外部控制變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)略談
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論文導(dǎo)讀：正是由于氣動(dòng)型變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)容易產(chǎn)生蒸發(fā)器結(jié)霜和系統(tǒng)振蕩，開發(fā)了外部容量控制閥，具有外部控制閥變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中共有兩個(gè)制冷劑流量調(diào)節(jié)元件：熱力膨脹閥和具有外部控制閥的變排量壓縮機(jī)。根據(jù)上述對(duì)系統(tǒng)的分析，提出具有外部控制閥的變排量汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的控制策略。
關(guān)鍵詞：外部控制變排量壓縮機(jī)，汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)，控制策略
1 前言正是由于氣動(dòng)型變排量壓縮機(jī)和熱力膨脹閥組成的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)容易產(chǎn)生蒸發(fā)器結(jié)霜和系統(tǒng)振蕩，開發(fā)了外部容量控制閥，具有外部控制閥變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中共有兩個(gè)制冷劑流量調(diào)節(jié)元件：熱力膨脹閥和具有外部控制閥的變排量壓縮機(jī)。熱力膨脹閥是自力式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以蒸發(fā)器出口制冷劑的過(guò)熱度為控制信號(hào)，對(duì)制冷劑流量自行調(diào)節(jié)。而具有外部控制閥的變排量壓縮機(jī)則通過(guò)脈沖控制變排量壓縮機(jī)內(nèi)的外部控制閥來(lái)調(diào)節(jié)制冷劑流量。根據(jù)論文第二、三章對(duì)外部控制閥調(diào)控特性和具有外部控制閥的變排量壓縮機(jī)變排量控制機(jī)理的研究可知，通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，可以達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)制冷劑流量的目的。
根據(jù)上述對(duì)系統(tǒng)的分析，提出具有外部控制閥的變排量汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的控制策略。
2 控制原則和控制方案2.1 控制原則汽車空調(diào)系統(tǒng)主要有兩個(gè)基本控制原則：節(jié)能、防止蒸發(fā)器結(jié)霜。
(1)節(jié)能
與內(nèi)部控制閥變排量壓縮機(jī)保證蒸發(fā)溫度稍大于結(jié)霜溫度來(lái)控制的思想不同，根據(jù)運(yùn)行情況控制不同的蒸發(fā)溫度，且大于內(nèi)部控制閥控制的蒸發(fā)溫度，在同樣制冷量情況下壓縮機(jī)功耗降低，達(dá)到空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能省油目的。
(2)防止蒸發(fā)器結(jié)霜
為防止蒸發(fā)器結(jié)霜，保證蒸發(fā)溫度Te > 0℃，防止蒸發(fā)器結(jié)霜,保證系統(tǒng)能夠正常安全運(yùn)行；考慮到除濕等因素，保證蒸發(fā)溫度Te<10℃，所以蒸發(fā)溫度的控制范圍為0℃～10℃，以下控制策略中蒸發(fā)溫度調(diào)節(jié)范圍不能超出此范圍。
2.2 控制方案將外部控制閥應(yīng)用于變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)，需要充分認(rèn)識(shí)對(duì)于一個(gè)給定的汽車空調(diào)系統(tǒng)并如何去選配不同的輸入?yún)?shù)作為輸出參數(shù)的依據(jù)；采用帶反饋的多輸入單輸出控制方案，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，整個(gè)控制模塊分為蒸發(fā)溫度設(shè)定值計(jì)算模塊和脈沖控制模塊。論文格式。
給定蒸發(fā)器出口制冷劑過(guò)熱度最低設(shè)定值Tsh,set，優(yōu)先控制Tsh > Tsh,set。輸入?yún)?shù)Nc、Tai、Tcai、Mea、Mca，采用變排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型得出的參數(shù)關(guān)系擬合公式，計(jì)算出蒸發(fā)溫度作為脈沖控制模塊的設(shè)定值Te,set。然后根據(jù)Te實(shí)測(cè)值和設(shè)定值的偏差，由脈沖控制模塊計(jì)算出脈沖數(shù)N的調(diào)節(jié)值，可以調(diào)節(jié)變排量壓縮機(jī)排量，從而控制Te。
