潘 新，于 萍，田 杰

(1.南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 南京 210034；2.福特汽車工程研究南京有限公司， 南京 210000)

0 引言

如今智能交通是未來發(fā)展的一大趨勢，智能道路控制技術(shù)[1]和智能汽車控制技術(shù)[2]層出不窮。純電動(dòng)汽車在智能化、網(wǎng)聯(lián)化的大趨勢下，不僅在汽車動(dòng)力性[3]與平順性[4]等方面需要匹配控制策略，各種隨車系統(tǒng)如車載空調(diào)系統(tǒng)也需要控制策略來保證不同工況下車室溫度的穩(wěn)定來提高乘客舒適度。目前，大多數(shù)純電動(dòng)汽車都采用空調(diào)制冷和正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient,PTC)熱敏電阻制熱的方式[5]。但不同于通過發(fā)動(dòng)機(jī)余熱供暖的傳統(tǒng)燃油車，純電動(dòng)汽車僅依靠PTC熱敏電阻電加熱的方式制熱，能量利用率低，會(huì)大大縮減電動(dòng)汽車的行駛里程[6]。因此，如何改善純電動(dòng)汽車的低溫制熱性能成為當(dāng)下研究的焦點(diǎn)問題[7-8]。

熱泵空調(diào)以其結(jié)構(gòu)緊湊、高效環(huán)保和制冷循環(huán)可逆等特點(diǎn)成為一種潛力十足的新型空調(diào)系統(tǒng)，成為未來純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展方向[9]。因此，研究純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)的控制策略具有重要意義。葉立等[10]采用優(yōu)化后的在線自調(diào)整模糊控制器進(jìn)行了控制模擬，基本消除了穩(wěn)態(tài)誤差，并且控制精度高，但各工況下穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅高于目標(biāo)溫度約0.01 ℃。汪琳琳等[11]分析對比了3種用于低溫環(huán)境的熱泵空調(diào)系統(tǒng)解決方案，認(rèn)為利用蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)是低溫采暖的有效手段。田鈞[12]提出了增加主動(dòng)式可調(diào)節(jié)進(jìn)氣格柵以及使用分層空調(diào)系統(tǒng)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在相同條件下分層空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)口溫度較傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)高5～6 ℃,達(dá)到設(shè)定目標(biāo)溫度用時(shí)更短。

以上研究表明，熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有很大的發(fā)展空間。因此，本文將在系統(tǒng)闡述其工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)建立和驗(yàn)證了仿真模型，并著重對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行了研究。

1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由電動(dòng)壓縮機(jī)、內(nèi)外換熱器、四通換向閥、節(jié)流機(jī)構(gòu)、散熱風(fēng)扇和儲(chǔ)液罐等組成(如圖1所示)。其中，壓縮機(jī)通常由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過活塞或螺旋結(jié)構(gòu)對工質(zhì)氣體壓縮做功；儲(chǔ)液罐內(nèi)有干燥劑，存儲(chǔ)多余制冷劑的同時(shí)可吸收其中摻雜的水分；節(jié)流機(jī)構(gòu)包括毛細(xì)管和膨脹閥，通過控制從冷凝器流向蒸發(fā)器的制冷劑的流量使得節(jié)流機(jī)構(gòu)后面管路中的壓力驟減，蒸發(fā)吸熱；內(nèi)部換熱器在制冷模式下作為蒸發(fā)器使用，在制熱模式下作為冷凝器使用；外部換熱器在制冷模式下作為冷凝器使用，在制熱模式下作為蒸發(fā)器使用。

