CH09汽车自动空调

第 9章 汽车自动空调 教学提示：汽车空调系统按照功能分为五个子系统：制冷系统、加热系统、送风系统、 操纵控制系统和空气净化系统。自动空调系统主要是将操纵控制系统自动化，它不会从根 本上改变原空调系统的制冷和加热性能，自动控制使原空调系统的性能尽可能地发挥出来， 并通过减轻驾驶员的操作强度来提高汽车空调的舒适性。随着汽车技术的发展，在一些高 档轿车上已出现空调的多温区控制。 教学要求：本章要求学生掌握汽车自动空调的组成与原理，熟悉汽车自动空调的模糊 控制，了解汽车自动空调的多温区控制。 汽车空调的作用在于调节车室内空气温度、湿度、流速、流向和空气清洁度，为司乘 人员创造一个比较舒适的车内环境。汽车空调系统按照功能分为五个子系统：制冷系统、 加热系统、送风系统、操纵控制系统和空气净化系统。自动空调系统主要是将操纵控制系 统自动化，它不会从根本上改变原空调系统的制冷和加热性能，自动控制使原空调系统的 性能尽可能地发挥出来，并通过减轻驾驶员的操作强度来提高汽车空调的舒适性。与手动 空调相比较，自动空调具有如下功能： (1) 按键操作结合屏幕显示来完成汽车空调的各种功能； (2) 自动调节出风口的出风温度，使车内达到并维持较舒适的温度； (3) 自动调节出风口的出风风速； (4) 自动调节出风模式； (5) 在实现自动控制的同时，还能实现手动控制。乘员可以根据自己的喜好在非自动 状态下设置所需的性能指标和工作模式。 本章介绍汽车自动空调的组成与原理，重点论述汽车自动空调的模糊控制和汽车自动 空调的多温区控制。 9.1 汽车自动空调控制系统组成及原理 9.1.1 汽车自动空调控制系统组成 汽车自动空调的控制部件组成主要分为三个单元，分别为电子控制单元(ECU)、传感 器单元和执行单元，如图 9.1 所示。 1．电子控制单元 汽车自动空调的控制单元采用微型计算机控制。汽车上应用的微型计算机，是一个比 较复杂的系统，它包括硬件和软件。汽车空调控制单元结构原理如图 9.2 所示。 现代汽车系统控制技术 ·234· ·234· 图 9.1 空调控制系统总体结构 图 9.2 ECU 结构原理图 硬件系统包括主机和 I/O 接口设备。主机包括中央处理器 CPU 和主存储器 RAM；主 机依靠 I/O 接口设备来输入信息(键盘、传感器信号)，输出指令控制命令、显示等。 软件包括系统软件和应用软件。系统软件含有语言处理程序、操作系统、服务诊断系 统程序等；应用软件包括工程程序、数据处理程序和过程控制程序。 ECU的设计是整个系统设计的核心，其性能在自动空调系统整体性能里起决定性因素。 2．传感器单元 传感器单元包括车内温度传感器、车外环境温度传感器、蒸发器温度传感器、发动机 冷却水传感器、光照传感器等。 车内温度传感器一般安装在仪表板下端，是一个具有负温度系数的热敏电阻，它的作 用是检测车内温度是否达到设定值，热敏电阻的阻值会随温度值升高而逐渐减小。 车外环境温度传感器一般安装在前保险杠右下端，也是一个热敏电阻。它的作用是检 测车外环境温度的高低，控制系统将根据车外温度与车内温度的差值来决定控制方式。 蒸发器温度传感器安装在蒸发器壳体上，一般采用的是精度较高的铂电阻，贴在蒸发 器的进口和出口，用以检测制冷装置内部的温度变化和过热度以实现蒸发器不结霜的目的。 第 9章 汽车自动空调 ·235· ·235· 发动机冷却水温度传感器直接安装在暖气芯底部的水道 上，检测冷却液的温度。 光照传感器是一个光敏二极管，安装在汽车前挡风玻璃下 面。利用光电效应，该传感器将阳光辐射程度转变成电信号， 输送给空调控制器。 各种传感器一般都要组成惠斯通电桥作为温度采集电路， 其输出接放大电路，再接 A/D 模数转换器。例如光照传感器 的电路结构如图 9.3 所示。 图中 R1 和 R2 为固定电阻，RS1 和 RS2 为光敏电阻，当 阳光强度不同时，RS1 和 RS2 的阻值将发生相应的变化，电 桥两节点的电位差将和阳光强度相对应。因此只要为传感器提 供合适的电压源供应，并将输出电压进行 A/D 转换即可以得到相应的环境信息。 3．执行单元 汽车空调送风系统的执行单元包括：空气循环风门伺服电动机、混合风门伺服电动机、 出风模式伺服电动机、除霜风门伺服电动机。这些电动机均为永磁直流电动机，工作电压 12V，功率 3W 左右。 空调系统的执行单元包括：压缩机电磁离合器、送风鼓风机、冷凝风扇。其中鼓风机 功率较大，约 200W 左右，冷凝风扇功率约 60W。 各类风门执行电动机接受控制器的输出信号，实现汽车空调风量配送控制、出风模式 控制、出风温度控制、进气模式控制以及风量控制。 9.1.2 汽车空调控制原理 汽车空调系统是通过人为的方法来控制汽车车厢内的温度变化，从而满足人体舒适性 的需要。普通汽车空调系统一般都有采暖系统和制冷系统，称之为冷暖一体化汽车空调。 汽车空调的采暖系统按照不同热源、空气循环方式和载热体可分为多种形式。用在轿 车上的空调系统一般是采用发动机的余热进行采暖，这种采暖系统主要由热水阀、加热器 和鼓风机组成。当车内需要采暖的时候，热水阀打开，发动机的冷却水进入加热器，使流 过加热器的空气升温，由鼓风机送进车内，使车内温度升高。 汽车空调的制冷系统一般由压缩机、膨胀阀冷凝器和换热器组成，它的制冷原理是利 用液态的制冷剂气化吸热使车内的温度降低。其工作过程如下：压缩机将高温高压的制冷 剂气体排入冷凝器，由冷凝风扇进行冷却，经过除湿后由膨胀阀进行节流降温降压，低温 低压的液体制冷剂流进蒸发器吸热制冷，使流过蒸发器的空气温度降低，由鼓风机送入车 内，从而使车内温度降低，满足舒适性的要求。 