圖2-1汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)容量控制框圖
據(jù)汽車空調(diào)要求可分拉冷降溫和正常空調(diào)兩種控制模式。當(dāng)（Tai－Tai,set）>3℃時(shí)，為拉冷降溫模式，否則為正�？照{(diào)控制模式。拉冷降溫模式時(shí)，給出脈沖數(shù)N使得壓縮機(jī)處于最大排量工況工作。正常空調(diào)控制模式時(shí)，脈沖控制模塊可以考慮采用模糊控制。
3 蒸發(fā)溫度設(shè)定值Te,set的確定由圖2-1可看出，設(shè)定值計(jì)算模塊就是蒸發(fā)溫度設(shè)定值的確定。結(jié)合以上控制原則和控制方案，采用第四章建立的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型，給定蒸發(fā)器出口制冷劑過(guò)熱度最低設(shè)定值Tsh,set（暫定為Tsh,set＝3℃），壓縮機(jī)行程處于最大排量時(shí),分析冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度Tcai、冷凝器風(fēng)量Mca、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速Nc（車速）、車內(nèi)溫度Tai、蒸發(fā)器風(fēng)量（風(fēng)檔）Mea等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)蒸發(fā)溫度Te之間的影響，然后得出Te,set與各參數(shù)之間的擬合公式。
3.1 蒸發(fā)溫度Te與外部參數(shù)的關(guān)系分析3.1.1 隨車速和Tai的變化
模擬計(jì)算條件：Tcai=35℃，jeai＝50％，蒸發(fā)器高檔風(fēng)速，冷凝器迎面風(fēng)速（m/s）為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）乘于0.0025。
模擬結(jié)果如圖3-1所示，制冷劑流量隨著車速提高而增加，使得蒸發(fā)溫度Te呈下降趨勢(shì)；蒸發(fā)溫度Te隨著車內(nèi)溫度Tai升高而線性增加。
圖3-1車速和Tai的變化
3.1.2 隨車速和蒸發(fā)器風(fēng)檔的變化
模擬計(jì)算條件：Tcai=35℃，jeai＝50％，冷凝器迎面風(fēng)速（m/s）為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）乘于0.0025。
采用隨車速和Tai的變化同樣的方法可以得到Te隨車速和蒸發(fā)器風(fēng)檔的變化規(guī)律（圖3-2），制冷劑流量隨著車速提高而增加，使得蒸發(fā)溫度Te呈下降趨勢(shì)；蒸發(fā)器風(fēng)檔從低檔、中檔、高檔的變化,蒸發(fā)溫度Te不斷增大。
圖3-2 車速和蒸發(fā)器風(fēng)檔的變化
3.1.3 隨車速和Tcai的變化
模擬計(jì)算條件： Tai=27℃，jeai＝50％，蒸發(fā)器高檔，冷凝器迎面風(fēng)速（m/s）為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）乘于0.0025。
圖3-3表示了Te隨車速和Tcai的變化規(guī)律, 制冷劑流量隨著車速提高而增加，使得蒸發(fā)溫度Te呈下降趨勢(shì)；蒸發(fā)溫度Te隨著Tcai增大不斷增大。
圖3-3車速和Tcai的變化
3.1.4 隨Tai和Tcai變化
模擬計(jì)算條件：壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速1800 r/min，jeai＝50％，蒸發(fā)器高檔，冷凝器迎面風(fēng)速（m/s）為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）乘于0.0025。
圖3-4表示了Te隨Tai和Tcai的變化規(guī)律, 蒸發(fā)溫度Te隨著Tai和Tcai增大不斷增大。
圖3-4隨Tai和Tcai的變化
3.2 Te,set與各參數(shù)之間的擬合關(guān)系式 從以上冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度Tcai、冷凝器風(fēng)量Mca、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速Nc（車速）、車內(nèi)溫度Tai、蒸發(fā)器風(fēng)量（風(fēng)檔）Mea等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)蒸發(fā)溫度Te之間的影響分析可知，蒸發(fā)器風(fēng)檔一定時(shí)，Te,set隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，Te,set隨著冷凝器進(jìn)口風(fēng)溫和蒸發(fā)器進(jìn)口風(fēng)溫的增加而增大。因此，在確定蒸發(fā)器風(fēng)檔之后，可以擬合出壓縮機(jī)行程處于最大排量時(shí)蒸發(fā)溫度設(shè)定值Te,set與轉(zhuǎn)速、冷凝器進(jìn)口風(fēng)溫和蒸發(fā)器進(jìn)口風(fēng)溫的關(guān)系式。
