郭沖 魏名山 張志強(qiáng) 王智興
(北京理工大學(xué),北京 10081)
電動汽車熱泵空調(diào)模糊控制的模擬研究
郭沖魏名山張志強(qiáng)王智興
(北京理工大學(xué),北京 10081)
利用AMESim建立了電動汽車熱泵空調(diào)模型,采用MatlabSimulink建立了直流電動機(jī)和模糊控制器模型,將兩種模型耦合在一起進(jìn)行了車內(nèi)溫度控制的聯(lián)合仿真研究。利用聯(lián)合仿真模型對運(yùn)用模糊控制與壓縮機(jī)開關(guān)控制的空調(diào)性能進(jìn)行了對比,結(jié)果表明,運(yùn)用模糊控制,車內(nèi)溫度波動小,溫度穩(wěn)定后壓縮機(jī)消耗功率降低了14.53%,且系統(tǒng)COP值保持在1.8。設(shè)計(jì)了自調(diào)整模糊控制器,采用該控制器加快了熱泵系統(tǒng)響應(yīng),減少了熱泵系統(tǒng)不同工況下的穩(wěn)態(tài)誤差,增強(qiáng)了模糊控制器的適應(yīng)性。
主題詞:電動汽車熱泵空調(diào)模糊控制
空調(diào)系統(tǒng)作為電動汽車功耗最大的輔助子系統(tǒng),其功耗占所有輔助子系統(tǒng)功耗的60%~80%[1]。在冬季開啟空調(diào)制熱時(shí),電動汽車的續(xù)駛里程會減少約33%;在夏季開啟空調(diào)制冷時(shí),續(xù)駛里程會減少約18%~30%[2],因此空調(diào)對電動汽車的續(xù)駛里程和驅(qū)動性能影響很大。為有效提高電動汽車的續(xù)駛里程,可采用熱泵型空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冬季取暖功能,因其制熱系數(shù)COP(coefficient of performance)大于1.0,空調(diào)器能耗較小。
純電動汽車要求空調(diào)系統(tǒng)既能快速制熱,又能滿足變負(fù)荷運(yùn)行特性。熱泵空調(diào)系統(tǒng)可通過改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)空調(diào)制熱量的連續(xù)調(diào)節(jié),以適應(yīng)動態(tài)變化的冷負(fù)荷的需要。為探究熱泵壓縮機(jī)變轉(zhuǎn)速性能,通過AMESim建立了電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)模型,采用MatlabSimulink建立了基于脈寬調(diào)制(PWM)方式的直流電動機(jī)調(diào)速模型,將兩種模型耦合在一起進(jìn)行了車內(nèi)溫度控制的聯(lián)合仿真研究,利用聯(lián)合仿真模型比較分析了電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)在開關(guān)控制和模糊控制兩種控制策略下的性能。
電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理如圖1所示,主要由電動壓縮機(jī)、四通換向閥、車外換熱器、儲液干燥器、毛細(xì)管、車內(nèi)換熱器、風(fēng)扇等零部件組成。制熱循環(huán)過程為:壓縮機(jī)對低溫、低壓的氣態(tài)工質(zhì)(R134a)做功,使其被壓縮成高溫、高壓氣體,工質(zhì)經(jīng)過四通換向閥流入車內(nèi)換熱器,經(jīng)等壓冷凝后變?yōu)橹袦馗邏阂后w并向車內(nèi)散熱,然后經(jīng)膨脹閥的節(jié)流降壓變?yōu)榈蜏?、低壓的氣液混合物,最后工質(zhì)在車外換熱器內(nèi)蒸發(fā)變?yōu)榈蜏亍⒌蛪簹怏w,并從車外環(huán)境中吸收熱量,完成1次循環(huán)[3]。其制冷循環(huán)與制熱循環(huán)原理相近,只要通過四通換向閥改變工質(zhì)流動方向即可。
3.1熱泵空調(diào)系統(tǒng)AMESim仿真模型與工況驗(yàn)證
3.1.1AMESim仿真模型
為了研究電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱性能,根據(jù)熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理,基于AMESim軟件環(huán)境,建立電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)仿真模型,如圖2所示。
根據(jù)實(shí)際熱泵空調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)臺架各部件的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置仿真參數(shù),該仿真模型具備如下功能:
a.輸出各檢測點(diǎn)的溫度、壓力、流量、比焓等信息;
b.輸出車內(nèi)、外換熱器的換熱量以及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、COP等信息;
c.研究各部件變工況特性。
3.1.2工況驗(yàn)證
選取車外環(huán)境溫度分別為-5℃、-10℃兩種工況,利用仿真模型進(jìn)行模擬。表1給出了在制熱模式下,在壓縮機(jī)排量(定排量34 ml/r)、換熱器換熱面積、空氣側(cè)相對濕度及工質(zhì)充注量不變的條件下,不同環(huán)境溫度下熱泵空調(diào)系統(tǒng)各測點(diǎn)的壓力和溫度的試驗(yàn)值與仿真值的對比結(jié)果。
由表1可知,仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性,工況Ⅰ的最大誤差為7.53%,工況Ⅱ的最大誤差為6.85%,符合工程要求。所以運(yùn)用AMESim建立的仿真模型可以用于對電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能分析與預(yù)測研究。