冷暖一体化汽车空调送风原理如图 9.4 所示。 鼓风机的作用是驱动空调风道内的空气进行流动，从而把经过空调处理的空气送入车 内。在冷暖一体化汽车空调中，鼓风机既是制冷蒸发器风扇也是采暖加热器风扇，所以鼓 风机转速的快慢直接影响到送风速度的快慢，从而也直接影响到空调制冷和加热的快慢。 图 9.3 光照传感器电路结构图 现代汽车系统控制技术 ·236· ·236· 混 合 风 门 蒸发器 加热器 空调进风 送入车内 鼓 风 机 图 9.4 冷暖一体化汽车空调送风原理 混合风门控制空气流经蒸发器和加热器的量，也就是控制经过加热和制冷处理的两种 空气的混合程度。 压缩机由压缩机电磁阀控制它的启停。当电磁阀吸合时压缩机开始工作，就能驱动制 冷剂流过蒸发器蒸发吸热，从而使流过蒸发器的空气温度降低。 加热器由热水阀控制，当热水电磁阀吸合时，热水阀开启，发动机冷却水流过加热器， 从而通过热交换使流过加热器的空气温度升高，实现车内采暖的目的。 通过控制鼓风机的输出风速、混合风门的开度、压缩机的启停和热水阀的开关，就可 以实现整个汽车空调的自动控制。 9.2 汽车空调模糊控制的实现 由于汽车空调系统的复杂性，很难建立一个精确的数学模型，用传统的控制方法进行 有效控制，鉴于模糊控制的优点，可以很好地在汽车空调上加以应用。 将温度设定值与车内的温度的差值及其变化率作为汽车空调模糊控制系统的输入控制 量，所要得到的输出控制量是鼓风机输出风速、混合风门开度、压缩机的启停以及热水阀 的开关，所以建立一个二输入四输出的模糊控制系统。 为了简化模糊控制器的设计，根据模糊控制系统的分解原理，二输入四输出的模糊控 制系统可以分解为四个二输入一输出的模糊控制器。因此，汽车空调模糊控制系统可分解 为空调鼓风机模糊控制器、混合风门模糊控制器、压缩机启停模糊控制器和热水阀开关模 糊控制器。汽车空调模糊控制原理图如图 9.5 所示。 温度误差 温度误差变化率 模 糊 控 制 推 理 鼓风机转速 混合风门开度 压缩机启停 热水阀开关 图 9.5 汽车空调模糊控制原理图 9.2.1 空调鼓风机输出风速模糊控制的实现 鼓风机输出风速的快慢关系到车内温度变化的快慢，输出风速越大，车内温度就越容 第 9章 汽车自动空调 ·237· ·237· 易达到设定值；当车内温度接近设定值时，输出风速小一些可以让人感到更舒适。 1．温度误差的模糊化 鼓风机模糊控制器的输入模糊控制量温度误差 E 记为 0 1E T T= − ，其中 0T 为温度设 定值。 根据人体对温度的敏感程度，可将 E 的模糊论域取为[-5,5]，并量化为 11 个等级，对 于其他值都视为边界值，即为： E={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5} 温度误差模糊子集可取为： {负大(NB)，负小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正大(PB)} 温度误差的隶属度函数采用三角形隶属度函数，表达式如下： ( )NB 1 5 2 1 5 2.5 5 0 2.5 E E E E E µ −⎧⎪⎪= − − − < −⎨⎪ > −⎪⎩ ≤ ≤ (9-1) ( )NS 0 5 2 2 5 2.5 5 2 2.5 0 5 0 0 E E E E E E E µ −⎧⎪⎪ + − < −⎪= ⎨⎪− − <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-2) ( )Z 0 2.5 2 1 2.5 0 5 2 1 0 2.5 5 0 2.5 E E E E E E E µ −⎧⎪⎪ + − <⎪= ⎨⎪− + <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-3) ( )PS 0 0 2 0 2.5 5 2 2 2.5 5 5 0 5 E E E E E E E µ ⎧⎪⎪ <⎪= ⎨⎪− + <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-4) ( )NB 0 2.5 2 1 2.5 5 5 1 5 E E E E E µ ⎧⎪⎪= − <⎨⎪ >⎪⎩ ≤ ≤ (9-5) 温度误差隶属度函数曲线如图 9.6 所示。 现代汽车系统控制技术 ·238· ·238· 图 9.6 温度误差的隶属度函数曲线 2．温度误差变化率的模糊化 温度误差变化率 EC 的模糊论域取为[-3,3]，并量化七个等级，对其他值都视为边界值， 即为： EC={-3，-2，-1，0，1，2，3} 同理，其模糊子集也取为： {负大(NB)，负小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正大(PB)} 其隶属度函数也采用三角形隶属度函数，表达式如下： ( )NB 1 3 2 1 3 1.5 3 0 1.5 EC EC EC EC EC µ −⎧⎪⎪= − − − < −⎨⎪ > −⎪⎩ ≤ ≤ (9-6) ( )NS 0 3 2 2 3 1.5 3 2 1.5 0 3 0 0 EC EC EC EC EC EC EC µ −⎧⎪⎪ + − < −⎪= ⎨⎪− − <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-7) ( )Z 