圖1 純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理圖

熱泵空調(diào)制熱時(shí)，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)做功將其壓縮成高溫高壓的制冷劑；隨后，高溫高壓的制冷劑經(jīng)四通換向閥流進(jìn)內(nèi)部換熱器，此時(shí)，制冷劑向車室內(nèi)散熱，等壓冷凝后成為中溫高壓的液體；經(jīng)節(jié)流機(jī)構(gòu)后壓力驟降，制冷劑由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣液混合物流向外部換熱器，從外部環(huán)境中吸收熱量，蒸發(fā)成為低溫低壓的氣體；最后制冷劑流入壓縮機(jī)進(jìn)入下一次循環(huán)[13]。利用四通換向閥改變工質(zhì)的流向就可完成制熱模式向制冷模式的切換。

2 仿真模型的建立與驗(yàn)證

根據(jù)熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理，在AMESim軟件環(huán)境中建立仿真模型并設(shè)置仿真參數(shù)，最終得到如圖2所示的純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)仿真模型。利用AMESim中的傳感器采集管路中工質(zhì)的壓力、溫度、流量、熵和焓等數(shù)據(jù)信息，以及車內(nèi)外換熱器的換熱量和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等信息，根據(jù)以上數(shù)據(jù)信息可計(jì)算出系統(tǒng)的COP值。

圖2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)仿真模型示意圖

為檢驗(yàn)所建立的熱泵空調(diào)仿真模型的有效性，設(shè)置壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 798 r/min，室外溫度為-5 ℃，運(yùn)行時(shí)間為1 200 s，對模型進(jìn)行仿真。由熱泵空調(diào)仿真模型和臺(tái)架試驗(yàn)得到的結(jié)果如表1所示。

表1 仿真和試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，在此工況下試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致。相對誤差最大值為3.7%，在誤差允許的范圍內(nèi)。由此可見，所建立的仿真模型是有效的，可以在此仿真模型基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的控制策略研究。

3 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略研究

在純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，能夠?qū)ο到y(tǒng)制熱(冷)量影響的因素主要為內(nèi)外部換熱器散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的流量即可控制車室內(nèi)溫度，而壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速直接影響熱泵系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)循環(huán)的流量，因此，本節(jié)將首先研究壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的開關(guān)控制、PID控制以及模糊控制策略。此外，外部換熱器風(fēng)量的變化對車室內(nèi)的溫度會(huì)有明顯的擾動(dòng)，因此，基于車速設(shè)計(jì)了前饋控制環(huán)節(jié)作為模糊控制器的補(bǔ)償。

3.1 開關(guān)控制策略

開關(guān)控制策略邏輯相對簡單，控制框圖如圖3所示。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)處于制冷模式時(shí)，如果實(shí)際溫度高于目標(biāo)溫度，則啟動(dòng)壓縮機(jī)以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，反之則停止壓縮機(jī)；當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)處于制熱模式時(shí)，如果實(shí)際溫度低于目標(biāo)溫度，則啟動(dòng)壓縮機(jī)以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，反之停止壓縮機(jī)。

圖3 開關(guān)控制框圖

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了防止實(shí)際溫度在目標(biāo)溫度附近小范圍波動(dòng)時(shí)壓縮機(jī)反復(fù)啟停，通常會(huì)取±0.5 ℃的滯回區(qū)間。滯回比較器的輸入輸出信號如圖4所示。滯回比較器和普通比較器的區(qū)別在于：普通比較器只有一個(gè)閾值，當(dāng)輸入信號大于閾值時(shí)輸出一個(gè)信號(如“0”)，而當(dāng)輸入信號小于閾值時(shí)，輸出另一個(gè)信號(如“1”)。而滯回比較器對于輸入信號在上升階段和下降階段分別有不同的閾值。以目標(biāo)溫度為25 ℃，滯回區(qū)間為±0.5 ℃舉例：若輸入信號處于上升階段，達(dá)到 25.5 ℃時(shí)才會(huì)輸出0，而在信號下降階段，直到24.5 ℃才會(huì)輸出1。這樣，當(dāng)車內(nèi)實(shí)際溫度在24.5～25.5 ℃范圍內(nèi)抖動(dòng)時(shí)，不會(huì)引起輸出信號的頻繁跳動(dòng)，從而避免了壓縮機(jī)的頻繁啟停。

