馬進(jìn)+回振橋+王松+李菲菲

摘 要： 由于溫室效應(yīng)的存在，陽(yáng)光照射條件下汽車內(nèi)部溫度往往高于環(huán)境溫度，降低了乘車的舒適度。為了研究陽(yáng)光照射下車內(nèi)溫度的變化規(guī)律，根據(jù)天文學(xué)理論，建立了太陽(yáng)輻射模型；采用機(jī)理建模方法，建立了汽車內(nèi)座椅、表盤(pán)、空氣、玻璃的數(shù)學(xué)模型。以STC89C52單片機(jī)為核心，采用DS18B20溫度傳感器，設(shè)計(jì)無(wú)線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)，進(jìn)行車內(nèi)實(shí)際溫度測(cè)量。通過(guò)溫度數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了機(jī)理數(shù)學(xué)模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，建立了不同陽(yáng)光輻射條件下車內(nèi)部件溫度的傳遞函數(shù)模型，為車內(nèi)溫度控制研究提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 汽車內(nèi)部溫度； 機(jī)理模型； 太陽(yáng)輻射； 傳遞函數(shù)模型

中圖分類號(hào)： TN37+.3?34； TK511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）14?0005?05

Abstract： Due to the greenhouse effect， the car interior temperature is often higher than the ambient temperature under sunlight. To study the variation of the temperature inside the vehicle under sunlight， a solar radiation model was built based on astronomical theories. The mathematical models of the car seat， dashboard， air and glass were established with mechanism modeling method. A multi?point temperature wireless acquisition system was designed based on STC89C52 microcontroller and DS18B20 temperature sensor to measure the temperature inside cars. The correctness of the mechanism mathematical model was verified in comparison with temperature data. Based on this， a transfer function model of the car interior temperature under different solar radiation conditions was established. It provides a foundation for study on the car interior temperature control.

Keywords： car interior temperature； mechanism model； solar radiation； transfer function model

隨著國(guó)內(nèi)人民生活水平的提高， 越來(lái)越多的轎車進(jìn)入人們的日常生活中。人們花在車內(nèi)的時(shí)間也越來(lái)越多，使得乘員乘車舒適性問(wèn)題凸顯。當(dāng)汽車在陽(yáng)光下直接照射時(shí)，由于溫室效應(yīng)的存在，尤其是在夏季，車內(nèi)溫度會(huì)迅速升高，有時(shí)可達(dá)70～80 ℃，令人難以忍受，嚴(yán)重影響了車內(nèi)的舒適性。高溫條件下同時(shí)會(huì)伴隨著不良?xì)怏w的揮發(fā)，而且溫度過(guò)高時(shí)容易導(dǎo)致車內(nèi)某些易燃物起火，引發(fā)事故。

近年來(lái)，針對(duì)在太陽(yáng)光照射下車內(nèi)溫度偏高的現(xiàn)象，人們研究了各種各樣的方法，其中最直接的辦法是采用PID[1?2]等控制算法控制車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)溫度進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。這些方法雖然能夠較好地控制車內(nèi)的溫度，但是其在控制過(guò)程中并未充分考慮在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化的條件下，車內(nèi)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，造成了能源的浪費(fèi)。本文從太陽(yáng)輻射的角度出發(fā)系統(tǒng)分析了在太陽(yáng)光照射下，車內(nèi)溫度的變化規(guī)律，建立了一天內(nèi)太陽(yáng)照射下車內(nèi)溫度機(jī)理模型以及根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的傳遞函數(shù)模型。以STC89C52單片機(jī)為核心，采用DS18B20溫度傳感器，設(shè)計(jì)了無(wú)線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)的測(cè)量。數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)比結(jié)果顯示，所建立的機(jī)理數(shù)學(xué)模型的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間基本相同，該數(shù)學(xué)模型能較好地反應(yīng)出車內(nèi)各部分溫度的變化規(guī)律。

1 太陽(yáng)能輻射模型

1.1 相關(guān)天文參數(shù)的計(jì)算[3?4]

