鐵路客車空調(diào)車廂內(nèi)溫度控制系統(tǒng)仿真

1、文章編號 : 100124632 (2005) 0320218206鐵路客車空調(diào)車廂內(nèi)溫度控制系統(tǒng)仿真張登春 , 于梅春(湖南科技大學 能源與平安工程學院 , 湖南 湘潭 411201)摘 要 : 以鐵路空調(diào)客車為研究對象 , 采用 P ID 控制和模糊控制兩種方案對車廂內(nèi)溫度進行控制 。利用SIMUL IN K 工具箱建立控制系統(tǒng)的仿真模型 , 并從過渡特性 、抗干擾性能等方面進行仿真研究 。仿真結(jié)果說明 , P ID 控制能消除穩(wěn)態(tài)誤差 , 但超調(diào)大 , 過渡時間長 , 在工況變化較小的情況下 , 能滿足一定的控溫要求 ; 對于 對象延遲 、工況不穩(wěn)定的場合 , 模糊控制綜合控制效果比 P

2、 ID 要好 。此仿真方法克服了傳統(tǒng)編程方法繁雜 、難 度高 、周期長的缺點 , 使車廂內(nèi)溫度控制的動態(tài)仿真變得直觀 、迅捷 。關鍵詞 : 空調(diào)車廂 ; 溫度控制 ; 模糊控制 ; 控制仿真中圖分類號 : U270138文獻標識碼 : A積為 119168 m2 , 車廂共有 24 扇窗戶 , 窗戶尺寸為 0198 m 0193 m , 車廂廂體外表積為 98181 m2 ,車廂鋼板導熱系數(shù)為 4313 W ( m ) - 1 , 壁厚為0110 m , 那么車廂廂體熱阻 R w = 0114313 98181 =2133 10 - 5 W - 1 ; 窗戶玻璃導熱系數(shù)為 0185隨著鐵路旅客

3、列車向高速化 、舒適化開展 , 空調(diào)車內(nèi)的溫度環(huán)境越來越受到人們的關注 。與普通 空調(diào)系統(tǒng)相比 , 旅客列車空調(diào)系統(tǒng)有其特殊性 : 列 車晝夜在野外行使 , 室外環(huán)境變化大 ; 車內(nèi)人員密度大 , 乘客變化大 ; 車門啟閉次數(shù)多 。目前 , 我國 鐵路列車空調(diào)控制系統(tǒng)通過控制機組的開停對機組進行平安保護和對車廂內(nèi)的溫度進行控制1 。這種控制方法存在的問題是 : 階梯式調(diào)節(jié)使車廂內(nèi)溫度 場梯度波動大 , 使旅客有忽冷忽熱的感覺 ; 耗能 高 ; 空調(diào)列車的維修量大 。列車空調(diào)控制系統(tǒng)均采 用繼電器邏輯控制 , 大量的機械觸點在使用中經(jīng)常 發(fā)生粘連 、燒損 、抖動及誤動作等情況 , 從而引發(fā) 空調(diào)

4、系統(tǒng)的故障 。本文在 Matlab61x 的平臺上利用 Simulink 工具箱設計出模糊控制系統(tǒng)和 P ID 控制系 統(tǒng) , 以實現(xiàn)對空調(diào)車廂內(nèi)溫度的控制 ; 通過仿真 , 分析比擬兩種控制方法的控制效果 。W( m ) - 1 , 厚 為 01006m , 窗 戶 熱 阻=Rch- 4- 101006 (0185 20217 )= 2194 10W;車廂總熱阻 R = R R / ( R + R= 2118 10 - 5w ch w ch )W - 1 。車廂內(nèi)空氣密度 = 11225 kgm - 3 , 空a- 1 ,氣定壓比熱 cp = 11005 kJ ( kg)那么得車廂空氣熱容量

