葛 釗，陳 沖

（福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116）

基于變排量壓縮機的車載空調(diào)系統(tǒng)溫度控制策略

葛 釗，陳 沖

（福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116）

通過分析車載空調(diào)溫控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和面臨的工藝問題，根據(jù)對系統(tǒng)的快速性、舒適度和穩(wěn)定性的要求，設(shè)計了一種基于前饋解耦補償?shù)目癸柡蚉I控制器的溫度控制策略，并利用LMS公司的AMESim軟件完成了對控制器的設(shè)計。在分析系統(tǒng)模型的特點的基礎(chǔ)上，建立控制系統(tǒng)的模型，并對控制系統(tǒng)進行仿真實驗。通過加入車速變化的模擬仿真，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；通過車速和設(shè)定溫度兩種干擾同時變化的模擬仿真，驗證了系統(tǒng)良好的溫度跟蹤性能。

解耦；變排量；前饋補償；抗飽和PI

0 引言

早在1925年，美國率先出現(xiàn)了利用冷卻水加熱的車載空調(diào)雛形，從那時開始，世界汽車空調(diào)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走過了近一百年的歷史，從單一制冷取暖開始，到現(xiàn)在用數(shù)百個參數(shù)標(biāo)定的人體舒適度指標(biāo)，車載空調(diào)走上了快速的發(fā)展道路。

我國于上世紀(jì)七十年代，首次將汽車空調(diào)裝置使用在一汽的紅旗轎車上，當(dāng)時并無溫度控制，一切均以手動控制風(fēng)量為主；1995年，上海交大的江志斌等人將模糊控制引入車載空調(diào)控制系統(tǒng)中，將設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度之間的差值作為輸入，在不同工況下，控制風(fēng)機風(fēng)量[1]；1995年，于兵、劉維華等人又通過研究蒸發(fā)器過熱度，將注意力放在管道內(nèi)制冷劑的狀態(tài)上，對膨脹閥動態(tài)響應(yīng)進行仿真，抑制了系統(tǒng)振蕩[2]；2005年，北京工業(yè)大學(xué)的劉忠寶、王慶華等人提出了一種建立在EASY5和FLUENT兩大軟件平臺上的開發(fā)模式，將室內(nèi)溫度場和蒸發(fā)器進風(fēng)溫度進行比較，建立了自適應(yīng)模型，精度較高[3]，但對車載ECU的要求也較為苛刻。

本文提出了一種基于功率鍵合圖法的仿真系統(tǒng)，利用LMS公司的AMESim軟件，對功率流的傳遞進行模擬[4]；通過對變排量壓縮機系統(tǒng)的特點以及不同工況下的車速干擾進行分析，確定主要控制對象，并采用互鎖解耦器對系統(tǒng)耦合部分進行解耦；在分析車載空調(diào)系統(tǒng)基本工藝要求的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)本身產(chǎn)生的干擾進行前饋補償；通過對雙環(huán)系統(tǒng)同時加入車速干擾的仿真，以驗證所提出的控制策略的有效性。

1 車載空調(diào)系統(tǒng)

1.1 控制目標(biāo)

進入21世紀(jì)后，我國夏季高溫災(zāi)害頻發(fā)，夏季室外最高溫度可達40℃，而好的空調(diào)系統(tǒng)要使車內(nèi)溫度保持在一個較舒適的溫度。根據(jù)日本工程師協(xié)會指定的舒適度，亞洲中緯度地區(qū)一般將夏季設(shè)定溫度定為20℃～25℃[5]。為了保證在極端條件下（冷啟動情況）均能滿足要求，以考驗系統(tǒng)對大溫差的制冷能力，本次試驗將起始溫度和外部溫度設(shè)定在40℃，最終車內(nèi)溫度定為20℃，誤差限定在±1℃范圍內(nèi)。