(1) 蒸發(fā)器風(fēng)檔為高檔時(shí)，擬合所得Te,set的關(guān)系式：
(3.1)
擬合關(guān)系式(3.1)的相關(guān)系數(shù)R＝0.999195
(2) 蒸發(fā)器風(fēng)檔為中檔時(shí)，擬合所得Te,set的關(guān)系式：
(3.2)
擬合關(guān)系式(3.2)的相關(guān)系數(shù)R＝0.998836
(3) 蒸發(fā)器風(fēng)檔為低檔時(shí)，擬合所得Te,set的關(guān)系式：
(3.3)
擬合關(guān)系式(3.3)的相關(guān)系數(shù)R = 0.996364
4 控制算法 由圖2-1可看出，脈沖控制模塊是具有外部控制閥變排量汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)容量控制策略的核心，其控制算法的好壞將影響到整個(gè)系統(tǒng)的控制性能，本文采用經(jīng)典模糊控制算法的系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。論文格式。 其中e、d和N分別表示蒸發(fā)溫度偏差、蒸發(fā)溫度偏差變化率及外部控制閥的脈沖數(shù)，
、
和
分別表示它們經(jīng)模糊化后對(duì)應(yīng)的模糊變量，K是輸入、輸出量的比例因子。
圖4-1模糊控制系統(tǒng)框圖
模糊控制算法的好壞關(guān)鍵在于輸入、輸出量的模糊化處理及模糊控制規(guī)則是否合理。本文引用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，神經(jīng)模糊控制的結(jié)構(gòu)是一個(gè)五層的前向網(wǎng)絡(luò)，如圖4-2所示。
圖4-2神經(jīng)模糊控制系統(tǒng)
第一層結(jié)點(diǎn)是2個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，表示輸入語(yǔ)言變量，即蒸發(fā)溫度的偏差及偏差變化率。論文格式。第五層節(jié)點(diǎn)是輸出語(yǔ)言變量，即外部控制閥的脈沖數(shù)。第二層和第四層的節(jié)點(diǎn)是語(yǔ)言項(xiàng)節(jié)點(diǎn)，表示輸入、輸出節(jié)點(diǎn)的隸屬函數(shù)。輸入、輸出量的語(yǔ)言項(xiàng)都確定為7級(jí)，統(tǒng)一用PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB來(lái)表示，隸屬函數(shù)形狀初步定為正態(tài)分布函數(shù)。第三層的每個(gè)節(jié)點(diǎn)是表示模糊推理規(guī)則的規(guī)則節(jié)點(diǎn)，所有的第三層節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)模糊推理規(guī)則庫(kù)。第二層與第三層之間的連接表示規(guī)則節(jié)點(diǎn)的前提條件，第三層與第四層之間的連接表示規(guī)則節(jié)點(diǎn)的結(jié)果。因此網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)完畢后，每個(gè)規(guī)則節(jié)點(diǎn)只能從一個(gè)輸入語(yǔ)言節(jié)點(diǎn)的各語(yǔ)言項(xiàng)節(jié)點(diǎn)中最多引出一條連接，條件連接和結(jié)果連接都是這樣。第四層和第五層上輸入或輸出節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言節(jié)點(diǎn)是完全連接。正常的傳播方向?yàn)閺牡谝粚拥降谖鍖�，信�?hào)從第一層和第五層分別從兩端送入，以便確定網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。
下面分別說(shuō)明各層作用及節(jié)點(diǎn)函數(shù)，并設(shè)各節(jié)點(diǎn)的輸出值為u，ip為節(jié)點(diǎn)的輸出值u與連接權(quán)矩陣w的作用結(jié)果，op為節(jié)點(diǎn)的激活函數(shù)：
第一層：輸入層，將輸入數(shù)據(jù)傳輸?shù)降诙䦟樱?br>
第二層：計(jì)算輸入數(shù)據(jù)在各自論域中的隸屬度函數(shù)，將隸屬度函數(shù)設(shè)為正態(tài)分布函數(shù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)模糊集合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出即這個(gè)模糊集合的隸屬函數(shù)：