5、系數(shù) Ca = M a cp = 1912 219 215 11225 11005 = 171186 kJ - 1 。車廂人員按滿員 即 118 人計算 , 人體散熱量為 11613 W人 - 1 2 。 根據(jù)能量守衡定律 , 單位時間內(nèi)進入車廂內(nèi)的 熱量減去單位時間內(nèi)流出車廂內(nèi)的熱量等于車廂內(nèi)蓄熱量的變化率 , 由此可得如下關系式3 :1 空調(diào)車廂內(nèi)溫度控制系統(tǒng)模型daG c +s 1 0s 1a=Q + Q -CG ca3 2d t3- a111空調(diào)車廂內(nèi)溫度控制數(shù)學模型以一節(jié) 25 K 型空調(diào)硬座車廂為研究對象 ,Gs c10Gs c1a(1)=+Q 2 -R整個空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)機組 、送

6、風孔板和送風管組成 。車廂幾何尺寸為 1912 m 219 m 215 m , 送風方 式為兩個長條形孔板送風 , 其尺寸為 1910 m 0114 m , 通過車廂兩端的車門回風 。車廂總外表式中 : Ca 為車廂內(nèi)空氣的容量系數(shù) , kJ ; a- 1為車廂內(nèi)空氣溫度 , ; Gs 為車廂內(nèi)送風量 , kg- 1- 1 ; 0c1 為空氣比熱 , kJ ( kg)為車廂s;收稿日期 : 2004204220作者簡介 : 張登春 ( 1972 ) , 男 , 湖南祁陽人 , 講師 , 博士研究生。 基金工程 : 湖南省教育廳基金資助工程 ( 03C495)第 3 期鐵路客車空調(diào)車廂內(nèi)溫度控制

7、系統(tǒng)仿真89內(nèi)處理前的空氣溫度 , ; Q 2 為車廂內(nèi)設備 、照明及人體散熱量 , W ; Q 3 為圍護結(jié)構(gòu)對車廂內(nèi)的3度干擾 , =。f3R Gs c1112空調(diào)車廂內(nèi)溫度控制系統(tǒng)由式 (2) 可得車廂內(nèi)溫度的增量微分方程式 :傳熱量 , W ; 3 為圍護結(jié)構(gòu)的溫度 , ;內(nèi)外表的熱阻 , m2 ( W - 1 ) 。R 為車廂dad t根據(jù)式da(1) 可整理得+ a = K1f(3)T1+ aK1f=(2)由方程 (3) , 同時考慮到實際的車廂存在著傳T1d t遞延遲1 ,那么可得干擾通道的傳遞函數(shù) :式 中 :1K1 為 調(diào) 節(jié) 對 象 的 放 大 系 數(shù) ,K1=( - s)

8、K1 e1W ( s)=; T 為調(diào)節(jié)對象的時間 常 數(shù) ,T=T1 s + 11111 +時間常數(shù) T 1 表示對象的動態(tài)特性 , 決定變化過程 ; 而放大系數(shù) K1 表示對象的靜態(tài)特性 , 決定 輸入信號對穩(wěn)定值的影響 。上述空調(diào)系統(tǒng)的自控系統(tǒng)框圖如圖 1 所示 。R Gs c1 R C; 為干擾量換算成送風溫度的變a f1 + R Gs c1化 , 其中f = f + f2 + f3 ; f 為送風干擾 , f =Q 20 ; f2 為車內(nèi)散熱干擾 , f2 =; f3 為車外溫Gs c1圖 1 空調(diào)車廂溫度控制系統(tǒng)框圖圖 1 中各變量均表示對其平衡狀態(tài)下數(shù)值的增量 , 為簡便起見 ,