除了控制車內(nèi)溫度，系統(tǒng)還要在快速性方面接受各種運行工況的考驗，包括乘客在調(diào)整設(shè)定溫度以后，空調(diào)系統(tǒng)的目標(biāo)穩(wěn)定時間。經(jīng)過對不同型號汽車的空調(diào)系統(tǒng)進行測試，將系統(tǒng)仿真的目標(biāo)穩(wěn)定時間定為60s，誤差為±15s。

根據(jù)車載空調(diào)的制冷原理，當(dāng)動力通過發(fā)動機經(jīng)皮帶傳送到壓縮機主軸時，主軸帶動活塞對制冷劑進行壓縮和推動作用，如圖1所示，使整個系統(tǒng)得以運轉(zhuǎn)起來[6]。

圖1 變排量壓縮機結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)開發(fā)人員開發(fā)出一個新的溫度控制策略的時候，需要將策略轉(zhuǎn)化為一種計算機語言，燒寫入車載ECU（Electronic Control Unit）中的ATC（Air Temperature Controller）模塊，這個模塊負(fù)責(zé)對車載空調(diào)系統(tǒng)的各個部件進行采樣，進行A/D轉(zhuǎn)換后再進行分析，然后驅(qū)動各個部位的執(zhí)行器對車內(nèi)溫度進行控制?？梢哉f，ATC是控制策略和系統(tǒng)配合的核心。

如圖2所示，基于車載變排量壓縮機的溫度控制系統(tǒng)主要由六個部分組成：HMI（Human–Machine Interaction，人機交互系統(tǒng)）、ATC、制冷系統(tǒng)（Air conditioning system）、送風(fēng)系統(tǒng)（HEBA，Heater Evaporator Blower Assembly）、車廂系統(tǒng)和外部環(huán)境。而ATC的作用主要是采集和接受系統(tǒng)各處傳感器信號，例如：車內(nèi)溫度、車外溫度、陽光照度、初始溫度、車速、發(fā)動機冷卻水溫等。對以上數(shù)據(jù)進行采集以后，根據(jù)自身編譯完成的控制策略，通過飛思卡爾公司的S9S12GN48芯片進行計算，并對各個控制策略的執(zhí)行器進行調(diào)控。

2 模型的特點分析

2.1 開環(huán)模型

由上文可知，系統(tǒng)的各部件之間可以組成一個基本的制冷循環(huán)，這個制冷循環(huán)是一個開環(huán)系統(tǒng)，在接受HMI人機交互面板提供的空調(diào)打開信號后，系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)化為壓縮機的固定開度，通過發(fā)動機的轉(zhuǎn)動使其做功，將擁有一定制冷量的制冷劑輸送到蒸發(fā)器處，并由HEBA系統(tǒng)將冷量轉(zhuǎn)化到風(fēng)中傳遞到出風(fēng)口，最終在車廂內(nèi)混合后，使得車內(nèi)溫度降低，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)開環(huán)模型

開環(huán)系統(tǒng)是指控制裝置和被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系，系統(tǒng)的輸出并不會反向?qū)ο到y(tǒng)的輸入以及相應(yīng)裝置發(fā)生影響，其控制結(jié)果沒有穩(wěn)定性，完全取決于元件的增益變化和精度。車載空調(diào)系統(tǒng)在城市工況下面臨的最大問題，就是發(fā)動機轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性。無論是在通過紅綠燈的過程中，還是在行車避讓的過程中，因為傳動皮帶的存在，發(fā)動機轉(zhuǎn)速的擾動都是一個強制性干擾，幅度約為800r/min～3200r/min。在開環(huán)系統(tǒng)中，車速和壓縮機轉(zhuǎn)速同時干擾對車內(nèi)溫度的影響如圖4所示。

圖4 車內(nèi)溫度受車速干擾情況

可以很明顯地看出，每當(dāng)車速上升的時候，因為壓縮機轉(zhuǎn)速的增加，制冷量也會增加，導(dǎo)致車內(nèi)溫度在其他條件都不變的情況下降低。系統(tǒng)設(shè)定為20℃，但是因為開環(huán)系統(tǒng)沒有自動修正偏差的能力，導(dǎo)致溫度雖然下降，但是無法控制在目標(biāo)范圍內(nèi)。

