铁路客车空调车厢内温度控制系统仿真

1、文章编号 : 100124632 (2005) 0320218206铁路客车空调车厢内温度控制系统仿真张登春 , 于梅春(湖南科技大学 能源与平安工程学院 , 湖南 湘潭 411201)摘 要 : 以铁路空调客车为研究对象 , 采用 P ID 控制和模糊控制两种方案对车厢内温度进行控制 。利用SIMUL IN K 工具箱建立控制系统的仿真模型 , 并从过渡特性 、抗干扰性能等方面进行仿真研究 。仿真结果说明 , P ID 控制能消除稳态误差 , 但超调大 , 过渡时间长 , 在工况变化较小的情况下 , 能满足一定的控温要求 ; 对于 对象延迟 、工况不稳定的场合 , 模糊控制综合控制效果比 P

2、 ID 要好 。此仿真方法克服了传统编程方法繁杂 、难 度高 、周期长的缺点 , 使车厢内温度控制的动态仿真变得直观 、迅捷 。关键词 : 空调车厢 ; 温度控制 ; 模糊控制 ; 控制仿真中图分类号 : U270138文献标识码 : A积为 119168 m2 , 车厢共有 24 扇窗户 , 窗户尺寸为 0198 m 0193 m , 车厢厢体外表积为 98181 m2 ,车厢钢板导热系数为 4313 W ( m ) - 1 , 壁厚为0110 m , 那么车厢厢体热阻 R w = 0114313 98181 =2133 10 - 5 W - 1 ; 窗户玻璃导热系数为 0185随着铁路旅客

3、列车向高速化 、舒适化开展 , 空调车内的温度环境越来越受到人们的关注 。与普通 空调系统相比 , 旅客列车空调系统有其特殊性 : 列 车昼夜在野外行使 , 室外环境变化大 ; 车内人员密度大 , 乘客变化大 ; 车门启闭次数多 。目前 , 我国 铁路列车空调控制系统通过控制机组的开停对机组进行平安保护和对车厢内的温度进行控制1 。这种控制方法存在的问题是 : 阶梯式调节使车厢内温度 场梯度波动大 , 使旅客有忽冷忽热的感觉 ; 耗能 高 ; 空调列车的维修量大 。列车空调控制系统均采 用继电器逻辑控制 , 大量的机械触点在使用中经常 发生粘连 、烧损 、抖动及误动作等情况 , 从而引发 空调

4、系统的故障 。本文在 Matlab61x 的平台上利用 Simulink 工具箱设计出模糊控制系统和 P ID 控制系 统 , 以实现对空调车厢内温度的控制 ; 通过仿真 , 分析比拟两种控制方法的控制效果 。W( m ) - 1 , 厚 为 01006m , 窗 户 热 阻=Rch- 4- 101006 (0185 20217 )= 2194 10W;车厢总热阻 R = R R / ( R + R= 2118 10 - 5w ch w ch )W - 1 。车厢内空气密度 = 11225 kgm - 3 , 空a- 1 ,气定压比热 cp = 11005 kJ ( kg)那么得车厢空气热容量

5、系数 Ca = M a cp = 1912 219 215 11225 11005 = 171186 kJ - 1 。车厢人员按满员 即 118 人计算 , 人体散热量为 11613 W人 - 1 2 。 根据能量守衡定律 , 单位时间内进入车厢内的 热量减去单位时间内流出车厢内的热量等于车厢内蓄热量的变化率 , 由此可得如下关系式3 :1 空调车厢内温度控制系统模型daG c +s 1 0s 1a=Q + Q -CG ca3 2d t3- a111空调车厢内温度控制数学模型以一节 25 K 型空调硬座车厢为研究对象 ,Gs c10Gs c1a(1)=+Q 2 -R整个空调系统由空调机组 、送

6、风孔板和送风管组成 。车厢几何尺寸为 1912 m 219 m 215 m , 送风方 式为两个长条形孔板送风 , 其尺寸为 1910 m 0114 m , 通过车厢两端的车门回风 。车厢总外表式中 : Ca 为车厢内空气的容量系数 , kJ ; a- 1为车厢内空气温度 , ; Gs 为车厢内送风量 , kg- 1- 1 ; 0c1 为空气比热 , kJ ( kg)为车厢s;收稿日期 : 2004204220作者简介 : 张登春 ( 1972 ) , 男 , 湖南祁阳人 , 讲师 , 博士研究生。 基金工程 : 湖南省教育厅基金资助工程 ( 03C495)第 3 期铁路客车空调车厢内温度控制