表1 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比
3.2直流電動機(jī)及PWM斬波器模型
3.2.1直流電動機(jī)電樞回路的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)Kirchhof定律,直流電動機(jī)電樞回路微分方程為:
式中,Ud0為電樞電壓;R為電樞回路電阻;L為電樞回路總電感;Ed為電動機(jī)的反電動勢;Id為整流直流電流;Ce=Ke·Φd為電動機(jī)額定勵磁下的電動勢系數(shù);Ke為電勢常數(shù);Φd為磁通量。
電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程[4]為:
式中,TL為磁負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Ted為電磁轉(zhuǎn)矩;Cm=Km·Φd為電動機(jī)額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù);Km為轉(zhuǎn)矩系數(shù);IL為負(fù)載電流。
根據(jù)式(3)~式(4)整理得直流電動機(jī)電流與電壓以及感應(yīng)電動勢之間的傳遞函數(shù)為:
式中,T1=L/R為電樞回路的時(shí)間常數(shù);為電力拖動系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。
根據(jù)式(6)和式(7)可得到直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,如圖3所示。
3.2.2直流電動機(jī)驅(qū)動電路模型
由直流脈寬調(diào)制電源供電的直流電動機(jī)調(diào)速原理如圖4所示。圖4中,Us表示恒值電壓源,VT是電力電子開關(guān)器件的開關(guān)符號,VD表示續(xù)流二極管。VT一般采用全控型器件,如MOSFET、IGBT等,其開關(guān)頻率可達(dá)幾千赫茲甚至幾十千赫茲[5]。
當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí),直流電壓Us加到無刷直流電動機(jī)上;當(dāng)VT斷開時(shí),直流電源與直流電動機(jī)脫開,電動機(jī)電樞電流經(jīng)VT續(xù)流,電樞兩端電壓接近于零。如此反復(fù),得到的電樞端電壓波形(圖4b)。電樞電壓Us在ton時(shí)間內(nèi)被接上,又在(T-ton)時(shí)間內(nèi)被斷開,所以該電源又稱為斬波器(Chopper),這樣直流電動機(jī)的平均電壓計(jì)算式為:
式中,T為開關(guān)周期;ton為開通時(shí)間;ρ=ton/T=ton·fSW為控制電壓占空比,fSW為開關(guān)頻率。
因此,可以通過改變ρ來改變Ud,達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
3.3熱泵空調(diào)系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì)
熱泵空調(diào)系統(tǒng)模糊控制器是將溫度傳感器測定的溫度信號與設(shè)定的目標(biāo)溫度進(jìn)行比較、模糊化、模糊量的精確化,模糊推理出PWM波形的占空比ρ,通過改變壓縮機(jī)無刷直流電機(jī)的供電電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。占空比ρ越大,電動機(jī)轉(zhuǎn)速越快,壓縮機(jī)制冷量越大,從而實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)制冷量的調(diào)節(jié)[7]。
所設(shè)計(jì)的變轉(zhuǎn)速制熱空調(diào)模糊控制為雙輸入單輸出的二維模糊控制器,模糊控制器的輸入為設(shè)定溫度Tset與實(shí)際溫度T的溫差e以及溫度偏差變化率ec,輸出為PWM占空比ρ,其原理如圖5所示。
3.3.1輸入、輸出變量的模糊化及隸屬度函數(shù)
當(dāng)車內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度大于3℃時(shí),為盡快使溫度達(dá)到設(shè)定值,壓縮機(jī)以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行;若溫差在±3℃之內(nèi),則壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速通過模糊算法加以控制。
溫度誤差e的基本論域?yàn)椋?e,e]=[-3,3],通過壓縮機(jī)以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行試驗(yàn)可確定溫差變化率ec的基本論域[-ec,ec]=[-0.5,0.5]。對于溫差e、溫差變化率ec的輸入模糊語言變量采用“負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)?。∟S)、零(O)、正?。≒S)、正中(PM)、正大(PB)”等7個(gè)語言變量值來描述??紤]到輸入變量的正、負(fù)性,該控制器將溫差e模糊集合的論域E定義為[-n,n]=[-6,6];將溫差變化率ec模糊集合的論域EC定義為[-n′,n′]=[-1.5,1.5]。輸出占空比采用“零(Z)、低(L)、中低(ML)、中(M)、中高(MH)、高(H)、很高(VH)”等7個(gè)語言變量值來描述。由于占空比ρ為0~1,輸出變量的模糊集合論域P定義為P={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}。
溫差e、溫差變化率ec和輸出PMW占空比ρ的隸屬度函數(shù)都取三角形和梯形相結(jié)合形式的隸屬函數(shù)。
3.3.2模糊控制規(guī)則及模糊推理
該模糊控制器的規(guī)則采用多重“if E and EC than P”模糊條件語句,共49條模糊規(guī)則。常用的模糊推理方法有Mamdani和Sugeno[8],本文采用Mamdani型推理,反模糊化采用最大隸屬度法。