（1） 日地距離。日地平均距離R0，一般均以其與日地平均距離比值的平方表示，即，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

1.2 任意傾斜面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度[5?6]

根據(jù)日地之間的瞬時(shí)距離以及太陽(yáng)常數(shù)可以計(jì)算出大氣層外瞬時(shí)太陽(yáng)輻射，其計(jì)算公式為：

2 車內(nèi)溫度變化的機(jī)理模型

2.1 車內(nèi)換熱分析

汽車是一個(gè)半封閉的熱力系統(tǒng)[7?8]，它隨時(shí)受到車內(nèi)外諸多干擾量的影響。干擾量主要有室外空氣溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向等。由于車身、車頂和車底吸熱量和散熱量都很小，所以為了簡(jiǎn)化模型忽略不計(jì)，只考慮表盤(pán)、座椅、玻璃和車內(nèi)空氣間的換熱。

表盤(pán)的材料一般是聚氯乙烯或氯化聚氯乙烯，表盤(pán)主要吸收太陽(yáng)輻射的熱量，表盤(pán)散出的熱量主要是通過(guò)長(zhǎng)波熱輻射向車內(nèi)空氣、座椅、玻璃散熱和與車內(nèi)空氣的表面對(duì)流傳熱。座椅的材料一般為聚氨酯泡沫塑料。座椅吸收的熱量主要來(lái)自太陽(yáng)輻射。同時(shí)座椅還要吸收表盤(pán)通過(guò)長(zhǎng)波熱輻射向它散發(fā)的熱量。座椅散出的熱量主要是通過(guò)長(zhǎng)波熱輻射向車內(nèi)空氣、玻璃散熱和與車內(nèi)空氣的表面對(duì)流傳熱。玻璃主要吸收太陽(yáng)光熱輻射、表盤(pán)、座椅、車內(nèi)空氣向其發(fā)出的長(zhǎng)波熱輻射能量，和玻璃與車內(nèi)空氣的對(duì)流換熱，玻璃散出的熱量主要是玻璃室與外空氣的對(duì)流換熱、玻璃向室外的長(zhǎng)波熱輻射能量。

車內(nèi)空氣主要吸收表盤(pán)、座椅的對(duì)流換熱和長(zhǎng)波熱輻射能量，車內(nèi)空氣散出的能量主要是向玻璃的長(zhǎng)波熱輻射能量和與玻璃的對(duì)流換熱能量。其車內(nèi)能量關(guān)系圖如圖1所示。

3 仿真模型驗(yàn)證

3.1 車內(nèi)溫度測(cè)量方案

溫度測(cè)量的實(shí)施主要采用nRF905單片無(wú)線收發(fā)器、DS1820溫度傳感器以及SPI通信技術(shù)與電腦進(jìn)行連接[13?14]，這樣接收端就可以在電腦的上位機(jī)界面顯示溫度，并且繪制出溫度隨時(shí)間變化的曲線。設(shè)計(jì)圖如圖2、圖3所示。

3.2 仿真模型的實(shí)現(xiàn)

仿真時(shí)間ST=25 200 s，仿真步距DT=6 s，各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)因車型的材質(zhì)不同而不同，在本文所選中的富康汽車對(duì)象主要參數(shù)估計(jì)如表1所示。

本文中對(duì)汽車表盤(pán)、座椅、車內(nèi)空氣、室外空氣的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，數(shù)據(jù)在采集和處理的過(guò)程中會(huì)受很多外界環(huán)境的干擾因素影響。排除那些數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間變化較大或不合理的現(xiàn)實(shí)情況的數(shù)據(jù)組，進(jìn)而得到比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值如下：