7、系统仿真89内处理前的空气温度 , ; Q 2 为车厢内设备 、照明及人体散热量 , W ; Q 3 为围护结构对车厢内的3度干扰 , =。f3R Gs c1112空调车厢内温度控制系统由式 (2) 可得车厢内温度的增量微分方程式 :传热量 , W ; 3 为围护结构的温度 , ;内外表的热阻 , m2 ( W - 1 ) 。R 为车厢dad t根据式da(1) 可整理得+ a = K1f(3)T1+ aK1f=(2)由方程 (3) , 同时考虑到实际的车厢存在着传T1d t递延迟1 ,那么可得干扰通道的传递函数 :式 中 :1K1 为 调 节 对 象 的 放 大 系 数 ,K1=( - s)

8、K1 e1W ( s)=; T 为调节对象的时间 常 数 ,T=T1 s + 11111 +时间常数 T 1 表示对象的动态特性 , 决定变化过程 ; 而放大系数 K1 表示对象的静态特性 , 决定 输入信号对稳定值的影响 。上述空调系统的自控系统框图如图 1 所示 。R Gs c1 R C; 为干扰量换算成送风温度的变a f1 + R Gs c1化 , 其中f = f + f2 + f3 ; f 为送风干扰 , f =Q 20 ; f2 为车内散热干扰 , f2 =; f3 为车外温Gs c1图 1 空调车厢温度控制系统框图图 1 中各变量均表示对其平衡状态下数值的增量 , 为简便起见 ,

9、忽略了温度传感器和执行器的惯 性 , 并将室内外干扰折合成送风温度的变化f 。各环节微分方程式的增量形式如下 。 空调车厢 :况时 , 室外温度取 ( 温度的初始平衡点) 35 。以一阶跃干扰模块和一正弦波模块表示室外温度的 波动 。2 控制系统的建立daT1+ aK1f=211PID 控制系统的建立P ID 调节是由比例 、积分和微分三种规律合成 的一种调节方法 , 因此 , P ID 调节器的动作规律为d t温度传感器 :K2ay = 1 d e膨胀阀门 :W = K3 u蒸发盘管 :T IP式中 : Ke +ed t + T D= Kcd t为比例常数 , T 为积分时间常数 , TcI

10、D为微分时间常数 。比例调节输出响应快 , 适宜的比例带有利于系 统的稳定 , 微分作用可减少超调量和缩短过渡过程 时间 , 可以允许较窄的比例带 , 积分作用能消除静 差 , 但使超调量和过滤过程的时间增长5 。因此 , 只有将三种作用相互结合起来 , 根据对象的特性 , 恰当调整调节器参数 , 才能获得较好的调节效果 。 本文中采用衰减曲线法 , 确定参数 Kc , T I , TD 分别为 015 , 011 , 015 。dcT4+ c=K4 Wd t4式中 : T 1 = 3158 , K1 = 01044; 在控制系统取 K2 = 110 ;为了补偿被控中 , 变送器的放大系数是不

11、变的 ,被控对象的放大系数会随负荷变化 ,对象放大系数的变化 , 应使被控对象的放大系数和调节阀的放大系数乘积为常数 , 取 K3 K4 = 1515 ;T4 = 6 ; y sh 为车厢内设定温度 , 取 26 ; 制冷工中国铁道 科 学第 26 卷90212模糊控制系统的建立21211隶属度函数的建立 对于图 1 所示的闭环回路 ,21212 模糊控制规那么和决策方法模糊控制器根据专家的理论知识和实践经验的 总结 , 将输入的语言变量 e , ec 用 if2t hen , and , also (或 o r) 等一系列关系语 , 建立控制规那么 , 如 表 1 所示 。模糊决策采用 :