0 1.5 2 1 1.5 0 3 2 1 0 1.5 3 0 1.5 EC EC EC EC EC EC EC µ −⎧⎪⎪ + − <⎪= ⎨⎪− + <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-8) ( )PS 0 0 2 0 1.5 3 2 2 1.5 3 3 0 3 EC EC EC EC EC EC EC µ ⎧⎪⎪ <⎪= ⎨⎪− + <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-9) 第 9章 汽车自动空调 ·239· ·239· ( )NB 0 1.5 2 1 1.5 3 3 1 3 EC EC EC EC EC µ ⎧⎪⎪= − <⎨⎪ >⎪⎩ ≤ ≤ (9-10) 隶属度函数曲线如图 9.7 所示。 图 9.7 温度误差变化率的隶属度函数曲线 3．鼓风机输出风速的模糊化 鼓风机输出风速 U 一共分为六个挡位，模糊论域取为[0,5]，挡位 0 表示输出风速最小， 挡位 5 输出最大风速。模糊论域量化为 6 个等级，即为： U={0，1，2，3，4，5} 其模糊子集取为： {零(Z)，正零(PZ)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)} 其隶属度函数采用三角形隶属度函数，表达式如下： ( )Z 1 0 4 1 0 1.25 5 0 1.25 U U U U U µ ⎧⎪⎪= − + <⎨⎪ >⎪⎩ ≤ ≤ (9-11) ( )PZ 0 0 4 0 1.25 5 4 2 1.25 2.5 5 0 2.5 U U U U U U U µ ⎧⎪⎪ <⎪= ⎨⎪− + <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-12) ( )PS 0 1.25 4 1 1.25 2.5 5 4 3 2.5 3.75 5 0 3.75 U U U U U U U µ ⎧⎪⎪ − <⎪= ⎨⎪− + <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-13) 现代汽车系统控制技术 ·240· ·240· ( )PM 0 2.5 4 2 2.5 3.75 5 4 4 3.75 5 5 0 5 U U U U U U U µ ⎧⎪⎪ − <⎪= ⎨⎪− + <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-14) ( ) 0 3.75 4 3 3.75 5 5 1 5 PE U U U U U µ ⎧⎪⎪= − <⎨⎪ >⎪⎩ ≤ ≤ (9-15) 隶属度函数曲线如图 9.8 所示。 4．模糊控制规则 当温度误差 E 为 NB 且误差变化率 EC 为 NB 时，说明车内温度远远大于设定温度且 有继续增大的趋势，所以根据人们的生活，为了迅速降低车内温度，鼓风机应输出最 大风速(PB)；当温度误差 E 为 PB 且误差变化率 EC 为 PB 时，说明车内温度远远小于设定 温度且有继续降低的趋势，为了迅速升高车内的温度，鼓风机也应输出最大风速(PB)。这 样一共得到 25 条类似的模糊控制规则，模糊控制规则见表 9-1。 图 9.8 鼓风机输出风速的隶属度函数曲线 表 9-1 鼓风机输出风速模糊控制规则表 E U NB NS Z PS PB NB PB PM PZ PS PM NS PB PM PZ PS PM Z PM PM PZ PM PM PS PM PS PZ PM PB EC PB PM PS PZ PM PB 5．鼓风机输出风速的模糊控制输出曲面 对于鼓风机输出风速的模糊控制器采用比较常用的重心法进行解模糊处理，从而得到 鼓风机输出风速模糊控制曲面，如图 9.9 所示。 第 9章 汽车自动空调 ·241· ·241· 图 9.9 鼓风机输出风速模糊控制输出曲面 9.2.2 混合风门模糊控制的实现 混合风门控制着汽车空调冷暖风的混合比例，它直接关系到车内温度的变化，因而是 汽车空调的一个重要的受控装置。 混合风门的模糊控制器的输入控制量与鼓风机输出风速的模糊控制输入控制量相同。 混合风门的开度 U 的模糊论域取为[0,5]，挡位 0 表示最大制冷，挡位 5 表示最大加热， 其模糊子集取为： {负大(NB)，负小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正大(PB)} 混合风门开度的隶属度函数采用三角形隶属度函数，表达式如下： ( )NB 1 0 4 1 0 1.25 5 0 1.25 U U U U U µ ⎧⎪⎪= − + <⎨⎪ >⎪⎩ ≤ ≤ (9-16) ( )NS 0 0 4 0 1.25 5 4 2 1.25 2.5 5 0 2.5 U U U U U U U µ ⎧⎪⎪ <⎪= ⎨⎪− + <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-17) ( )Z 0 1.25 4 1 1.25 2.5 5 4 3 2.5 3.75 5 0 3.75 U U U U U U U µ ⎧⎪⎪ − <⎪= ⎨⎪− + <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-18) ( )PS 0 2.5 4 2 2.5 3.75 5 4 4 3.75 5 5 0 5 U U U U U U U µ ⎧⎪⎪ − <⎪= ⎨⎪− + <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-19) 现代汽车系统控制技术 ·242· ·242· ( )PB 0 3.75 4 3 3.75 5 5 1 5 U U U U U µ ⎧⎪⎪= − <⎨⎪ >⎪⎩ ≤ ≤ (9-20) 其隶属度函数曲线如图 9.10 所示。 