3.4熱泵空調(diào)系統(tǒng)模糊控制聯(lián)合仿真分析
根據(jù)以上分析,在Simulink中建立電動機(jī)、PWM斬波器和模糊控制模型。將AMESim中建立的熱泵空調(diào)系統(tǒng)模型經(jīng)過系統(tǒng)編譯、參數(shù)S設(shè)置等生成供Simulink使用的S函數(shù),將AMESim模型當(dāng)作一個(gè)普通的S函數(shù)對待,添加入系統(tǒng)的Simulink模型中,從而實(shí)現(xiàn)AMESim與Simulink的聯(lián)合建模與仿真(圖6)。當(dāng)進(jìn)行開關(guān)控制模擬時(shí),將模糊控制器部分換成溫度閾值為17.5℃的壓縮機(jī)6 500 r/min開關(guān)控制,即壓縮機(jī)以6 500 r/min的定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,當(dāng)車內(nèi)溫度達(dá)到17.5℃時(shí)關(guān)閉壓縮機(jī),車內(nèi)溫度低于17.5℃時(shí)啟動壓縮機(jī)。
在車外溫度為-10℃、相對濕度為40%時(shí),對比分析模糊控制與壓縮機(jī)開關(guān)控制下的車內(nèi)溫升、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī)功率、熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱量及其COP值,結(jié)果如圖7~圖10所示。
由圖7a可看出,在初始階段,因設(shè)定溫度與車內(nèi)溫相差較大,壓縮機(jī)以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行,因制熱量大而使車內(nèi)快速升溫。對于模糊控制,當(dāng)溫差較小時(shí),壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低,制熱量減少,其制熱量與車內(nèi)冷負(fù)荷達(dá)到平衡,最后壓縮機(jī)以較低的定轉(zhuǎn)速(3 298 r/min)持續(xù)運(yùn)行,模糊控制時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn),轉(zhuǎn)速波動較小。而壓縮機(jī)開關(guān)控制方式則比較機(jī)械,轉(zhuǎn)速變化大,對壓縮機(jī)的磨損及壽命影響較大。
由圖7b可看出,由于電動汽車空調(diào)自身的非線性和大延遲時(shí)滯特點(diǎn),對于壓縮機(jī)開關(guān)控制方式,其對溫度的調(diào)節(jié)是一種斷續(xù)的變化過程,不能根據(jù)環(huán)境溫度變化及時(shí)調(diào)整空調(diào)器工作狀態(tài),因而會造成車內(nèi)溫度有一定波動,影響空調(diào)的溫度控制精度和人體的舒適性。而對于模糊控制,其溫度波動較小,控制精度高,具有較好的舒適性。
由圖8可看出,壓縮機(jī)在定轉(zhuǎn)速6 500 r/min下運(yùn)行,由于工質(zhì)壓力較高,壓縮機(jī)功率較大。當(dāng)車內(nèi)的冷負(fù)荷與熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱量相等時(shí),車內(nèi)溫度穩(wěn)定。采用壓縮機(jī)開關(guān)控制時(shí)壓縮機(jī)的平均功率為1 086.3 W;而采用模糊控制時(shí)功率為928.44 W,即采用模糊控制時(shí)壓縮機(jī)功率消耗降低了14.53%。由圖9可看出,在熱泵空調(diào)系統(tǒng)開始運(yùn)行階段,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高,熱泵空調(diào)系統(tǒng)工質(zhì)流量越大,所以壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為6 500 r/min時(shí),系統(tǒng)制熱量較高,壓縮機(jī)開關(guān)控制時(shí)系統(tǒng)制熱量波動較大。由圖10可看出,模糊控制的熱泵空調(diào)系統(tǒng)COP值比壓縮機(jī)開關(guān)控制時(shí)要高,模糊控制時(shí)的COP值在1.4以上,車內(nèi)溫度穩(wěn)定后,系統(tǒng)COP值可達(dá)到1.8。
由于電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的工況變化比較大,針對-10℃環(huán)境工況下設(shè)計(jì)的模糊控制器在不同室外環(huán)境溫度下,車內(nèi)溫度會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差較大,不滿足舒適性和節(jié)能要求。對于熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)用模糊控制,控制性能在很大程度上取決于控制規(guī)則是否合理以及模糊控制器相關(guān)參數(shù)的選擇是否合適。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng),傳統(tǒng)模糊控制采用固定不變的量化因子和比例參數(shù),控制器的輸出不能達(dá)到最大值,控制性能不夠理想。