12、与 (And) 方法为 mi n ,或 (Or) 方法为 max , 推理 ( Implicatio n) 方法为 min , 合成 ( Aggregatio n) 方法为 max , 解模糊化 (Def uzzificatio n) 方法为重心法 ( Cent roid) 。如此 设计的模糊控制器输入与输出关系曲线如图 4 所 示 , 从图 4 可以看出 , 模糊控制是一种非线性控制 。表 1 模糊控制规那么表假设车厢内空调负荷变小 , 那么相应将膨胀阀开度减少 ; 空调负荷变小且持续下降 , 那么膨胀阀减少量多一些 。通过温度传感 器测量室内温度变化 , 与设定温度进行比拟 , 得出温度偏

13、差 e , 同时计算其变化率 ec 。e 和 ec 作为控制量的输入 , 控制输出量为 u 。以制冷工况为例 , 其中偏差 e 的取值范围为 - 9 1 , e - 9 时 , 膨胀阀开度最大 , 对应的模糊语言变量分为五档 :“负大 NB 、“负小 N S、“零 ZR、“正小 PS、 “正大 PB ; 将 偏 差 e 分 为 13 级 , 即 以 - 6 ,- 5 , - 4 , - 3 , - 2 , - 1 , 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6来表示 。通过区间划分 , 将偏差 - 9 1 转变为- 66 间的变量 x i 。温度偏差 e 模糊集合的隶属 度函数采用三角

14、形 、降半梯形和升半梯形函数 , 如图 2 所示 。同理 , ec 对应的模糊语言变量也分为五档 : “负大 NB、“负小 N S、“零 ZR、“正小 PS、“正大 PB, 模糊控制器输出 u 的模糊集合 隶属度函数如图 3 所示6 。eceNBNSZRPSPBNB NS ZR PSPBPB PB PS PSZRPB PS PS ZRZRPS ZR ZR ZRNSZR ZR ZR NSNSZR NS NS NSNB图 4模糊控制器输入输出曲线图空调车厢内温度控制系统 Si muli nk3图 2 F IS 输入 ( e , ec)隶属度函数仿真框图Simulink 是 Mat h Wo r k

15、s 公司为 Matlab 提供的控制系统模型输入与仿真工具 , 利用此软件 , 可以 利用鼠标器在模型窗口上画出所需的控制系统模型 , 然后利用 Simulink 提供的各种仿真功能对系 统进行仿真或线性分析 , 使得一个复杂系统的输入 变得简单 、直观 。结合空调车厢内温度控制系统框图 1 和各环节 的增量形式 , 可以得到图 5 、图 6 所示的空调车厢 内温度控制系统 P ID 控制模型和模糊控制模型7 ,8图。其中 P ID 模块位于 Simulink Ext ras2addit2io nal Linear 内 , 而 Fuzzy Logic Co nt roller 模块位于图 3

16、F IS 输出 ( u) 隶属度函数图第 3 期铁路客车空调车厢内温度控制系统仿真91Blockset s & Toolbo xes 子库的 Simulink Fuzzy 子库中 , 仿真时 , 利用 Readfis 命令将 FL C 模块读入工 作区间 。通过示波器可以观察到输出的情况 , 也可将数据存储到 Matlab 工作空间中 ,输出曲线在单独窗口中绘出 。用 Plot 命令将图 5P ID 控制系统 Simulink 仿真模型图 6模糊控制系统 Simulink 仿真模型仿真结果及分析4P ID 控制系统中 , 采用衰减曲线法 ,整定参数k p , ki , k d 后 , 获得如下

17、的仿真结果 。图 7 为车厢降温时的仿真曲线 ; 图 8 为车厢负荷增加时仿真 曲线 ; 图 9 为设定温度为 25 时仿真曲线 ; 图 10 为延迟 100 s 时仿真曲线 ; 图 11 为参加测量白噪 声时仿真曲线 ; 图 12 为室外温度干扰为 1 时仿 真曲线 。由图可得如下结果 。图 7 车厢降温时 Simulink 仿真结果曲线中 国铁道科 学第 26 卷92图 11参加测量白噪声时 Simulink 仿真结果曲线图 8 车厢负荷增加时 Simulink 仿真结果曲线图 12 室外温度干扰为 1 时 Simulink仿真结果曲线图 9 设定温度为 25 时 Simulink 仿真结