图 9.10 混合风门开度隶属度函数曲线 根据人们的日常生活经验，很容易得到表 9-2 的混合风门模糊控制规则表。为了得到 清晰的控制量，采用重心法进行解模糊化，得到输出模糊控制曲面如图 9.11 所示。 表 9-2 混合风门开度模糊控制规则表 E U NB NS Z PS PB NB NB NB NS PS PB NS NB NB NS PS PB Z NB NS Z PB PB PS NB NS PS PB PB EC PB NB NS PS PB PB 图 9.11 混合风门开度模糊控制曲面 9.2.3 压缩机启停模糊控制的实现 压缩机是汽车控制制冷系统的一个重要部件，它的模糊控制输出是二值信号，即为开 启信号和停止信号，用数值表示就是 1 和 0，选择 Sugeno 模糊控制器可以很方便实现所需 第 9章 汽车自动空调 ·243· ·243· 的模糊控制输出。 压缩机的控制与鼓风机的输出风速和混合风门的控制有所不同，它在接近平衡位置即 温度误差接近 0 时比较敏感，同时为了节能和保证很好的制冷效果，压缩机在接近平衡位 置时也不能常开或者常闭，所以输入控制量温度误差的隶属度函数需要做一些改变。在误 差值接近零的时候，隶属度函数的变化应该较快，从而使压缩机的灵敏度较高。温度误差 的模糊论域仍然取为[-5,5]，其模糊子集为： {负大(NB)，负小(NS)，正小(PS)，正大(PB)} 其隶属度函数采用三角形隶属度函数和 Z 形隶属度函数，表达式如下： ( ) 1 1.25 4 2 1.25 0.5 3 3 0 0.5 NB E E E E E µ −⎧⎪⎪= − − − < −⎨⎪ > −⎪⎩ ≤ ≤ (9-21) ( ) 0 1 2 2 1 0.5 4 1 0.5 0.25 3 3 0 0.25 NS E E E E E E E µ −⎧⎪ + − < −⎪⎪= ⎨− + − <⎪⎪ >⎪⎩ ≤ ≤ ≤ (9-22) ( ) 0 0.25 4 1 0.25 0.5 3 3 2 2 0.5 1 0 1 PS E E E E E E E µ −⎧⎪⎪ + − <⎪= ⎨⎪− + <⎪ >⎪⎩ ≤ ≤ ≤ (9-23) ( ) 0 0.5 4 2 0.5 1.25 3 3 1 1.25 PB E E E E E µ −⎧⎪⎪= − <⎨⎪ >⎪⎩ ≤ ≤ (9-24) 隶属度函数曲线如图 9.12 所示。 图 9.12 压缩机的温度误差隶属度函数曲线 温度误差变化率的隶属度函数与前述相同，如图 9.7 所示。 根据生活经验，采用 Sugeno 模糊控制器很容易得到以下模糊控制规则： 现代汽车系统控制技术 ·244· ·244· (1) if E is NB then compressor is 1，权重为 1； (2) if E is NS then compressor is 1，权重为 1； (3) if E is PS then compressor is 0，权重为 1； (4) if E is PB then compressor is 0，权重为 1； (5) if EC is NB then compressor is 1，权重为 0.6； (6) if EC is NS then compressor is 1，权重为 0.3； (7) if EC is Z then compressor is 0，权重为 0.2； (8) if EC is PS then compressor is 0，权重为 0.3； (9) if EC is PB then compressor is 0，权重为 0.3。 解模糊采用加权平均法，可以得到压缩机模糊控制输出曲面，如图 9.13 所示。 图 9.13 压缩机模糊控制的输出曲面 9.2.4 热水阀开关模糊控制的实现 热水阀是汽车空调加热系统的一个重要部件，它的性质与压缩机非常相似，模糊控制 输出也为 1(开)和 0(关)，在平衡位置也很敏感，所以其模糊控制输入的温度误差和误差变 化率的隶属度函数可以和压缩机的相同，具体如图 9.7 和图 9.12 所示。 和压缩机的模糊控制相同，同样可以采用 Sugeno 模糊控制器，根据人们的生活经验， 可以得到如下的热水阀开关的模糊控制规则： (1) if E is NB then valve is 0，权重为 1； (2) if E is NS then valve is 0，权重为 1； (3) if E is PS then valve is 1，权重为 1； (4) if E is PB then valve is 1，权重为 1； (5) if EC is NB then valve is 0，权重为 0.3； (6) if EC is NS then valve is 0，权重为 0.3； (7) if EC is Z then valve is 0，权重为 0.2； (8) if EC is PS then valve is 1，权重为 0.3； (9) if EC is PB then valve is 1，权重为 0.6。 