圖4 滯回比較器信號示意圖

3.2 PID控制策略

PID控制器由比例、積分和微分環(huán)節(jié)組成。PID控制器將被控對象的目標(biāo)給定值與實(shí)際反饋值之差作為輸入，對其進(jìn)行比例、積分和微分計(jì)算，將所得結(jié)果乘以各自的比例系數(shù)，累加后輸出于控制被控對象，其數(shù)學(xué)公式如式(1)所示。

(1)

式中：e(t)為控制器輸入函數(shù)，一般取目標(biāo)值r(t)與實(shí)際值y(t)的差值；u(t)為PID控制器的輸出，即控制量；KP為PID控制器比例環(huán)節(jié)的系數(shù)；KI為PID控制器積分環(huán)節(jié)的系數(shù)；KD為PID控制器微分環(huán)節(jié)的系數(shù)。

電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的PID控制圖如圖5所示。汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)將車室溫度作為反饋值，將目標(biāo)溫度與車室溫度的差值輸入PID控制器，輸出為控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的制熱(冷)量，使車室溫度維持在設(shè)定的目標(biāo)溫度左右。在實(shí)際應(yīng)用中，PID控制器需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定輸出的限制值，文中選用的壓縮機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為6 500 r/min，因此需要限定PID控制器的最大輸出為6 500 r/min。

圖5 電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的PID控制圖

3.3 模糊控制策略

模糊控制器是一種語言型控制器，模糊控制規(guī)則通過模糊集合中的模糊條件語句來體現(xiàn)。通常模糊控制器有知識(shí)庫、模糊化、模糊推理和清晰化4個(gè)組成部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 一般模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)框圖

本文設(shè)計(jì)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制器采用如圖7所示的二維模糊控制器結(jié)構(gòu)。將車室溫度信號與設(shè)定的目標(biāo)溫度之差以及溫差的變化率經(jīng)過模糊化、模糊推理和精確化后，得出壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，以此控制壓縮機(jī)的制熱量，最終達(dá)到控制車室內(nèi)溫度的目的。

圖7 模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖

3.3.1精確量模糊化模糊控制策略

1) 溫差和溫差變化率的模糊化。

定義目標(biāo)溫度減去實(shí)際車室溫度的差值為溫差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，若輸入溫差大于6 ℃，為了使車室溫度快速上升至目標(biāo)值，應(yīng)控制壓縮機(jī)按最高轉(zhuǎn)速工作；若輸入溫差低于-6 ℃，為了使車室溫度快速下降至目標(biāo)值，應(yīng)控制壓縮機(jī)按最小轉(zhuǎn)速工作；若輸入溫差在±6 ℃范圍內(nèi)，則由模糊控制器計(jì)算得出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制量。

把溫差的基本論域[-6,6]劃分為7個(gè)級別：{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)，零(O)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。用溫差變化率ec表示溫差每秒的變化，根據(jù)仿真試驗(yàn)，對其基本論域的取值為[-1.5,1.5]，將其也劃分為7個(gè)級別：{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)，零(O)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。

溫度誤差和溫差變化率在NB區(qū)間的隸屬函數(shù)采用降梯形分布，對PB區(qū)間的隸屬函數(shù)采用升梯形分布，對其余區(qū)間的隸屬函數(shù)則采用三角形。圖8和圖9分別為溫差和溫差變化率的隸屬函數(shù)曲線。

圖8 溫差的隸屬函數(shù)曲線

圖9 溫差變化率的隸屬函數(shù)曲線

2) 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊化。

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際變化范圍為n=[0,6 500]，將其劃分為7個(gè)級別：{零(Z)、低(L)、中低(ML)、中(M)、中高(MH)、高(H)、很高(VH)}。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n的隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù)(見圖10)。

圖10 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的隸屬函數(shù)曲線

3.3.2模糊推理規(guī)則設(shè)計(jì)