2.2 風(fēng)門耦合

本系統(tǒng)在改變壓縮機控制閥開度的同時，還加入了混合風(fēng)門的概念，當(dāng)風(fēng)門以及空調(diào)箱的結(jié)構(gòu)形式確定后，通過角度引導(dǎo)冷熱分配比達到精確控制溫度的目的[8]。這個控制器可以在一些需要快速反應(yīng)的過程中，如果壓縮機的開度無法發(fā)生瞬時變化，或者蒸發(fā)器表面溫度無法瞬時提高的時候，由混合風(fēng)門將經(jīng)過蒸發(fā)器以后的冷風(fēng)進行適當(dāng)升溫：

式中：x為混合風(fēng)門開度，0～1代表全熱到全冷；To為出風(fēng)口溫度(℃)；Tw為發(fā)動機水溫(℃)；Te為蒸發(fā)器表面溫度(℃)；Qr為制冷劑能量(J)；為制冷劑和蒸發(fā)器間熱效率；Qw為經(jīng)過蒸發(fā)器的風(fēng)所含能量(J)；cw為經(jīng)過蒸發(fā)器的風(fēng)的比熱(J/(kg·℃))；為風(fēng)的質(zhì)量流量(kg/s)。根據(jù)式(2)可得，混合風(fēng)門開度x可以改變出風(fēng)口溫度；根據(jù)式(1)、式(2)可得，壓縮機開度也可以改變出風(fēng)口溫度。當(dāng)一個車內(nèi)溫度和設(shè)定溫度的差值信號輸入時，會影響多個輸出發(fā)生變化，控制系統(tǒng)將會出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，有可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。此時必須分清哪個控制器的控制為主動，哪個控制器為從動[9]，用這種方式對系統(tǒng)進行解耦。

2.3 風(fēng)機擾動

鼓風(fēng)機風(fēng)量在汽車工藝要求中，需要跟隨出風(fēng)口溫度變化而改變。在車載空調(diào)的舒適度要求中，當(dāng)出風(fēng)口溫度過低或者過高的時候，說明系統(tǒng)需要迅速將溫度升高或者降低，只能讓由風(fēng)門帶入的制冷量保持較大或者較??；而當(dāng)出風(fēng)口溫度TAO在比較合適的范圍內(nèi)時，風(fēng)量需要維持在一個較小的恒定值，讓壓縮機開度和混合風(fēng)門大小來調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度，保證乘客在系統(tǒng)穩(wěn)定時，不會因為風(fēng)量過大而覺得不舒適。

所以此系統(tǒng)為變風(fēng)量系統(tǒng)，車廂負(fù)荷發(fā)生改變時，系統(tǒng)總風(fēng)量也隨時發(fā)生改變。根據(jù)以上要求，可以將風(fēng)機擾動定義為一種不可避免的和工藝有關(guān)的擾動，其對應(yīng)關(guān)系如圖5所示[10]。

圖5 出風(fēng)口風(fēng)速隨出風(fēng)口溫度變化

為了構(gòu)建一個可按擾動控制的閉環(huán)系統(tǒng)，可以利用可觀測的擾動量，產(chǎn)生一種補償作用，采取前饋或者順饋的方式，降低或者抵消擾動對輸出量的影響。

3 系統(tǒng)的控制策略

3.1 TAO閉環(huán)

TAO（Target Air Outlet，目標(biāo)蒸發(fā)器溫度）首先由美國工程師提出，用來構(gòu)建閉環(huán)系統(tǒng)。其他系統(tǒng)會采用車內(nèi)溫度直接作為閉環(huán)反饋值進行處理，這樣在仿真中可能比較精確，可是在實車實驗時就會出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。因為對車內(nèi)溫度場的仿真較難做到，而且車載空調(diào)系統(tǒng)的傳感器一般設(shè)置在駕駛員腳下，無法代表車內(nèi)混合氣體的平均溫度。所以需要建立一種預(yù)估機制，根據(jù)變化前的車內(nèi)溫度和車外溫度，以及各種可測量干擾量，計算出車廂想達到設(shè)定溫度，當(dāng)前的HEBA系統(tǒng)需要輸出多少的制冷量[11]。公式如下：