在模糊算法中,輸入量化因子和輸出比例因子直接影響系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。量化因子Ke、Kec分別相當(dāng)于模糊控制器的比例作用和積分作用。Ke、Kec增大,相當(dāng)于控制器比例作用和微分作用增大;比例因子Ku相當(dāng)于模糊控制器輸出的放大倍數(shù)。Ke對系統(tǒng)動態(tài)特性影響很大,Ke越大,系統(tǒng)超調(diào)量也越大,過度過程較長。因此,Ke取得過大,將使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào),調(diào)節(jié)時(shí)間增多,甚至產(chǎn)生振蕩,使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。Kec選擇越大,系統(tǒng)超調(diào)量越小,但是系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢;而Kec過小,將引起大的超調(diào),調(diào)節(jié)時(shí)間增長,嚴(yán)重時(shí)不能穩(wěn)定工作。
為了改進(jìn)電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在不同環(huán)境工況下的適應(yīng)性,設(shè)計(jì)了參數(shù)自調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制器,因直接使用Simulink難以對參數(shù)自調(diào)整模糊控制器進(jìn)行仿真,所以采用編寫S函數(shù)的方法,其原理如圖11和圖12所示。
圖13為自調(diào)整模糊控制在-5℃、-10℃和-15℃等3種工況下的性能曲線。從圖13可看出,不同工況下自調(diào)整模糊的響應(yīng)速度都較快。對于-5℃工況,自調(diào)整控制器加快了響應(yīng)速度,降低了穩(wěn)態(tài)時(shí)的超調(diào);對于-15℃工況,穩(wěn)態(tài)誤差降低至0.25℃以內(nèi),而傳統(tǒng)模糊控制的溫差為0.84℃。所以,參數(shù)自調(diào)整模糊控制器可使熱泵空調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快,提高穩(wěn)態(tài)控制精度,增強(qiáng)系統(tǒng)在不同環(huán)境工況下的適應(yīng)性。
a.通過穩(wěn)態(tài)模擬仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證了AMESim中熱泵仿真模型的準(zhǔn)確性,該模型可用于電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能分析與性能預(yù)測的研究。
b.通過對比分析壓縮機(jī)開關(guān)控制和模糊控制可知,模糊控制溫度波動小,控制精度高,具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性和舒適性。
c.設(shè)計(jì)了參數(shù)自調(diào)整模糊控制器,通過調(diào)整比例系數(shù)ku加快了系統(tǒng)的響應(yīng);通過對量化因子ke、kec不同加權(quán)調(diào)整,減少了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。自調(diào)整模糊控制器對熱泵空調(diào)系統(tǒng)的超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差及不同工況下的適應(yīng)性都優(yōu)于傳統(tǒng)模糊控制。
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(責(zé)任編輯文楫)
修改稿收到日期為2016年7月1日。
Simulation Research on Fuzzy Control of Heat Pump Air-Conditioning Systems for Electric Vehicles
Guo Chong,Wei Mingshan,Zhang Zhiqiang,Wang Zhixing
(Beijing Institute of Technology,Beijing 10081)
An electric vehicle heat pump air-conditioning(HPAC)system model is established by AMESim,and the DC motor model and fuzzy controller are established by Matlab/Simulink,then the two models are coupled together for a joint simulation research of interior temperature control.The AC performance applying the fuzzy or the on-off control method of compressor is compared.The results show that,with the fuzzy control,interior temperature fluctuates slightly,and the power consumption of compressor is reduced by 14.53%and the coefficient of performance(COP)is maintained at 1.8,when the compartment temperature is stable.An adaptive fuzzy controller is designed,which speeds up response of the heat pump system,reduces the steady-state error of the heat pump system at different operating conditions,and enhances the adaptability of the fuzzy controller.
Electric vehicle,Heat pump air-conditioning,F(xiàn)uzzy control
U463.85+1
A
1000-3703(2016)10-0057-06