其中，i為第二層節(jié)點(diǎn)數(shù)，j為第一層節(jié)點(diǎn)數(shù)，
和
分別為每個(gè)隸屬函數(shù)的中心和寬度，都是尚需待定的變量。
第三層：每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一條推理規(guī)則，規(guī)則節(jié)點(diǎn)將執(zhí)行模糊與操作。
 |
第四層：節(jié)點(diǎn)有正向和反向兩種傳遞模式。在正向傳遞中，執(zhí)行模糊或或者操作，其中權(quán)矩陣w是尚需待定的變量。
 |
在反向傳遞中，其執(zhí)行功能與第二層相同：
第五層：與第四層相似，也有兩種傳遞方式，在正向傳遞中執(zhí)行反模糊化的功能，采用重心法，其中，i為第四層節(jié)點(diǎn)數(shù)，j為第五層節(jié)點(diǎn)數(shù)，和分別為每個(gè)隸屬函數(shù)的中心和寬度，也是尚需待定的變量。
在反向傳遞中，其執(zhí)行功能與第一層相同：
上述的這個(gè)神經(jīng)模糊控制系統(tǒng)采用自組織學(xué)習(xí)和反傳學(xué)習(xí)的混合算法。學(xué)習(xí)的目標(biāo)是根據(jù)輸入輸出訓(xùn)練樣本，提取控制規(guī)則和確定輸入、輸出語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)參數(shù)。一般將學(xué)習(xí)過(guò)程可分為三個(gè)階段：首先利用無(wú)監(jiān)督的自組織學(xué)習(xí)算法在相應(yīng)語(yǔ)言論域內(nèi)初步確定隸屬度函數(shù)參數(shù)，然后用有監(jiān)督的競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)算法進(jìn)行控制規(guī)則的學(xué)習(xí)，最后利用有監(jiān)督的反傳算法對(duì)隸屬函數(shù)參數(shù)作進(jìn)一步調(diào)整。
5 小結(jié)在采用氣動(dòng)型變排量壓縮機(jī)—熱力膨脹閥的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)里，由于壓縮機(jī)和熱力膨脹閥都是機(jī)械式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如果兩者之間動(dòng)作不協(xié)調(diào)將使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。而在采用外部容量控制閥變排量壓縮機(jī)的汽車空調(diào)系統(tǒng)里，由于自動(dòng)控制元件—外部控制閥的引入，使壓縮機(jī)排量調(diào)節(jié)與熱力膨脹閥的過(guò)熱度調(diào)節(jié)之間的動(dòng)作協(xié)調(diào)成為可能，針對(duì)節(jié)能、防止蒸發(fā)器結(jié)霜兩個(gè)基本控制原則，提出了帶反饋的多輸入單輸出的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)容量控制方案。
(1) 采用系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型對(duì)設(shè)定值計(jì)算模塊進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)蒸發(fā)溫度Te與外部參數(shù)之間的關(guān)系分析，擬合出高、中、低檔蒸發(fā)器風(fēng)檔的情況下Te,set與轉(zhuǎn)速、冷凝器進(jìn)口風(fēng)溫和蒸發(fā)器進(jìn)口風(fēng)溫的關(guān)系式。從而，在已知蒸發(fā)器風(fēng)檔、轉(zhuǎn)速、冷凝器進(jìn)口風(fēng)溫和蒸發(fā)器進(jìn)口風(fēng)溫等外部參數(shù)后即可以根據(jù)這些關(guān)系式計(jì)算得出相應(yīng)的蒸發(fā)溫度設(shè)定值Te,set。
(2) 脈沖控制模塊是具有外部控制閥變排量汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)容量控制策略的核心，其控制算法的好壞將影響到整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容量控制。不僅為解決蒸發(fā)器結(jié)霜和系統(tǒng)振蕩問(wèn)題提供了新的思路，而且為系統(tǒng)容量控制器算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)。
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⑵李北 1973年4月生
2002年至今日本諾日士鋼機(jī)株式會(huì)社沈陽(yáng)分公司 銷售經(jīng)理