式中：Tset為設(shè)定溫度(℃)；Ge為需要冷量系數(shù)；Tcar為初始車內(nèi)溫度(℃)；K為自然散熱系數(shù)；Tamb為室外溫度(℃)；GL為光照熱系數(shù)(℃/( W/m2))；Solar為光照強度(W/m2)；GA為風(fēng)機系數(shù)。根據(jù)目標(biāo)蒸發(fā)器的溫度和實際蒸發(fā)器出口的溫度進行比較，構(gòu)成系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，并加入一個PI控制器對目標(biāo)蒸發(fā)器溫度和實際蒸發(fā)器溫度進行控制，PI的輸出直接通過式(1)、式(2)控制壓縮機開度，從而控制內(nèi)環(huán)的實際蒸發(fā)器溫度。因為其轉(zhuǎn)速擾動存在內(nèi)環(huán)之外，所以在外側(cè)再進行一次閉環(huán)，使其能夠很好的處理轉(zhuǎn)速擾動帶來的系統(tǒng)偏差。

3.2 門閥互控

通過實驗，系統(tǒng)確定了壓縮機開度對整車溫度變化的影響曲線圖，如圖6所示。

圖6 兩種控制裝置對車內(nèi)溫度的影響

從圖6可以看出，當(dāng)混合風(fēng)門開度為90%，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1500r/min，鼓風(fēng)機風(fēng)速保持在0.08m3/s時，隨著壓縮機開度的增大，車內(nèi)溫度的降低也是較為明顯。與此同時，當(dāng)系統(tǒng)壓縮機開度在0.3，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1500r/ min，鼓風(fēng)機風(fēng)速在0.08m3/s時，車內(nèi)溫度隨混合風(fēng)門開度的變化如圖6所示。

當(dāng)壓縮機開度和混合風(fēng)門開度均可以影響車內(nèi)溫度時，通過以上兩表可以看出，壓縮機開度在全開和全關(guān)之間可以控制的溫度范圍為15.2℃～60.5℃，而混合風(fēng)門開度可控制的溫度范圍為11.9℃～84.1℃。當(dāng)兩者均控制車內(nèi)溫度時，系統(tǒng)將變化比較緩慢且準(zhǔn)確的壓縮機開度控制定為主要控制。當(dāng)壓縮機開度達到上下限時，再啟動混合風(fēng)門，對車內(nèi)溫度進行控制；而只要壓縮機開始工作，說明此時系統(tǒng)需要制冷量來對車內(nèi)溫度進行調(diào)整，則強制令混合風(fēng)門開度維持最大值，保證所有冷氣均可進入車廂，不浪費制冷量，達到節(jié)約能源的目的。風(fēng)門互鎖系統(tǒng)在AMESim仿真軟件中如圖7所示。

圖7 門閥互控結(jié)構(gòu)

如圖7所示，起始時，因為車內(nèi)溫度較高，PI輸出值為1，此信號直接傳遞給壓縮機并用于控制風(fēng)門信號，而風(fēng)門信號觸發(fā)值為0.05，所以此時風(fēng)門信號為定值k1=100，風(fēng)門信號被鎖；當(dāng)PI輸出小于0.05時，風(fēng)門信號被觸發(fā)，同時將PI信號觸發(fā)切換為k=0.01，壓縮機基本停止工作。

