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(lái)發(fā)展的一大趨勢(shì)，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(shì)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(lái)保證不同工況下車室溫度的穩(wěn)定來(lái)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(guò)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(wèn)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(lái)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(duì)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(duì)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(guò)活塞或螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)誤差最大值為3.7%，在誤差允許的范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)，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(duì)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(duì)簡(jiǎn)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(hào)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(hào)大于閾值時(shí)輸出一個(gè)信號(hào)(如“0”)，而當(dāng)輸入信號(hào)小于閾值時(shí)，輸出另一個(gè)信號(hào)(如“1”)。而滯回比較器對(duì)于輸入信號(hào)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(hào)處于上升階段，達(dá)到 25.5 ℃時(shí)才會(huì)輸出0，而在信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)象的目標(biāo)給定值與實(shí)際反饋值之差作為輸入，對(duì)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(duì)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(yǔ)言型控制器，模糊控制規(guī)則通過(guò)模糊集合中的模糊條件語(yǔ)句來(lái)體現(xiàn)。通常模糊控制器有知識(shí)庫(kù)、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(hào)與設(shè)定的目標(biāo)溫度之差以及溫差的變化率經(jīng)過(guò)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(jí)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(duì)其基本論域的取值為[-1.5,1.5]，將其也劃分為7個(gè)級(jí)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(duì)PB區(qū)間的隸屬函數(shù)采用升梯形分布，對(duì)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(jí)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(jiàn)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(zhǎng)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(jué)思考的語(yǔ)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(lái)控制被控系統(tǒng)，所以對(duì)于輸入變量推理后得到的模糊集還需要對(duì)其進(jìn)行清晰化處理。對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，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(guò)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(hào)。

圖11 加入前饋控制的熱泵空調(diào)控制過(guò)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(duì)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(guò)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(hào)。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(hào)。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(guò)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(méi)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(hào)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(guò)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(hào)。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(méi)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(duì)比分析

對(duì)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(guò)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?gòu)?00 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?gòu)?0 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?gòu)?00 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(guò)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(guò)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(guò)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?jiàn)，室外換熱器風(fēng)量的變化對(duì)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(zhǎng)。其原因在于，無(wú)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(duì)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(duì)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(zhǎng)時(shí)滯、大慣量的系統(tǒng)，無(wú)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(guò)改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速嘗試修正溫度，都需要較長(zhǎng)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(duì)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?gòu)?00 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(duì)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(méi)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(duì)3種控制策略進(jìn)行仿真?；诜抡娼Y(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(duì)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(duì)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)。