9、忽略了溫度傳感器和執(zhí)行器的慣 性 , 并將室內(nèi)外干擾折合成送風溫度的變化f 。各環(huán)節(jié)微分方程式的增量形式如下 。 空調(diào)車廂 :況時 , 室外溫度取 ( 溫度的初始平衡點) 35 。以一階躍干擾模塊和一正弦波模塊表示室外溫度的 波動 。2 控制系統(tǒng)的建立daT1+ aK1f=211PID 控制系統(tǒng)的建立P ID 調(diào)節(jié)是由比例 、積分和微分三種規(guī)律合成 的一種調(diào)節(jié)方法 , 因此 , P ID 調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律為d t溫度傳感器 :K2ay = 1 d e膨脹閥門 :W = K3 u蒸發(fā)盤管 :T IP式中 : Ke +ed t + T D= Kcd t為比例常數(shù) , T 為積分時間常數(shù) , TcI

10、D為微分時間常數(shù) 。比例調(diào)節(jié)輸出響應快 , 適宜的比例帶有利于系 統(tǒng)的穩(wěn)定 , 微分作用可減少超調(diào)量和縮短過渡過程 時間 , 可以允許較窄的比例帶 , 積分作用能消除靜 差 , 但使超調(diào)量和過濾過程的時間增長5 。因此 , 只有將三種作用相互結(jié)合起來 , 根據(jù)對象的特性 , 恰當調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù) , 才能獲得較好的調(diào)節(jié)效果 。 本文中采用衰減曲線法 , 確定參數(shù) Kc , T I , TD 分別為 015 , 011 , 015 。dcT4+ c=K4 Wd t4式中 : T 1 = 3158 , K1 = 01044; 在控制系統(tǒng)取 K2 = 110 ;為了補償被控中 , 變送器的放大系數(shù)是不

11、變的 ,被控對象的放大系數(shù)會隨負荷變化 ,對象放大系數(shù)的變化 , 應使被控對象的放大系數(shù)和調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)乘積為常數(shù) , 取 K3 K4 = 1515 ;T4 = 6 ; y sh 為車廂內(nèi)設定溫度 , 取 26 ; 制冷工中國鐵道 科 學第 26 卷90212模糊控制系統(tǒng)的建立21211隸屬度函數(shù)的建立 對于圖 1 所示的閉環(huán)回路 ,21212 模糊控制規(guī)那么和決策方法模糊控制器根據(jù)專家的理論知識和實踐經(jīng)驗的 總結(jié) , 將輸入的語言變量 e , ec 用 if2t hen , and , also (或 o r) 等一系列關系語 , 建立控制規(guī)那么 , 如 表 1 所示 。模糊決策采用 :

12、與 (And) 方法為 mi n ,或 (Or) 方法為 max , 推理 ( Implicatio n) 方法為 min , 合成 ( Aggregatio n) 方法為 max , 解模糊化 (Def uzzificatio n) 方法為重心法 ( Cent roid) 。如此 設計的模糊控制器輸入與輸出關系曲線如圖 4 所 示 , 從圖 4 可以看出 , 模糊控制是一種非線性控制 。表 1 模糊控制規(guī)那么表假設車廂內(nèi)空調(diào)負荷變小 , 那么相應將膨脹閥開度減少 ; 空調(diào)負荷變小且持續(xù)下降 , 那么膨脹閥減少量多一些 。通過溫度傳感 器測量室內(nèi)溫度變化 , 與設定溫度進行比擬 , 得出溫度偏

13、差 e , 同時計算其變化率 ec 。e 和 ec 作為控制量的輸入 , 控制輸出量為 u 。以制冷工況為例 , 其中偏差 e 的取值范圍為 - 9 1 , e - 9 時 , 膨脹閥開度最大 , 對應的模糊語言變量分為五檔 :“負大 NB 、“負小 N S、“零 ZR、“正小 PS、 “正大 PB ; 將 偏 差 e 分 為 13 級 , 即 以 - 6 ,- 5 , - 4 , - 3 , - 2 , - 1 , 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6來表示 。通過區(qū)間劃分 , 將偏差 - 9 1 轉(zhuǎn)變?yōu)? 66 間的變量 x i 。溫度偏差 e 模糊集合的隸屬 度函數(shù)采用三角