解模糊法采用加权平均法，可以得到热水阀模糊控制输出曲面，如图 9.14 所示。 第 9章 汽车自动空调 ·245· ·245· 图 9.14 热水阀模糊控制输出曲面 9.3 汽车空调模糊控制仿真 汽车空调控制系统的完成需要经过大量的实验和环境模拟，成本较高。而计算机 仿真分析能够在低成本的条件下对所建立的系统在各个方面进行综合评价，提高设计效率。 下面采用 MATLAB/Simulink 的方法对汽车空调的模糊控制进行仿真分析。 9.3.1 汽车空调执行机构仿真模块 1．汽车空调热力学模型 汽车是直接暴露在太阳下或风雪下，隔热措施困难，因而各种方式的汽车内外的热交 换会增加车内的热负荷或热损失。汽车空调工作时调节车内温度使其保持在合适的温度， 除此以外，对车内温度影响的还有换气新风的温度、太阳辐射传入热量、车身壁面传入的 热量以及人体发热等几个方面。其他方面传入的热量，如发动机室内传入的热量和其他仪 器、设备的发热量，相对而言对车内的温度影响较小，在汽车空调模糊控制仿真中可以忽 略不计。 在建模过程中，将汽车车厢看成一个定压定容的系统，假设空气为理想气体。根据热 力学第一定律可以得到下面的热力学平衡方程： 1 2 3 4 5sQ Q Q Q Q Q= + + + + (9-25) 式中， sQ 为汽车车厢内热量的变化； 1Q 为汽车空调吸入的空气与输出的空气的热量差； 2Q 为太阳辐射传入的热量； 3Q 为换气新风带入的热量差； 4Q 为车身壁面传入的热量； 5Q 为 人体散出的热量。 根据热力学第一定律，车厢内热量变化计算为 1s cQ m i V c Tρ= ∆ = ∆ (9-26) 式中，m 为车厢内空气质量； i∆ 为车厢内空气焓值的变化量； cV 为车厢总体积；ρ 为空气 密度； c 为空气比热容(理想条件下约为 1.003kJ/kg ⋅℃)； 1T∆ 为车厢内的空气温度变化。 把空调对空气的处理看成理想的热交换器，将车厢内的一部分空气吸入，然后经过热 交换由风机从出风口排出相同体积的空气，所以有： 现代汽车系统控制技术 ·246· ·246· ( ) ( )1 1 2 1 1 1 2 1Q V c T T v S tc T Tρ ρ= − = ∆ − (9-27) 式中， 1V 为空调风机送出风的体积； 1T 为车厢内温度； 2T 为风机出风口温度； 1v 为风机出 口风速； 1S 为风机出风口面积； t∆ 为所需时间。 在日照条件下，汽车表面和车内空气的温度会迅速改变，一部分是通过车窗传入车厢 的太阳辐射热量，另一部分是由于太阳辐射使汽车表面温度迅速升高然后传入车内的热量， 所以太阳辐射传入的热量计算公式为 2 1 2/Q KA I t A I tε α τ= ∆ + ∆ (9-28) 式中， K 为车身围护结构对室内的导热系数； 1A 为车身太阳直射方向的有效面积；ε 为汽 车表面吸收系数； I 为太阳辐射强度；α 为对流换热系数；τ 为透过玻璃的太阳直射透射 率； 2A 为车窗直射方向的有效面积。 对于换气新风，可以看作车外空气进入并排出相应体积的车内空气，根据我国对汽车 空调新鲜空气的要求，按照人体卫生每人每小时所需的风量不少于 20m3，所以有： ( ) ( )3 2 3 1 3 3 1Q V c T T nV tc T Tρ ρ= − = ∆ − (9-29) 式中， 2V 为进入车内的新风体积； 3T 为车外温度； n为汽车的乘客人数； 3V 为每人单位时 间内所获得的新风体积。 车身壁面传入车内的热量对车内的温度影响较大，其计算方法如下： ( )4 3 3 1Q KA t T T= ∆ − (9-30) 式中， 3A 为车身表面积。 乘客人体散发出来的热量可以简单地按照下述公式计算： 5 0.28Q nq t= ∆ (9-31) 式中， q为人均产生的热量。 将式(9-26)~式(9-31)代入式(9-25)并整理得： ( ) ( ) ( ) ' 2 1 1 1 2 1 1 2 3 3 2 3 3 1 / 0.28 V cT v S c T T KA I A I nV c T T KA T T nq ρ ρ ε α τ ρ = − + + + − + − + (9-32) 式(9-32)可写成： ( ) ( ) ( )'1 1 1 2 1 2 3 2 3 3 1 4 5T a v T T a n T T a T T a I a n= − + − + − + + (9-33) 式中， 1a 、 2a 、 3a 、 4a 、 5a 为待定系数。 对于采用混合风门的冷暖合一汽车空调，根据混合风门的开度确定流过加热器和流过 蒸发器新气流比率，从而改变空调鼓风机出风口的温度。在研究的过程中，把空调调节温 度的过程看成是理想的热交换过程，将车内一部分空气吸入，然后经过热交换后在鼓风机 出口排出相应体积的气体。所以，在假设空气为理想气体的条件下，汽车空调吸入空气与 输出空气的热量差为 ( )1 c h c c c c h h h hQ Q Q c X K V T X K V Tρ= + = ∆ + ∆ (9-34) 式中， cQ 为空调蒸发器的交换热； hQ 为空调加热器的交换热； cX 为表示空调压缩机的启 停(取值 0 或 1)； hX 为表示暖水阀的开关(取值 0 或 1)； cK 为空调蒸发器的热交换系数； hK 为空调加热器的热交换系数； cV 为经过空调蒸发器的气体体积； hV 为经过空调加热器心的 第 9章 汽车自动空调 ·247· ·247· 气体体积； cT∆ 为空调蒸发器的温度与处理前空气温度的差值； hT∆ 为空调加热器的温度与 处理前空气温度的差值。 