3.3 抗飽和PI控制器

通過對系統(tǒng)動態(tài)控制過程的分析可知，在TAO閉環(huán)中，當(dāng)閉環(huán)控制器采用一般的PI控制器時，因為壓縮機排量已經(jīng)到達了最大，可是此時蒸發(fā)器表面溫度依舊沒有達到目標(biāo)蒸發(fā)器溫度TAO，由于積分環(huán)節(jié)的持續(xù)作用，傳遞給壓縮機的信號已經(jīng)遠遠大于其百分百開度信號——1，如果此時車內(nèi)溫度開始接近設(shè)定溫度，需要PI控制器輸出一個小于1的值，此時會因為剛才的長時間的積分飽和問題導(dǎo)致系統(tǒng)需要較長時間脫離飽和區(qū)，引起系統(tǒng)的大幅超調(diào)，導(dǎo)致不穩(wěn)定。

積分器抗飽和方法有一下三種[12]：1）積分切除法；2）變速積分法；3）鉗位法。三種方法的原理圖如圖8所示。

圖8 三種抗飽和積分控制器原理圖

積分切除法原理圖如圖8(a)所示，當(dāng)控制器的輸出達到額定的上下極限以后，比較器將PI的輸出和經(jīng)過限幅器以后的輸出進行比較，如果限幅器的輸入大于輸出，說明已達控制器極限，此時比較器的輸出為1，切換頭此時將積分信號的輸入改為0，停止積分作用，使積分輸出不再變大。此方法雖然限制了積分環(huán)節(jié)的輸入，但是沒有對當(dāng)前的系統(tǒng)狀況進行判斷，不知道此時PI輸出需要變大還是變小，導(dǎo)致反應(yīng)緩慢。

變速積分法如圖8(b)所示，如果PI輸出還沒有到飽和狀態(tài)的時候，偏差器差值為0，積分器正常進行積分，如果當(dāng)PI輸出和限幅器輸出不一致時，此時偏差器對兩者的輸出值進行做差，將差值通過增益反饋到積分器的輸入，和積分器的增益進行抵消；如果積分過大則進行減小，如果積分不夠則進行增加；同時偏差器也可以使得此方法對飽和深度進行感知，如果PI輸出和限幅器的輸出差值較大時，說明系統(tǒng)已經(jīng)進入了深度飽和區(qū)，較大的偏差通過增益Ks輸入積分環(huán)節(jié)會產(chǎn)生較大的抵消作用，改變了積分速度。

鉗位法如圖8(c)所示，首先是PI的輸入和輸出之間進行一個比較，如果輸入輸出同號，說明有產(chǎn)生靜差的趨勢，鉗位器判斷兩者同號輸出1，然后也是對PI的輸出和限幅器的輸出進行比較，如果進入飽和區(qū)則輸出也為1，說明此時已經(jīng)進入了飽和區(qū)而且出現(xiàn)了靜差增大的趨勢，則需要讓積分過程停止，所以通過切換頭，停止控制器的積分過程，減小深度飽和，直到限幅器輸入輸出相等；若依然存在靜差，則繼續(xù)進行積分消除作用。

三種抗飽和方法的積分輸出如因為鉗位法可以利用輸入u對是否進行積分進行鉗制，及時的切除積分效果，從而達到判斷和控制二合一的效果。所以本系統(tǒng)的抗飽和PI控制采用的是鉗位法，解決了控制器的去飽和問題。

當(dāng)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制策略進行仿真時，設(shè)定溫度為19℃，車速和壓縮機轉(zhuǎn)速干擾隨時間變化情況如圖12所示時，三種抗飽和積分法的輸出如圖9所示。

圖9 三種抗飽和積分法仿真輸出

由圖9(a)可以看出三種抗飽和積分法均將車內(nèi)溫度控制在了設(shè)定溫度的±0.1℃之內(nèi)，但是相比較而言，鉗位法超調(diào)較大，穩(wěn)定速度較快；且在后續(xù)面對車速變化時的溫度波動較小，效果最好；同時由圖9(b)可以看出，積分切除法積分項開始輸出較早，不利于系統(tǒng)快速進入穩(wěn)定狀態(tài)，變速積分法在后續(xù)出現(xiàn)干擾時波動較大，穩(wěn)定性較差，只有鉗位法其積分項開始輸出較晚，給于系統(tǒng)足夠的超調(diào)，同時及時的通過接入和切除積分項，保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性質(zhì)符合設(shè)計要求。

