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独立式全空调型客车空调模糊控制系统研究

扈宏毅  
【摘要】: 空调是典型的传质换热系统,结构和内部物理过程复杂。与一般的建筑空调相比,汽车空调的工作环境恶劣,条件差,控制难度要增加很多,主要体现在以下几个方面:一是车外热负荷变化大,难以确定控制参数;二是要求空调负荷大,而且要控制空调使其降温迅速:三,不便于用电力作为动力源,必须用汽车发动机或辅助发动机来带动压缩机,当采用汽车发动机作为动力源时,由于汽车的车速变化大,发动机转速的变化可从600r/min到4000r/min,压缩机转速与发动机转速成正比,其转速变化高达7倍,给空调系统制冷剂流量控制带来困难。 在汽车空调控制中,防止蒸发器结霜,使空调高效运行和控制车厢内的温度是控制的根本任务。我国大多数客车空调仍然采用简单的压缩机开关控制及循环离合控制系统,如:离合器—热力膨胀阀系统(CCTXV)和离合器—节流管系统(CCOT),这些控制方式的精度低,当进行恒温控制时压缩机处于频繁的开、停状态,缩短了压缩机的工作寿命。目前空调控制向自动微调智能化发展,由电脑根据人工设定的要求,自动控制压缩机的运转、热水阀的开度、风机速度、各种风门的开闭位置等等,不仅提高了乘客的舒适性,而且高效节能。 本论文针对独立式全空调型(完全合一型)客车空调系统,设计了一个以AT89C51为核心的采用模糊控制算法的嵌入式单片机控制系统,通过控制温度门的开口角度、蒸发器风扇的转速、辅助发动机的转速来控制车厢内的温度,通过压缩机的开、停对蒸发器除霜,系统具有温度显示、用户设定的分挡多级温度控制、在线控制参数修改等功能。 模糊控制算法采用带有积分环节的修正因子在线插值的模糊控制,控制系统的输入为车厢温度与设定值的偏差和偏差的变化率,输出为与温度门开口角度相关的占空比可调的脉冲的占空比参数,均采用正态模糊数模型。修正因子在线插值模糊控制实际上由两个模糊控制器构成,一是“IF偏差AND偏差变化率THEN修正因子”的双输入单输出模糊控制器,采用控制查询表的方式求取修正因子:二是“IF偏差AND偏差变化率THEN占空比参数”的双输入单输出模糊控制器,采用无量化模糊数模型。模糊控制算法可用下式表示: 采用了修正因子的模糊控制器接近一个自适应的模糊控制器,实现了控制规则的在线自调整。为进一步改善控制系统的控制品质,允许用户对控制参数进行修改,K_i由用户输入,K_u则根据用户设定的调整步长和温度偏差的情况由控制系统自调整。在论文中尝试了用语言模型分析双输入单输出模糊控制系统的稳定性,并对修正因子在线插值的控制系统进行了大量的仿真,结果表明系统的上升时间短,超调量小,无稳态误差,稳定性好,控制灵活,抗干扰能力强。 控制系统的硬件电路由以下几部分组成:一是由8155、四位LED显示、简易键盘构成的人机接口电路;二是AT89C51与串行EEPROM—AT93C66构成的存储电路;三是由三个数字式温度传感器DS1820组成的温度采样电路;四是输出电路。AT93C66是三线制Microwire串行总线的EEPROM,在控制系统中用于存储用户的各种设定值和当前的工作状态(车厢温度、比例系数K_u等)。DS1820是单总线的数字式温度传感器,三个温度传感器分别检测环境温度、蒸发器表面温度、客车车厢的温度,控制系统根据检测到的温度值判断是否要开启空调、是否需要除霜或结束除霜等。由于系统采用了串行总线器件(AT93C66和DS1820)大大简化了系统的硬件设计,在论文中详细地介绍了AT93C66和DS1820的特点、总线协议和操作指令及时序等,并给出了它们的操作和控制程序。控制系统提供模拟量和开关量两种形式的输出,模拟量输出为周期固定的占空比可调的连续的脉冲,通过功率三极管组成的直流斩波放大后驱动温度门的动作伺服机构;用开关信号控制蒸发器风机、辅助发动机的转速和压缩机的开、停。 在控制系统的软件设计时充分发挥AT89C51的两个定时器的作用,TO的中断服务程序完成周期固定的占空比可调的连续的脉冲的输出,而T1的中断服务程序则确定采样周期。模糊计算程序采用三字节浮点数,这样既可以保证计算精度,而计算时间又不至过长。


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