设混合风门的开度(取值在 0~1 间变化)为λ，在理想条件下即为流经空调加热器的空 气与总的流经空调热交换的空气之比，即为： ( )c 11V Vλ= − (9-35) h 1V Vλ= (9-36) 将式(9-27)、式(9-35)和式(9-36)代入式(9-34)经整理有汽车空调鼓风机出口温度计算 公式： ( )( ) ( )2 c c 1 h h 1 11 0 60T X K T X K T Tλ λ= − − + − + (9-37) 通过以上分析，式(9-33)和式(9-37)组成了整个汽车空调的热力学模型，其相应的控制 量为空调鼓风机输出风速 1v 、混合风门开度 λ 、空调压缩机的启停 cX 以及热水阀的开关 hX 。在 MATLAB 中，可以利用 Simulink 建立汽车空调的热力学模型仿真模块。 2．汽车空调执行机构仿真模块 根据建立的汽车空调车内的热力学模型，在 Simulink 中选择相关的模块，很容易建立 汽车空调执行机构(action system)的仿真模型，如图 9.15 所示。 图 9.15 汽车空调执行机构仿真模块 9.3.2 汽车空调模糊控制机构仿真模块 汽车空调的模糊控制系统的控制量为鼓风机的输出风速、混合风门开度、压缩机的启 停和热水阀的开关。建立完整的模糊控制系统，需要合理地选择量化因子和比例因子。模 糊控制器的输入一般取系统误差 e以及其变化率 ec，它们的实际变化范围，称为基本论域， 分别记为[ , ]e e− 和[-ec，ec]。设误差和变化率所取的模糊论域为[ , ]n n− ，模糊论域与基本论 域的比值即为量化因子，分别记为 eK 和 ecK 。输出控制量的基本论域与模糊论域的比值即 为比例因子，记为 Ku。 现代汽车系统控制技术 ·248· ·248· 温度误差和误差变化率的模糊论域分别为[-5，5]和[-3，3]，在此之外的取值都近似成 模糊论域的边界值。根据多次试验结果，温度误差的量化因子取为 eK =0.8，误差变化率的 量化因子取为 ecK =0.6。 鼓风机输出风速的模糊论域为[0，5]，它的实际变化范围为 0.6~2.2m/s，所以可以采用 式(9-38)让模糊控制输出映射到实际论域中去。 1 0.32 0.28v x= + (9-38) 混合风门开度的模糊论域为[0，5]，它的实际变化范围为 0~1，所以取其比例因子为 0.2。 压缩机的启停和热水阀的开关的模糊控制输出都为 0 和 1 信号，所以取它们的比例因 子为 1。 设定了汽车空调模糊控制器的相关参数，可以利用 Simulink 在 Matlab 里建立模糊控制 系统(control system)的仿真模型，如图 9.16 所示。 图 9.16 汽车空调模糊控制系统仿真模块 9.3.3 汽车空调模糊控制仿真 汽车空调模糊控制系统仿真由模糊控制机构仿真模块和执行机构仿真模块两部分组 成，把它们在 Simulink 中连接起来就可以得到所需的整个系统的仿真模型，如图 9.17 所示。 下面在 Simulink 中利用所建立的模糊控制系统分别模拟春夏秋冬四季环境进行仿真。 图 9.17 汽车空调模糊控制系统仿真结构图 1．夏天环境的仿真 当汽车处于夏天环境时，车外温度较高，假设为 35℃，空调开启前车内的温度也为 第 9章 汽车自动空调 ·249· ·249· 35℃。车内乘客数目为 2，太阳辐射强度为 0.2kJ/m2。根据我国的推荐车内设定温度值为 25℃，进行仿真得到车内温度变化曲线，如图 9.18 所示。从图中曲线可以看出，在所建立 的模糊控制系统的控制下，车内温度能够较快地从初始值下降到设定值，但是存在一定的 稳态波动，对于汽车空调这类对精确度要求不太高的系统来说，基本上达到了设计要求。 图 9.18 夏天环境模拟仿真温度曲线 2．冬天环境的仿真 当汽车处于冬天环境时，车外温度较低，取为 0℃，空调开启前车内的温度也设为 0℃。 车内乘客数目为 2，太阳辐射强度取为 0，车内设定温度为 18℃，进行仿真得到车内温度 变化曲线，如图 9.19 所示。从图中曲线可以看出，在所建立的模糊控制系统的控制下，车 内温度能够较快地从初始值上升到设定值，但是存在一定的稳态波动，对于汽车空调这类 对精确度要求不太高的系统来说，基本上达到了设计要求。 图 9.19 冬天环境模拟仿真温度曲线 3．春秋环境的仿真 当汽车处于春秋两季时，车外温度可取为 25℃，空调开启前车内温度也设为 25℃。车 内乘客数目设为 2，太阳辐射强度取为 0.1kJ/m2，车内设定温度为 20℃，进行仿真分析得 到车内温度变化曲线，如图 9.20 所示。从图中仿真曲线可以看出，车内温度能够迅速地接 近设定值，但是稳态存在波动，对于汽车空调这类对精确度要求不太高的系统来说，基本 上达到了设计要求。 现代汽车系统控制技术 ·250· ·250· 图 9.20 春秋环境模拟仿真温度曲线 9.4 汽车空调参数自调整模糊控制 模糊控制方法与传统控制方法相比具有无需建立被控对象数学模型、对被控对象的非 线性和时变性具有一定的适应能力，即鲁棒性较好等特点。