外部控制变排量压缩机汽车空调制冷系统略谈

论文导读：正是由于气动型变排量压缩机和热力膨胀阀组成的汽车空调制冷系统容易产生蒸发器结霜和系统振荡，开发了外部容量控制阀，具有外部控制阀变排量压缩机汽车空调制冷系统中共有两个制冷剂流量调节元件：热力膨胀阀和具有外部控制阀的变排量压缩机。根据上述对系统的分析，提出具有外部控制阀的变排量汽车空调制冷系统的控制策略。
关键词：外部控制变排量压缩机，汽车空调制冷系统，控制策略

　　1 前言正是由于气动型变排量压缩机和热力膨胀阀组成的汽车空调制冷系统容易产生蒸发器结霜和系统振荡，开发了外部容量控制阀，具有外部控制阀变排量压缩机汽车空调制冷系统中共有两个制冷剂流量调节元件：热力膨胀阀和具有外部控制阀的变排量压缩机。热力膨胀阀是自力式调节机构，以蒸发器出口制冷剂的过热度为控制信号，对制冷剂流量自行调节。而具有外部控制阀的变排量压缩机则通过脉冲控制变排量压缩机内的外部控制阀来调节制冷剂流量。根据论文第二、三章对外部控制阀调控特性和具有外部控制阀的变排量压缩机变排量控制机理的研究可知，通过改变步进电机的脉冲数，可以达到调节系统制冷剂流量的目的。
　　根据上述对系统的分析，提出具有外部控制阀的变排量汽车空调制冷系统的控制策略。
　　2 控制原则和控制方案2.1 控制原则汽车空调系统主要有两个基本控制原则：节能、防止蒸发器结霜。
　　(1)节能
　　与内部控制阀变排量压缩机保证蒸发温度稍大于结霜温度来控制的思想不同，根据运行情况控制不同的蒸发温度，且大于内部控制阀控制的蒸发温度，在同样制冷量情况下压缩机功耗降低，达到空调系统节能省油目的。
　　(2)防止蒸发器结霜
　　为防止蒸发器结霜，保证蒸发温度Te > 0℃，防止蒸发器结霜,保证系统能够正常安全运行；考虑到除湿等因素，保证蒸发温度Te<10℃，所以蒸发温度的控制范围为0℃～10℃，以下控制策略中蒸发温度调节范围不能超出此范围。
　　2.2 控制方案将外部控制阀应用于变排量压缩机汽车空调制冷系统，需要充分认识对于一个给定的汽车空调系统并如何去选配不同的输入参数作为输出参数的依据；采用带反馈的多输入单输出控制方案，结构如图2-1所示，整个控制模块分为蒸发温度设定值计算模块和脉冲控制模块。论文格式。
　　给定蒸发器出口制冷剂过热度最低设定值Tsh,set，优先控制Tsh > Tsh,set。输入参数Nc、Tai、Tcai、Mea、Mca，采用变排量压缩机汽车空调制冷系统稳态模型得出的参数关系拟合公式，计算出蒸发温度作为脉冲控制模块的设定值Te,set。然后根据Te实测值和设定值的偏差，由脉冲控制模块计算出脉冲数N的调节值，可以调节变排量压缩机排量，从而控制Te。
　　
　　图2-1汽车空调制冷系统容量控制框图
　　据汽车空调要求可分拉冷降温和正常空调两种控制模式。当（Tai－Tai,set）>3℃时，为拉冷降温模式，否则为正常空调控制模式。拉冷降温模式时，给出脉冲数N使得压缩机处于最大排量工况工作。正常空调控制模式时，脉冲控制模块可以考虑采用模糊控制。
　　3 蒸发温度设定值Te,set的确定由图2-1可看出，设定值计算模块就是蒸发温度设定值的确定。结合以上控制原则和控制方案，采用第四章建立的系统稳态模型，给定蒸发器出口制冷剂过热度最低设定值Tsh,set（暂定为Tsh,set＝3℃），压缩机行程处于最大排量时,分析冷凝器进风温度Tcai、冷凝器风量Mca、压缩机转速Nc（车速）、车内温度Tai、蒸发器风量（风档）Mea等系统运行参数对蒸发温度Te之间的影响，然后得出Te,set与各参数之间的拟合公式。
　　3.1 蒸发温度Te与外部参数的关系分析3.1.1 随车速和Tai的变化
　　模拟计算条件：Tcai=35℃，jeai＝50％，蒸发器高档风速，冷凝器迎面风速（m/s）为压缩机转速（r/min）乘于0.0025。
　　模拟结果如图3-1所示，制冷剂流量随着车速提高而增加，使得蒸发温度Te呈下降趋势；蒸发温度Te随着车内温度Tai升高而线性增加。
　　
　　图3-1车速和Tai的变化
　　3.1.2 随车速和蒸发器风档的变化
　　模拟计算条件：Tcai=35℃，jeai＝50％，冷凝器迎面风速（m/s）为压缩机转速（r/min）乘于0.0025。
