利用AMESim软件建立了系统的模型，针对开环模型中存在的问题以及可能出现的扰动，提出了采用TAO闭环、门阀互控、抗饱和PI以及前馈补偿控制相结合的闭环系统控制策略。利用AMESim软件建立控制系统的仿真模型，仿真结果表明，当车厢在有光照和冷量散失等外界不利因素影响的情况下，依旧可以在30s之内完成对车内温度的控制；并通过给系统增加两种扰动，结果表明在极端工况下系统的稳定性和稳定时间均满足系统要求。从而验证了所提出的控制策略可行性。

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Temperature control strategy of vehicle mounted air conditioning system based on variable displacement compressor

GE Zhao, CHEN Chong

TP202+.2

A

1009-0134(2017)04-0020-07

2016-12-29

国家自然科学基金资助项目（61304260）

葛钊（1990 -），男，福建厦门人，硕士研究生，主要从事汽车空调控制系统的研究。