14、形 、降半梯形和升半梯形函數(shù) , 如圖 2 所示 。同理 , ec 對應的模糊語言變量也分為五檔 : “負大 NB、“負小 N S、“零 ZR、“正小 PS、“正大 PB, 模糊控制器輸出 u 的模糊集合 隸屬度函數(shù)如圖 3 所示6 。eceNBNSZRPSPBNB NS ZR PSPBPB PB PS PSZRPB PS PS ZRZRPS ZR ZR ZRNSZR ZR ZR NSNSZR NS NS NSNB圖 4模糊控制器輸入輸出曲線圖空調(diào)車廂內(nèi)溫度控制系統(tǒng) Si muli nk3圖 2 F IS 輸入 ( e , ec)隸屬度函數(shù)仿真框圖Simulink 是 Mat h Wo r k

15、s 公司為 Matlab 提供的控制系統(tǒng)模型輸入與仿真工具 , 利用此軟件 , 可以 利用鼠標器在模型窗口上畫出所需的控制系統(tǒng)模型 , 然后利用 Simulink 提供的各種仿真功能對系 統(tǒng)進行仿真或線性分析 , 使得一個復雜系統(tǒng)的輸入 變得簡單 、直觀 。結(jié)合空調(diào)車廂內(nèi)溫度控制系統(tǒng)框圖 1 和各環(huán)節(jié) 的增量形式 , 可以得到圖 5 、圖 6 所示的空調(diào)車廂 內(nèi)溫度控制系統(tǒng) P ID 控制模型和模糊控制模型7 ,8圖。其中 P ID 模塊位于 Simulink Ext ras2addit2io nal Linear 內(nèi) , 而 Fuzzy Logic Co nt roller 模塊位于圖 3

16、F IS 輸出 ( u) 隸屬度函數(shù)圖第 3 期鐵路客車空調(diào)車廂內(nèi)溫度控制系統(tǒng)仿真91Blockset s & Toolbo xes 子庫的 Simulink Fuzzy 子庫中 , 仿真時 , 利用 Readfis 命令將 FL C 模塊讀入工 作區(qū)間 。通過示波器可以觀察到輸出的情況 , 也可將數(shù)據(jù)存儲到 Matlab 工作空間中 ,輸出曲線在單獨窗口中繪出 。用 Plot 命令將圖 5P ID 控制系統(tǒng) Simulink 仿真模型圖 6模糊控制系統(tǒng) Simulink 仿真模型仿真結(jié)果及分析4P ID 控制系統(tǒng)中 , 采用衰減曲線法 ,整定參數(shù)k p , ki , k d 后 , 獲得如下

17、的仿真結(jié)果 。圖 7 為車廂降溫時的仿真曲線 ; 圖 8 為車廂負荷增加時仿真 曲線 ; 圖 9 為設定溫度為 25 時仿真曲線 ; 圖 10 為延遲 100 s 時仿真曲線 ; 圖 11 為參加測量白噪 聲時仿真曲線 ; 圖 12 為室外溫度干擾為 1 時仿 真曲線 。由圖可得如下結(jié)果 。圖 7 車廂降溫時 Simulink 仿真結(jié)果曲線中 國鐵道科 學第 26 卷92圖 11參加測量白噪聲時 Simulink 仿真結(jié)果曲線圖 8 車廂負荷增加時 Simulink 仿真結(jié)果曲線圖 12 室外溫度干擾為 1 時 Simulink仿真結(jié)果曲線圖 9 設定溫度為 25 時 Simulink 仿真結(jié)

18、果曲線3158 增至 610 時 , P ID 控制中的溫度曲線出現(xiàn)了明顯的波動 , 而模糊控制中的溫度曲線幾乎沒有什 么波動 (圖 8) 。2) 列車空調(diào)實際運行過程中 , 設定溫度隨車內(nèi)外條件的變化而變化 , 當設定溫度為 25 時 , 車廂內(nèi)設定溫度降低了 1 , 需制冷量增大 , P ID 控制結(jié)果是車廂內(nèi)溫度劇烈波動后漸趨穩(wěn)定 , 而模糊控制車廂內(nèi)溫度曲線幾乎沒什么變化 , 只是穩(wěn)態(tài) 值略高于設定溫度 25 。3) 圖 7圖 9 的延遲時間均為 50 s , 圖 10 的 延遲時間為 100 s , 隨著延遲時間的增加 , P ID 控 制的降溫曲線也出現(xiàn)了波動 , 而模糊控制的降溫