　　采用随车速和Tai的变化同样的方法可以得到Te随车速和蒸发器风档的变化规律（图3-2），制冷剂流量随着车速提高而增加，使得蒸发温度Te呈下降趋势；蒸发器风档从低档、中档、高档的变化,蒸发温度Te不断增大。
　　
　　图3-2 车速和蒸发器风档的变化
　　3.1.3 随车速和Tcai的变化
　　模拟计算条件： Tai=27℃，jeai＝50％，蒸发器高档，冷凝器迎面风速（m/s）为压缩机转速（r/min）乘于0.0025。
　　图3-3表示了Te随车速和Tcai的变化规律, 制冷剂流量随着车速提高而增加，使得蒸发温度Te呈下降趋势；蒸发温度Te随着Tcai增大不断增大。
　　
　　图3-3车速和Tcai的变化
　　3.1.4 随Tai和Tcai变化
　　模拟计算条件：压缩机转速1800 r/min，jeai＝50％，蒸发器高档，冷凝器迎面风速（m/s）为压缩机转速（r/min）乘于0.0025。
图3-4表示了Te随Tai和Tcai的变化规律, 蒸发温度Te随着Tai和Tcai增大不断增大。
　　
　　图3-4随Tai和Tcai的变化
　　3.2 Te,set与各参数之间的拟合关系式 从以上冷凝器进风温度Tcai、冷凝器风量Mca、压缩机转速Nc（车速）、车内温度Tai、蒸发器风量（风档）Mea等系统运行参数对蒸发温度Te之间的影响分析可知，蒸发器风档一定时，Te,set随着转速的增加而减小，Te,set随着冷凝器进口风温和蒸发器进口风温的增加而增大。因此，在确定蒸发器风档之后，可以拟合出压缩机行程处于最大排量时蒸发温度设定值Te,set与转速、冷凝器进口风温和蒸发器进口风温的关系式。
　　(1) 蒸发器风档为高档时，拟合所得Te,set的关系式：
　　 (3.1)
　　 拟合关系式(3.1)的相关系数R＝0.999195
　　(2) 蒸发器风档为中档时，拟合所得Te,set的关系式：
　　 (3.2)
　　拟合关系式(3.2)的相关系数R＝0.998836
　　(3) 蒸发器风档为低档时，拟合所得Te,set的关系式：
　　(3.3)
　　拟合关系式(3.3)的相关系数R = 0.996364
　　4 控制算法 由图2-1可看出，脉冲控制模块是具有外部控制阀变排量汽车空调制冷系统容量控制策略的核心，其控制算法的好坏将影响到整个系统的控制性能，本文采用经典模糊控制算法的系统框图如图4-1所示。论文格式。 其中e、d和N分别表示蒸发温度偏差、蒸发温度偏差变化率及外部控制阀的脉冲数，、和分别表示它们经模糊化后对应的模糊变量，K是输入、输出量的比例因子。
　　
　　图4-1模糊控制系统框图
　　模糊控制算法的好坏关键在于输入、输出量的模糊化处理及模糊控制规则是否合理。本文引用了神经网络技术，神经模糊控制的结构是一个五层的前向网络，如图4-2所示。
　　
　　图4-2神经模糊控制系统
　　第一层结点是2个输入节点，表示输入语言变量，即蒸发温度的偏差及偏差变化率。论文格式。第五层节点是输出语言变量，即外部控制阀的脉冲数。第二层和第四层的节点是语言项节点，表示输入、输出节点的隶属函数。输入、输出量的语言项都确定为7级，统一用PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB来表示，隶属函数形状初步定为正态分布函数。第三层的每个节点是表示模糊推理规则的规则节点，所有的第三层节点构成一个模糊推理规则库。第二层与第三层之间的连接表示规则节点的前提条件，第三层与第四层之间的连接表示规则节点的结果。因此网络学习完毕后，每个规则节点只能从一个输入语言节点的各语言项节点中最多引出一条连接，条件连接和结果连接都是这样。第四层和第五层上输入或输出节点和对应的语言节点是完全连接。正常的传播方向为从第一层到第五层，信号从第一层和第五层分别从两端送入，以便确定网络权值。
　　下面分别说明各层作用及节点函数，并设各节点的输出值为u，ip为节点的输出值u与连接权矩阵w的作用结果，op为节点的激活函数：
　　第一层：输入层，将输入数据传输到第二层：
　　
　　第二层：计算输入数据在各自论域中的隶属度函数，将隶属度函数设为正态分布函数每个节点表示一个模糊集合，每个节点的输出即这个模糊集合的隶属函数：
　　
　　其中，i为第二层节点数，j为第一层节点数，和分别为每个隶属函数的中心和宽度，都是尚需待定的变量。
　　 第三层：每个节点表示一条推理规则，规则节点将执行模糊与操作。
　　