但是模糊控制方法稳态精度较 差，波动性较大，为了改善模糊控制效果，可以采取各种方法对模糊控制方法进行改进， 如参数自调整模糊控制、自适应模糊控制、模糊 PID 控制、模糊预测控制、神经网络模糊 控制等。下面采用参数自调整模糊控制的方法提高汽车空调模糊控制的控制效果。 9.4.1 参数自调整原则 考虑典型的二输入一输出模糊控制器，根据模糊控制代数模型的分析，有： ( )u e ecu k f k e k ec= + (9-39) 式中，f 是非线性函数，其他变量的定义和前述相同。 模糊控制器的控制作用 u 与量化因子 ek 、 eck 和比例因子 uk 有着密切的联系，它们的变 化会导致控制效果的变化，最终引起控制系统的动态性能和稳态性能的变化。为了使控制 达到更好的效果，可以通过在线自调整参数的方法，对量化因子和比例因子进行在线自调 整，从而改善模糊控制器的控制效果。这种控制方法和常规的固定量化因子和比例因子的 模糊控制系统相比，环境变化有较强的适应能力，在随机环境中能对控制器进行自动校正， 能在被控对象特性变化或存在扰动情况下，控制系统保持较好的性能。 对于一个经典的二输入一输出模糊控制器，量化因子 ek 和 eck 分别相当于模糊控制的比 例作用和微分作用，比例因子 uk 则相当于总的放大倍数。由实验数据和理论分析可以总结 出量化因子和比例因子与系统性能的关系如下： 1． ek 对系统性能的影响 (1) ek 越大，系统调节惰性越小，上升速率越快； (2) ek 过大，系统上升速率过大，产生的超调大，使调节时间增长，严重时还会产生 振荡乃至系统不稳定； (3) ek 过小，系统上升速率过小，系统调节惰性变大，同时也影响系统的稳态性能， 第 9章 汽车自动空调 ·251· ·251· 使稳态精度降低。 2． eck 对系统性能的影响 (1) eck 越大，对系统状态变化的抑制能力增大，增加了系统的稳定性； (2) eck 过大，系统输出上升速率过小，系统的过渡过程时间变长； (3) eck 过小，输出上升速率增大，可能导致系统输出产生过大超调和振荡。 3． uk 对系统性能的影构 (1) uk 增大，相当于系统总的放大倍数增大，系统响应速度加快； (2) uk 过大，会导致系统输出上升速率过大，从而产生过大超调乃至振荡和发散； (3) uk 过小，系统的前向增益很小，系统输出上升速率较小，快速性变差，稳态精度 变差。 要保证一定的系统稳态精度， ek 应该足够大。根据实际对象允许的最大稳态误差，按 一定比例先取定 ek ，然后由上述量化因子和比例因子与系统性能的关系，建立如下的参数 调整规则： (1) 当系统发散时，则根据系统的发散程度以较大的幅度减小 uk ； (2) 当系统振荡时，则根据振荡的程度以适当程度减小 uk ； (3) 当系统存在稳态误差时，则根据稳态误差的程度以适当的幅度增大 uk ，同时以较 小的幅度增大 eck ； (4) 当系统过渡过程较长时，则根据过渡过程时间以较小的幅度减小 eck ； (5) 当超调过大时，则根据超调的大小以适当的幅度增加 eck 。 模糊控制器的参数调整方法有很多种，这里利用模糊控制的方法，对模糊控制器的量 化因子 ek 和 eck 进行在线调整，其数学模型如下： ( )1u e ecu k f k e k ecα α= + −⎡ ⎤⎣ ⎦ (9-40) 式中，α为调整因子。 通过对它的在线调整实现对比例因子的调整，从而优化模糊控制效果，原理图如图 9.21 所示。 图 9.21 参数自调整模糊控制器原理图 9.4.2 参数自调整模糊控制器的设计 根据上述模糊控制器参数调整的原则，采用一输入一输出的模糊控制器对传统的模糊 控制器的参数进行在线调整。将温度误差作为调整参数模糊控制器的控制输入量，输出控 现代汽车系统控制技术 ·252· ·252· 制量调整因子 α按照式(9-40)对量化因子 ek 和 eck 进行调整。 温度误差 E 的模糊方法参见前述章节，输出控制量 α 的模糊论域为[0,1]。当温度误差 较大时，为了迅速减小误差，需要加大 ek 的权重，因而就要求取较大的 α；当温度误差较 小时，为了减小温度的波动，需要加大 eck 的权重，选取较小的 α；当温度误差变化中等时， 为了防止温度变化过快而超过设定值，应该选取中等大小的 α，所以其模糊子集取为： {正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)} 隶属度函数选择三角函数，表达式如下： ( ) 1 0 5 1 0 0.4 2 0 0.4 PS α µ α α α α ⎧⎪⎪= − + <⎨⎪ >⎪⎩ ≤ ≤ (9-41) ( ) 0 0.1 5 1 0.1 0.5 2 4 5 9 0.5 0.9 2 4 0 0.9 PM α α α µ α α α α ⎧⎪⎪ − <⎪= ⎨⎪− + <⎪⎪ >⎩ ≤ ≤ ≤ (9-42) ( ) 0 0.6 5 3 0.6 1 2 2 1 1 PB α µ α α α α ⎧⎪⎪= − <⎨⎪ >⎪⎩ ≤ ≤ (9-43) 隶属度函数曲线如图 9.22 所示。 图 9.22 α的隶属度函数曲线 通过上述分析，很容易得到如下的模糊控制规则： (1) if E is NB then α is PB，权重为 1； (2) if E is NS then α is PM，权重为 1； (3) if E is Z then α PS，权重为 1； (4) if E is PS then α is PM，权重为 1； (5) if E is PB then α is PB，权重为 1。 