（1） 2015年3月23日，天氣晴朗。9：30—14：00測(cè)溫。實(shí)際與理論數(shù)據(jù)如圖4所示。

（2） 2015年4月27日，天氣晴朗。9：30—14：00測(cè)溫。實(shí)際與理論數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5中溫度最高的曲線代表表盤(pán)溫度，溫度最低曲線代表室外溫度，中間的溫度曲線代表車內(nèi)溫度。以上兩組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型求得的理論值可以看出，通過(guò)模型求解出的表盤(pán)和車內(nèi)的溫度曲線，與實(shí)際的溫度曲線的趨勢(shì)相一致，溫度的變化范圍也基本相通，基本符合實(shí)際情況，能夠預(yù)測(cè)出車內(nèi)溫度的整體變化趨勢(shì)。

4 車內(nèi)溫度傳遞函數(shù)模型

上述建立的是實(shí)時(shí)的機(jī)理數(shù)學(xué)模型，為了便于控制系統(tǒng)應(yīng)用，將測(cè)量得到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到車內(nèi)溫度的傳遞函數(shù)形式的模型[15?16]。

4.1 原理分析

根據(jù)每天所測(cè)得的溫度與時(shí)間數(shù)據(jù)，利用Matlab模擬函數(shù)算出每一天溫度與時(shí)間的函數(shù)模型：，時(shí)間t為輸入，溫度T為輸出。然后，再根據(jù)每一天所測(cè)得的光照強(qiáng)度算其每天的平均值光強(qiáng)，利用Matlab模擬函數(shù)算出所測(cè)天中溫度與時(shí)間的模型的系數(shù)，，與平均光強(qiáng)之間的函數(shù)模型為。最后將得到的模型代入模型中，這樣就得到了函數(shù)模型，如下：

通過(guò)最終得到的模型就可以知道在某一天平均光強(qiáng)的情況下，預(yù)測(cè)該天從9：00—17：00之間的某時(shí)刻的溫度，另外，還可以通過(guò)Matlab仿真曲線得到車外與車內(nèi)通風(fēng)前后的溫度曲線，從而可以預(yù)測(cè)什么時(shí)候通風(fēng)可以使車內(nèi)溫度達(dá)到所想要的車內(nèi)溫度范圍中。

4.2 數(shù)據(jù)處理

以下提到的T都為相應(yīng)天從9：00—17：00之間的溫度值，t為時(shí)間差值，，x為每天9：00—17：00之間的時(shí)間，這里使用加一取整算法。

（1） 首先根據(jù)每天所測(cè)得的溫度與時(shí)間的數(shù)據(jù)，利用Matlab模擬函數(shù)算出每一天溫度與時(shí)間的模型如下：

根據(jù)研究過(guò)程中測(cè)得的車內(nèi)、室外、表盤(pán)、座椅各個(gè)時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)，利用Matlab模擬函數(shù)polyfit算法得到這天的車外溫、車內(nèi)溫度、座椅溫度、車內(nèi)表盤(pán)溫度與時(shí)間t之間的函數(shù)模型。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合后的各個(gè)溫度函數(shù)如下：

得出各天函數(shù)模型的系數(shù)和相應(yīng)天的平均光照強(qiáng)度如表2所示。

（2） 用Matlab模擬函數(shù)處理表2中所算的各系數(shù)與平均光照強(qiáng)度，得到各個(gè)系數(shù)與平均光照強(qiáng)度之間的函數(shù)模型為，k，b為常數(shù)。將函數(shù)模型代入函數(shù)模型得到函數(shù)模型如下：

這樣通過(guò)太陽(yáng)光平均強(qiáng)度可得出時(shí)間對(duì)應(yīng)下的車內(nèi)溫度，進(jìn)而可模擬出該天的車內(nèi)溫度曲線，可以更精確地進(jìn)行控制策略。

5 結(jié) 論

車內(nèi)溫度控制的好壞，直接影響人們的舒適性以及間接消耗能源產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性。本文從影響車內(nèi)溫度升高的原因太陽(yáng)輻射出發(fā)，系統(tǒng)分析了車內(nèi)溫度變化的過(guò)程，并以此建立出了車內(nèi)溫度變化的機(jī)理模型以及傳遞函數(shù)模型。并通過(guò)Matlab函數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，為車內(nèi)溫度控制的研究起到了至關(guān)重要的作用。

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