　　 第四层：节点有正向和反向两种传递模式。在正向传递中，执行模糊或或者操作，其中权矩阵w是尚需待定的变量。
　　

　　在反向传递中，其执行功能与第二层相同：
　　
　　 第五层：与第四层相似，也有两种传递方式，在正向传递中执行反模糊化的功能，采用重心法，其中，i为第四层节点数，j为第五层节点数，和分别为每个隶属函数的中心和宽度，也是尚需待定的变量。
　　
　　在反向传递中，其执行功能与第一层相同：
　　
　　 上述的这个神经模糊控制系统采用自组织学习和反传学习的混合算法。学习的目标是根据输入输出训练样本，提取控制规则和确定输入、输出语言变量的隶属函数参数。一般将学习过程可分为三个阶段：首先利用无监督的自组织学习算法在相应语言论域内初步确定隶属度函数参数，然后用有监督的竞争学习算法进行控制规则的学习，最后利用有监督的反传算法对隶属函数参数作进一步调整。
　　　　5 小结在采用气动型变排量压缩机—热力膨胀阀的汽车空调制冷系统里，由于压缩机和热力膨胀阀都是机械式调节机构，如果两者之间动作不协调将使系统产生振荡。而在采用外部容量控制阀变排量压缩机的汽车空调系统里，由于自动控制元件—外部控制阀的引入，使压缩机排量调节与热力膨胀阀的过热度调节之间的动作协调成为可能，针对节能、防止蒸发器结霜两个基本控制原则，提出了带反馈的多输入单输出的汽车空调制冷系统容量控制方案。
　　(1) 采用系统稳态模型对设定值计算模块进行研究。通过对蒸发温度Te与外部参数之间的关系分析，拟合出高、中、低档蒸发器风档的情况下Te,set与转速、冷凝器进口风温和蒸发器进口风温的关系式。从而，在已知蒸发器风档、转速、冷凝器进口风温和蒸发器进口风温等外部参数后即可以根据这些关系式计算得出相应的蒸发温度设定值Te,set。
　　(2) 脉冲控制模块是具有外部控制阀变排量汽车空调制冷系统容量控制策略的核心，其控制算法的好坏将影响到整个系统的控制性能。采用基于神经网络的模糊控制算法来实现系统的容量控制。不仅为解决蒸发器结霜和系统振荡问题提供了新的思路，而且为系统容量控制器算法的设计与实现提供了依据。

参考文献
[1]仲华. 轿车空调系统运行状态及车室内温度控制策略研究: [博士学位论文]. 上海:上海交通大学博士学位论文,2001
[2]Skinner T.J., Swadner R.L. V-5 Automotive Variable DisplacementAir Conditioning Compressor. SAE Congress Paper, No.850040
[3]AtsuoInoue, Junya Ichikawa, Robert Bandeen. Evaluation of Infinitely Variable DisplacementCompressors with Thermal Expansion Valves in a Motor Vehicle Air Conditioningsystem. 1988 SAE Congress Paper , No.880052
[4] 田长青, 杨新江, 窦春鹏, 彦启森. 汽车空调制冷系统的稳定性. 汽车技术, 2002, 5:11-14
[5]窦春鹏, 田长青, 胡世辉, 李先庭, 彦启森. 变排量压缩机和热力膨胀阀汽车空调系统振荡现象的试验研究. 2000年暖通空调制冷学术年会论文集
[6]陈芝久, 袁晓梅. 汽车空调压缩机变排量控制阀的研究现状. 上海交通大学学报, 2001, 35 (8): 1264-1267
[7] 日本太平洋工业（株）CEV13RC1型电子膨胀阀使用说明书,1995
[8] 王军、王宜义. 汽车空调压缩机输气系数的研究. 流体机械, 1994, 22(8): 53~56
[9]董天禄, 田定国. 小型热力膨胀阀变工况容量特性试验和分析. 上海市通用机械技术研究所资料,1983
[10] 黄国强. 汽车空调系统动态仿真和优化研究: [博士学位论文]. 上海: 上海交通大学机械与动力学院, 1994
[11] 翁文兵, 王瑾竹, 蒋能照. 电子膨胀阀的制冷剂流量特性的试验研究.流体机械, 1998, (10): 58-61
[12] Souza A., Pimenta M. Prediction of pressure drop duringhorizontal two-phase flow of pure and mixed refrigerants. In: Proceedings of ASMEConference of Cavitation and Multiphase Flow, USA, 1995. 161-171
⑴范春秀1975年6月生
2001年至今约克空调公司 技术支持工程师
邮政编码：110001
⑵李北 1973年4月生
2002年至今日本诺日士钢机株式会社沈阳分公司 销售经理