其控制曲线如图 9.23 所示。 第 9章 汽车自动空调 ·253· ·253· 图 9.23 α的控制曲线 9.4.3 汽车空调参数自调整模糊控制仿真 根据模糊控制器参数调整原则和参数调整模糊控制器，可以对图 9.16 的汽车空调模糊 控制系统进行改进，如图 9.24 所示。 将改进后的汽车空调模糊控制器与执行机构连接起来进行仿真，得到不同环境下的与 传统模糊控制的对比仿真曲线，分别如图 9.25、图 9.26 和图 9.27 所示。 图 9.24 汽车空调参数自调整模糊控制器 图 9.25 夏天环境模拟温度仿真对比曲线 现代汽车系统控制技术 ·254· ·254· 图 9.26 冬天环境模拟温度仿真对比曲线 图 9.27 春秋环境模拟温度仿真对比曲线 从对比仿真曲线可以看出，参数自调整模糊控制器过渡时间与传统模糊控制器相比稍 有延长，这是采用调整因子加权使 ek 减小的结果，对于汽车这种环境来说这点微小的延长 是可以接受的。当系统进入稳态后，参数自调整模糊控制器的温度波动较小，稳态精度有 了明显的改善，这是当温度误差较小的时候采用了较小的加权因子而减小了 ek 增大了 eck 的 结果。综上可知，参数自调整模糊控制系统的控制效果与传统模糊控制器相比有了较大的 改善。 9.5 汽车空调多温区控制 随着人民生活水平的提高，人们对车厢温度舒适性的要求也已由过去简单的冬暖夏凉 发展到全季节舒适要求，同时从节能角度考虑，提出了车厢不同位置应该有不同的温度， 头部温度和足部温度不同等概念，这就涉及车厢多温区控制。目前在一些高档轿车上已出 现空调的多温区控制。最近一汽大众推出的迈腾轿车就采用了两温区控制。 9.5.1 车厢温度舒适性与车厢内外温度参数 1．人体对车厢温度的舒适性要求 影响汽车空调舒适性的各因素按重要程度来排序，依次是温度、湿度、空气流速、噪 声、压力、气味、灰尘、细菌等。这里着重讨论车厢内温度对人体舒适性的影响。 在正常的热平衡情况下，人体保持了能量平衡而感到舒适；若周围环境温度升高，则 人体的对流和辐射散热量将减少，汗液分泌加强，即使能维持热平衡，人体也不一定感到 第 9章 汽车自动空调 ·255· ·255· 舒适；环境温度高于人体表面温度时，对流换热和辐射换热都是由外界环境指向人体，余 热量会在体内积存起来，人体因热平衡遭到破坏会感到很不舒服。周围物体表面温度决定 了人体辐射散热的强度。在同样的室内空气参数条件下，围护结构内表面温度高，人体增 加热感；表面温度低，则会增加冷感。此外人体头部对冷的反应敏感，脚部对热的反应敏 感。冬季采暖时首先要提高大腿部及足部的温度；夏季制冷时则首先要降低脸部温度。 2．车厢内温度舒适性参数 汽车空调的车内温度参数直接影响车内的舒适性。舒适性参数主要有： 1) 车内平均温度 夏季人体感到舒适的温度是 24~26℃，由舒适转为不太舒适的分界线是 28℃左右。当 车外气温为 35℃时，可把 28~29℃作为我国普通车辆夏季车内设计温度的基础。对于高级 车辆，车内空调温度可定在 27℃左右。当冬季环境温度为-15℃时，16~25℃是人体感到舒 适的范围。车内平均温度推荐值为：夏季 25~28℃，冬季为 15~18℃。 2) 车内外温差 考虑车内温度时，对车内外温差也有一定限制，夏季温差一般宜为 5~7℃，车外温度 过高时，宜保持在 8~10℃，可增至 10~12℃范围内。 3) 车内温度场分布 铁道部 TB 1951—1987 给出了车厢内各方向温差的合理范围。它要求的车厢温度 场分布如下：夏季车内同一水平面和同一铅垂线的最大温差均不应超过 3℃，头部温度低 于足部约 2℃左右；冬季头部低于足部温度约 4~6℃；在水平方向的气温不均匀度最好控制 在 1.5℃。 3．车外参数的估算 我国中、南部主要城市的平均最高气温为 34.9℃，平均最高相对湿度为 64%，车外空 气设计温度一般取 35℃，相对湿度为 65%。冬季气温为 0℃，相对湿度为 55%。若主要在 我国北方地区使用，夏季可取空气温度 35℃，相对湿度 60%，冬季可取气温-20℃，相对 湿度为 45%。 9.5.2 车厢多温区控制的实现及仿真模型 1．多温区空调风道的概念设计 汽车空调作为空气调节装置在汽车这一特殊运动载体的应用，其制冷系统主要由空调 压缩机、风冷式冷凝器、风冷式蒸发器、膨胀阀、储液器及连接软管组成，通过空调送风 系统与汽车车室相连，由一些必要的辅助控制设备控制系统的运行。 汽车空调的配气形式很多，目前最常用的有空气混合式和全热式两种。空气混合式送 风通道如图 9.28 所示。其工作过程为：车外空气+车内空气→进入风扇→混合空气进入蒸 发器→由风门调节一部分空气进入加热器→进入各通风口。这种配气方式的优点是能节 省部分冷量，缺点是冷暖风不能均匀混合，处理的空气参数精度较差。全热式配气风道如 图 9.29 所示。其流程和混合式配气流程的区别在于气流经过蒸发器后全部进入加热器，不 设风门进行冷热空气的风量调节。全热式配气系统的优点是空气处理后参数精度较高，缺 点是要浪费一部分制冷量。 现代汽车系统控制技术 ·256· ·256· 图 9.28 汽车空调空气混合式送风通道 图 9.29 汽车空调全热式配气风道 如图 9.30 所示，在空气混合式风道的基础上进行一些改动可以达到多个温区送风的目 的。在风道内为蒸发器和加热器单独开辟通道，形成冷风道和暖风道。从