18、果曲线3158 增至 610 时 , P ID 控制中的温度曲线出现了明显的波动 , 而模糊控制中的温度曲线几乎没有什 么波动 (图 8) 。2) 列车空调实际运行过程中 , 设定温度随车内外条件的变化而变化 , 当设定温度为 25 时 , 车厢内设定温度降低了 1 , 需制冷量增大 , P ID 控制结果是车厢内温度剧烈波动后渐趋稳定 , 而模糊控制车厢内温度曲线几乎没什么变化 , 只是稳态 值略高于设定温度 25 。3) 图 7图 9 的延迟时间均为 50 s , 图 10 的 延迟时间为 100 s , 随着延迟时间的增加 , P ID 控 制的降温曲线也出现了波动 , 而模糊控制的降温

19、曲线波动很小 ( 图 10) 。参加测量白噪声后 , P ID 控 制系统的车厢温度振幅较大 , 甚至无法稳定 , 而模 糊控制受影响较小 , 抗干扰性好 (图 11) 。4) 在设定温度为 26 条件下车厢降温时 , 车厢温度经过 1 000 s 后根本趋于稳定 。假设此时车 外温度增加 1 , 当为模糊控制时 , 车厢温度在经图 10 延迟 100 s 时 Simulink 仿真结果曲线1) 车厢降温时 , 模糊控制超调较小 , 能较快地接近最终稳态值 26 , 但模糊结构本身无法消 除静态误差 ; P ID 控制那么能消除静态误差 , 但超调比拟大 , 前 500 s 内约为 34161

20、318 , 其结果与实 际根本一致 ( 图 7) 。当车厢内乘客增多 , 空调负 荷增加时 , 会引起时间常数增大 , 时间常数 T 1 由第 3 期铁路客车空调车厢内温度控制系统仿真93过较小的波动后很快稳定在略高于 26 的稳态值上 ; 而为 P ID 控制时 , 车厢温度要在 1 800 s 以后 才渐趋稳定 (图 12) 。可见模糊控制能实时跟踪空 调工况变化 , 其综合控制效果比 P ID 控制要好 。P ID 控制实现了连续调节 , 降低了车厢内温度场梯度的波动 , 同时由于积分模块的存在 , 消除了 稳态误差 , 有利于提高车厢内的热舒适性 , 但是此 控制过程因超调大 , 过渡

21、时间长 , 一般适用于工况 变化较小的场合 。对于对象延迟 、工况变化较大 (如车厢内温度 突增 、散热量突增或车厢外环境温度骤变) 的场 合 , 模糊控制能实时跟踪空调工况变化趋势 , 过渡 快而平滑 , 抗干扰性能好 , 这有利于延长执行机构 的使用寿命 , 减少空调系统的维修量 。结论5采用 Simulink 工具箱能迅速建立起车厢内温度控制系统模型 、且能反复修改模型 , 模型简洁清 晰 , 直观表达设计理念 。仿真结果能有效地对控制 性能进行评估和验证 。参考文献黄三弥. 铁路空调客车变频调速制冷系统研究 J .中国铁道科学 , 2001 , 22 (3) : 103 106 .12

22、345678张登春. 基于空调车厢内气流分布的人体热舒适研究 J .湘潭矿业学院学报 , 2003 , 18 (2) : 18 21 .Hwang H S. Linguistic Fuzzy Model Identificatio n J . I EEE Pro Co nt rol Theor y A PPL , 1995 , 142 (6) : 537 543 .刘耀浩. 空调与供热的自动化 M .天津 : 天津大学出版社 , 1993 .李金川 , 郑智慧. 空调制冷自控系统运行与管理 M .北京 : 建材工业出版社 , 2002 .李祖欣. MA TL AB 在模糊控制系统设计和仿真中的

23、应用 J .系统仿真学报 , 2003 , 15 (1) : 132 134 .周兴禧 , 王 懿. 变频空调器基于系统的变工况模糊控制仿真研究 J .流体机械 , 2000 , 28 (7) : 42 44 .Tho mos B Hart man. Global Op timizatio n St rategies for High2performance Co nt rols J . ASHAR E Transactio ns , 1995 ,101 (2) : 679 687 .Simulation of Temperature Control System in Air2conditi

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