模糊控制器中推理規(guī)則通常參考專業(yè)技術(shù)人員或一線操作人員長期積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。模糊推理規(guī)則是一種模擬人類直覺思考的語言形式的表達(dá)式，一般由表示邏輯的關(guān)鍵詞連接而成，常用的關(guān)鍵詞有if、else、then、and和or 等。本文設(shè)計(jì)的模糊控制器為雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)，其基本推理規(guī)則的格式是：IfEandECthenP?；诮?jīng)驗(yàn)得到如表2所示的模糊控制規(guī)則。

表2 模糊控制規(guī)則表

3.3.3模糊量的清晰化

模糊控制器最終需要輸出精確的控制量來控制被控系統(tǒng)，所以對于輸入變量推理后得到的模糊集還需要對其進(jìn)行清晰化處理。對于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的模糊控制器而言，需要轉(zhuǎn)化成電機(jī)轉(zhuǎn)速精確量n。本文設(shè)計(jì)的模糊控制器選用重心法進(jìn)行模擬量的清晰化，模糊控制表如表3所示。

表3 模糊控制表

3.4 前饋環(huán)節(jié)的引入

模糊控制屬于反饋控制，在反饋控制中當(dāng)被控對象的實(shí)際值與目標(biāo)值產(chǎn)生了偏差后控制器才會(huì)改變控制量使被控對象的實(shí)際值重新達(dá)到目標(biāo)值。由于外部換熱器風(fēng)量的變化對車室溫度有明顯擾動(dòng)且系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長，因此本文基于車速建立了前饋控制環(huán)節(jié)作為模糊控制器的補(bǔ)償，控制過程如圖11所示。

從圖11可以看出，以設(shè)定溫度與車室實(shí)際溫度的溫差作為模糊控制器的輸入，車速作為前饋控制環(huán)節(jié)的輸入，模糊控制器和前饋控制環(huán)節(jié)的輸出累加即可得到壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速控制信號。

圖11 加入前饋控制的熱泵空調(diào)控制過程框圖

4 仿真結(jié)果分析

為了進(jìn)一步探究開關(guān)控制、PID控制和模糊控制3種控制策略下純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能，將AMESim中搭建的熱泵空調(diào)仿真模型導(dǎo)出為Simulink模塊，在Simulink環(huán)境中首先對這3種控制策略進(jìn)行了仿真分析。

4.1 開關(guān)控制

開關(guān)控制策略仿真模型如圖12所示。目標(biāo)溫度設(shè)為25 ℃，目標(biāo)溫度與車室實(shí)際溫度的溫差經(jīng)過滯回區(qū)間為±0.5的滯回比較器后，輸出壓縮機(jī)的控制信號。壓縮機(jī)開啟時(shí)，以6 500 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行；壓縮機(jī)關(guān)閉時(shí)，以0 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。開關(guān)控制控制策略仿真的車室溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和COP曲線分別如圖13—15。

圖12 開關(guān)控制仿真模型

圖13 開關(guān)控制策略溫度曲線

圖14 開關(guān)控制策略壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖15 開關(guān)控制策略COP曲線

從圖13可以看出，在開關(guān)控制策略下，車室溫度在100 s時(shí)達(dá)到目標(biāo)溫度25 ℃。在穩(wěn)態(tài)階段，車室內(nèi)溫度在24～25.5 ℃呈周期性波動(dòng)，波動(dòng)周期約為55 s。結(jié)合圖13的溫度曲線，從圖14不難發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)階段當(dāng)車室溫度上升至25.5 ℃時(shí)，壓縮機(jī)停止工作；當(dāng)車室溫度下降至24.5 ℃時(shí)，壓縮機(jī)以6 500 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。從圖15可以看出，開關(guān)控制的COP值也很不穩(wěn)定，這是因?yàn)殚_關(guān)控制策略下壓縮機(jī)是間歇性工作的。穩(wěn)態(tài)時(shí)的COP平均值為1.5。