3.4 前饋抗擾策略

在設(shè)計閉環(huán)回路的時，由于出風(fēng)口風(fēng)速和出風(fēng)口溫度線性相關(guān)，在這個系統(tǒng)中變成了一種干擾，因為風(fēng)速和風(fēng)量的關(guān)系轉(zhuǎn)換成風(fēng)機系數(shù)GA是一種可知、可測的轉(zhuǎn)化，所以采用前饋控制將其影響利用TAO閉環(huán)公式消除在前，使風(fēng)速干擾不進入控制器內(nèi)環(huán)，最終閉環(huán)系統(tǒng)圖如圖10所示。

TAO公式也變?yōu)椋?/p>

通過對車廂模型散熱分析可知，此時Ge=3.5，K=0.05，GL=0.35，建立仿真模型。

4 仿真

根據(jù)以上控制策略，在AMESim軟件中搭建系統(tǒng)模型和控制模型后，控制系統(tǒng)的仿真模型如圖11所示。

圖10 系統(tǒng)解耦后閉環(huán)前饋補償

根據(jù)系統(tǒng)工作的特點，設(shè)定系統(tǒng)的工作環(huán)境為：外溫40℃，設(shè)定溫度為20℃，陽光照度為1000（W/m2），自由熱交換面積為10m2，熱交換效率為40%，車內(nèi)空間為3m3，水溫在一分鐘達到90℃，工況為為變車速變壓縮機轉(zhuǎn)速工況，兩者的對應(yīng)關(guān)系如圖12所示，圖中轉(zhuǎn)速抖動為換檔過程導(dǎo)致。

圖12 壓縮機和車速兩個干擾量隨時間變化情況

在圖12中兩干擾量同時存在的情況下，仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)面對不同擾動時的穩(wěn)定性

如圖13(a)所示，當(dāng)系統(tǒng)加入單一車速干擾的時候，除了很明顯可以看出每當(dāng)車速增加的時候溫度都會有所下降的符合物理模型這一點，此控制系統(tǒng)可以很好的將車內(nèi)溫度控制在±1℃之內(nèi)；從圖13(b)中可以看出，如果在這個系統(tǒng)中加入兩個干擾，系統(tǒng)輸入的設(shè)定溫度增加到22℃和車速從18.8m/s驟減到13m/s，二者同時變化時，例如501s時出現(xiàn)的極端情況，車速和設(shè)定溫度同時發(fā)生較大改變，系統(tǒng)在出現(xiàn)了小幅波動以后，依舊在35s內(nèi)進入到±1℃之內(nèi)，并在47s內(nèi)完成精確跟蹤，設(shè)定溫度和車內(nèi)溫度達到一致，說明此溫度控制系統(tǒng)能夠很好的完成對車內(nèi)溫度的精確控制。

5 結(jié)論

本文通過對基于變排量壓縮機的車載空調(diào)系統(tǒng)特點的分析，利用AMESim軟件建立了系統(tǒng)的模型，針對開環(huán)模型中存在的問題以及可能出現(xiàn)的擾動，提出了采用TAO閉環(huán)、門閥互控、抗飽和PI以及前饋補償控制相結(jié)合的閉環(huán)系統(tǒng)控制策略。利用AMESim軟件建立控制系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果表明，當(dāng)車廂在有光照和冷量散失等外界不利因素影響的情況下，依舊可以在30s之內(nèi)完成對車內(nèi)溫度的控制；并通過給系統(tǒng)增加兩種擾動，結(jié)果表明在極端工況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定時間均滿足系統(tǒng)要求。從而驗證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

國家自然科學(xué)基金資助項目（61304260）

葛釗（1990 -），男，福建廈門人，碩士研究生，主要從事汽車空調(diào)控制系統(tǒng)的研究。