19、曲線波動很小 ( 圖 10) 。參加測量白噪聲后 , P ID 控 制系統(tǒng)的車廂溫度振幅較大 , 甚至無法穩(wěn)定 , 而模 糊控制受影響較小 , 抗干擾性好 (圖 11) 。4) 在設定溫度為 26 條件下車廂降溫時 , 車廂溫度經(jīng)過 1 000 s 后根本趨于穩(wěn)定 。假設此時車 外溫度增加 1 , 當為模糊控制時 , 車廂溫度在經(jīng)圖 10 延遲 100 s 時 Simulink 仿真結(jié)果曲線1) 車廂降溫時 , 模糊控制超調(diào)較小 , 能較快地接近最終穩(wěn)態(tài)值 26 , 但模糊結(jié)構(gòu)本身無法消 除靜態(tài)誤差 ; P ID 控制那么能消除靜態(tài)誤差 , 但超調(diào)比擬大 , 前 500 s 內(nèi)約為 34161

20、318 , 其結(jié)果與實 際根本一致 ( 圖 7) 。當車廂內(nèi)乘客增多 , 空調(diào)負 荷增加時 , 會引起時間常數(shù)增大 , 時間常數(shù) T 1 由第 3 期鐵路客車空調(diào)車廂內(nèi)溫度控制系統(tǒng)仿真93過較小的波動后很快穩(wěn)定在略高于 26 的穩(wěn)態(tài)值上 ; 而為 P ID 控制時 , 車廂溫度要在 1 800 s 以后 才漸趨穩(wěn)定 (圖 12) ?？梢娔：刂颇軐崟r跟蹤空 調(diào)工況變化 , 其綜合控制效果比 P ID 控制要好 。P ID 控制實現(xiàn)了連續(xù)調(diào)節(jié) , 降低了車廂內(nèi)溫度場梯度的波動 , 同時由于積分模塊的存在 , 消除了 穩(wěn)態(tài)誤差 , 有利于提高車廂內(nèi)的熱舒適性 , 但是此 控制過程因超調(diào)大 , 過渡

21、時間長 , 一般適用于工況 變化較小的場合 。對于對象延遲 、工況變化較大 (如車廂內(nèi)溫度 突增 、散熱量突增或車廂外環(huán)境溫度驟變) 的場 合 , 模糊控制能實時跟蹤空調(diào)工況變化趨勢 , 過渡 快而平滑 , 抗干擾性能好 , 這有利于延長執(zhí)行機構(gòu) 的使用壽命 , 減少空調(diào)系統(tǒng)的維修量 。結(jié)論5采用 Simulink 工具箱能迅速建立起車廂內(nèi)溫度控制系統(tǒng)模型 、且能反復修改模型 , 模型簡潔清 晰 , 直觀表達設計理念 。仿真結(jié)果能有效地對控制 性能進行評估和驗證 。參考文獻黃三彌. 鐵路空調(diào)客車變頻調(diào)速制冷系統(tǒng)研究 J .中國鐵道科學 , 2001 , 22 (3) : 103 106 .12

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24、onedCompartment of Ra il way Pa ssenger CarZHAN G Deng2chun , YU Mei2chun( School of Energy and Safet y Engineering , Hunan U niversity of Science and Technology , Xiangtan Hunan 411201 , China)Abstract : Taking t he air2co nditio ned passenger co mpart ment as subject investigated , bot h P ID and f uzzy co nt rolmet ho ds are used to co nt rol t he temperat ure in t he chamber . Focusing o n how to design t he simulatio n mo del wit h S IM UL IN K