4.2 PID控制

在Simulink下建立純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)PID控制仿真模型。目標(biāo)溫度設(shè)為25 ℃，目標(biāo)溫度與車室實(shí)際溫度的溫差作為PID控制器的輸入，PID控制器的輸出作為控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速信號。PID控制策略下仿真的車室溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和COP曲線分別如圖16—18。由于汽車空調(diào)系統(tǒng)的非線性特性和時(shí)滯較大的特點(diǎn)，并且汽車運(yùn)行過程中工況變化大、情況復(fù)雜，因此PID控制器的效果并不理想。

從圖16可以看出，在PID控制策略下，車室內(nèi)溫度在大約180 s時(shí)達(dá)到目標(biāo)溫度25 ℃。在穩(wěn)態(tài)階段，車室溫度幾乎沒有波動(dòng)。在圖17中，PID控制策略下的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速首先以最高轉(zhuǎn)速工作，當(dāng)車室溫度接近目標(biāo)溫度時(shí)，轉(zhuǎn)速不斷下降至約 3 500 r/min左右，在穩(wěn)態(tài)階段壓縮機(jī)以約 3 450 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。在圖18中，穩(wěn)態(tài)時(shí)COP平均值為1.8。

圖16 PID控制策略溫度曲線

圖17 PID控制策略壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖18 PID控制策略COP曲線

4.3 模糊控制

首先在Matlab中創(chuàng)建一個(gè)模糊控制器，并將輸入、輸出信號的隸屬函數(shù)和模糊推理規(guī)則等信息錄入控制器模塊。通過規(guī)則觀察器和曲面觀察器可以看到模糊推理和輸出曲面。本文設(shè)計(jì)的模糊控制器的模糊推理規(guī)則和輸出曲面分別如圖19和圖20所示。

圖19 模糊控制器的模糊推理規(guī)則示意圖

圖20 模糊推理輸出曲面

將設(shè)計(jì)好的模糊控制器導(dǎo)入Simulink中，建立電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)仿真模型。目標(biāo)溫度設(shè)為25 ℃，目標(biāo)溫度與車室實(shí)際溫度的溫差作為模糊控制器的輸入，模糊控制器的輸出作為控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速信號。模糊控制策略下的車室溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和COP曲線分別如圖21—23。

圖21 模糊控制策略溫度曲線

圖22 模糊控制策略壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖23 模糊控制策略COP曲線

從圖21可以看出，在模糊控制策略下，車室內(nèi)溫度在大約140 s時(shí)達(dá)到目標(biāo)溫度25 ℃，且在穩(wěn)態(tài)階段，車室內(nèi)溫度幾乎沒有波動(dòng)。從圖22和圖23中可以看出，在穩(wěn)態(tài)階段，壓縮機(jī)以約3 400 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，COP平均值為1.85。

4.4 對比分析

對比3種控制策略的車室溫度曲線圖不難發(fā)現(xiàn)：開關(guān)控制策略的溫度波動(dòng)最大，模糊控制和PID控制在穩(wěn)態(tài)時(shí)均能穩(wěn)定地將車室溫度控制在目標(biāo)溫度。在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，模糊控制策略在此方面的性能明顯優(yōu)于PID控制策略，能夠更快地達(dá)到目標(biāo)溫度。在COP曲線方面，由于開關(guān)控制策略會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)頻繁啟停，因此COP值波動(dòng)很大，模糊控制和PID控制的COP曲線比較平穩(wěn)，模糊控制在穩(wěn)態(tài)階段的COP值略高于PID控制。

4.5 帶前饋環(huán)節(jié)的模糊控制

在汽車正常行駛過程中，車速或外部環(huán)境風(fēng)速的變化都會(huì)導(dǎo)致外部換熱器風(fēng)量的變化，引起汽車室內(nèi)溫度的波動(dòng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的優(yōu)劣直接影響到溫度波動(dòng)的大小，最終影響車室環(huán)境的熱舒適性。將環(huán)境溫度設(shè)為0 ℃，分別模擬車速在10 s內(nèi)從 40 km/h加速100 km/h和車速從100 km/h減速到40 km/h 2種工況下，采用模糊控制策略的熱泵空調(diào)系統(tǒng)的車室溫度波動(dòng)情況。車速從40 km/h加速到100 km/h的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖24所示。車速從100 km/h減速到 40 km/h的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖25所示。

圖24 汽車加速時(shí)車室溫度曲線

圖25 汽車減速時(shí)車室溫度曲線

從圖24可以看出，當(dāng)車速在10 s內(nèi)從40 km/h增加到100 km/h后，車室溫度首先上升了約 0.5 ℃，經(jīng)過約200 s后系統(tǒng)將車室溫度重新調(diào)整為 25 ℃。從圖25可以看出，當(dāng)車速在10 s內(nèi)從100 km/h降低到40 km/h后，車室溫度首先下降了約0.5 ℃，經(jīng)過約200 s后系統(tǒng)將車室溫度重新調(diào)整為25 ℃。這是因?yàn)檐囕v加減速過程中外部換熱器風(fēng)量隨著車速的變化而變化，換熱量變化進(jìn)而導(dǎo)致熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱量發(fā)生了變化?？梢?，室外換熱器風(fēng)量的變化對車室溫度有明顯擾動(dòng)，且系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長。其原因在于，無論P(yáng)ID控制或模糊控制，都屬于反饋控制，只有當(dāng)被控對象的實(shí)際值與目標(biāo)值產(chǎn)生了偏差后，才會(huì)嘗試改變控制量，使被控對象的實(shí)際值重新達(dá)到目標(biāo)值。而溫控系統(tǒng)是一個(gè)長時(shí)滯、大慣量的系統(tǒng)，無論是外部環(huán)境變化導(dǎo)致的溫度變化還是控制系統(tǒng)通過改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速嘗試修正溫度，都需要較長的時(shí)間，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢[14-15]。因此，有必要在模糊控制的基礎(chǔ)上增加前饋環(huán)節(jié)，以減小車速變化對車室內(nèi)溫度的影響。

將環(huán)境溫度設(shè)為0 ℃，分別模擬車速在10 s內(nèi)從40 km/h加速到100 km/h和車速從100 km/h減速到40 km/h兩種工況下，采用加入前饋環(huán)節(jié)的模糊控制策略的熱泵空調(diào)系統(tǒng)的車室溫度波動(dòng)情況，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖26和圖27所示。

圖26 汽車加速時(shí)車室溫度曲線

圖27 汽車減速時(shí)車室溫度曲線

從圖中可以看出，模糊控制器控制策略加入前饋環(huán)節(jié)后，對于加減速時(shí)產(chǎn)生的溫度變化有了明顯的抑制作用，車室溫度幾乎沒有波動(dòng)，達(dá)到了提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的目的。

5 結(jié)論

本文以保持電動(dòng)汽車車室環(huán)境的熱舒適性并提高能量的使用效率為目標(biāo)，基于AMESim搭建了電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)車室仿真模型，由仿真模型得到的仿真結(jié)果和臺(tái)架試驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在誤差范圍內(nèi)基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的有效性。

設(shè)計(jì)了開關(guān)控制器、PID控制器和模糊控制器，在Simulink環(huán)境下對3種控制策略進(jìn)行仿真。基于仿真結(jié)果從系統(tǒng)溫度控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)和能效比兩方面對3種控制策略進(jìn)行比較，模糊控制策略優(yōu)于開關(guān)控制策略和PID控制策略。

針對車輛加減速時(shí)外部換熱量變化導(dǎo)致熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱量發(fā)生變化影響車室溫度穩(wěn)定，在模糊控制策略中加入了前饋環(huán)節(jié)。仿真結(jié)果表明，加入前饋環(huán)節(jié)后的模糊控制策略能有效提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，抑制車室溫度的波動(dòng)。