浅析地铁空调模糊控制与仿真

浅析地铁空调模糊控制与仿真
发布时间：2022-01-21T03:32:54.899Z 来源：《中国科技人才》2021年第29期作者：董利芳朱忠超宋君君武双虎张红星
[导读] 提出一种基于车辆热负荷模型来搭建空调仿真模型并配合模糊算法进行仿真测试方法。

中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心河北唐山 063035
摘要：针对地铁车辆变频空调控制，介绍了地铁空调工作原理，采用ControlBuild编写地铁空调模糊PID控制算法，并搭建了车辆热负荷仿真模型。

通过多组数据试验完成PID参数调整等以往需要现场试验进行的工作，辅助解决了实际空调试验周期长、人力、物力费用高等问题。

关键词：地铁、空调、模糊控制、负荷仿真
1.引言
地铁空调系统是保证乘客区域新鲜空气及舒适温度的重要设备。

变频控制的关键技术在于控制算法，为解决变频控制中的超调和欠调等问题，采用模糊算法进行频率调节。

而模糊算法的精准性需要大量实际测试参数不断调整和修订来完善，为减少和避免实际测试工作量，提出一种基于车辆热负荷模型来搭建空调仿真模型并配合模糊算法进行仿真测试方法。

2.空调基本原理
空调系统的基本原理是通过压缩机压缩制冷回路的制冷剂，让制冷剂在制冷回路中流动起来，通过制冷剂的物理变化实现车内车外的热交换过程。

3.模糊PID算法
变频空调的控制的核心是对为制冷回路提供动力的压缩机进行变频控制。

所谓模糊PID控制[1]是基于比例-积分-微分控制规律实现PID 控制。

本方案采用以偏差e及偏差的变化ec为输入，利用模糊控制规则在线对PID参数比例系数Kp、积分系数Ki和微分系统Kd进行调整，以满足不同的偏差e和偏差的增量ec对PID参数的不同要求。

其中K0为Kp的加权系数，K1为Ki的加权系数，K2为Kd的加权系数。

模糊算法的控制策略是依据模糊PID算法基本原理结合实际经验确定的各类参数集，为提升频率调节的精确和稳定性，对Kp、Ki、Kd 进行加权平均处理。

4.车辆负荷模型
以我司生产的某B型地铁为例进行模型搭建，车辆适用条件：
?运行速度：80km/h
?车内状态：单车244人
?车辆静止时车体平均传热系数取K=2.5W/（m2?K）
?夏季外温33℃
?车内温度27℃
?新鲜空气量：人均12.7m3/h
4.1车辆固有冷负荷组成[2]:
车辆固有冷负荷由车体隔热壁的传热、进入车体的太阳辐射热功率、车内旅客散热功率、车内机电设备散热功率功率、空气湿负荷功率等组成。

鉴于这些参数变化不大经计算后简化固有冷负荷为39.75kW。

4.2车辆制冷总负荷
鉴于新风降温负荷、室内空气降温负荷和车辆固有冷负荷等全部降温动力来源于空调制冷量负荷，故：
5. 仿真试验
本次仿真模型分模糊PID变频控制空调模型和车厢温度温升变化模型两部分，模型输入变量为温度设定值和新风温度值，交互变量为制冷功率和回风温度。

首次测试：新风温度设为33℃，目标温度设为27℃，仿真结果：初期压缩机高频工作，回风温度迅速降至29℃后不再下降，且出现压缩机频率大频率的震荡问题。

本次试验结果回风温度不满足标准要求的?1K范围[3]。

仿真结果证明，起初调节响应迅速，但稳定后回风温度与目标温度偏差过大，故模糊控制稳态偏差存在不足，需要对Ki模糊控制规则参数进行修正。

再次测试：通过修订Ki模糊控制参数后测试，新风温度和回风温度设为33℃，目标温度设为27℃，回风温度迅速降到27.3℃左右，但稳态回风温度此时在[27.1-27.4]℃浮动，不能满足每分钟不大于0.1K的变化率。

且压缩机工作频率出现大规模震荡，不利于温控，严重影响压缩机使用寿命。

分析震荡出现在回风温度和目标温度差值较小时，且并无超调问题，故需要调整的还是Ki相关参数，考虑减小Ki的加权系数。

经过多次测试修订Ki加权系数后，最终测试结果如下表：
表1仿真部分结果
多组测试结果显示回风温度及压缩机工作频率均能在200s内完成稳定收敛，本仿真系统时钟是256ms，故对应实际收敛时间约为13分钟。

试验证明，本方案模糊PID算法合理可行、控制精准、响应快、调整时间短。

6. 结束语
通过对的空调变频控制模糊PID算法和地铁车辆空调热负荷进行研究，搭建了测试仿真代码。

通过模拟不同应用环境不同空调配置之间的匹配性完成PID控制参数修正，相比传统实车测试完成参数修订工作，有效解决了如外温条件不具备的空调试验难题。

该仿真模型可通过调整参数实现不同项目空调PID参数调整工作，具有适用范围广、可执行性强等优点，为后续空调变频控制研究提供技术支持。

参考文献
[1]罗永建，柴晓冬，吴浩，郑树彬，侯彦彬.模糊PID自整定技术在地铁空调控制中的应用[J].上海工程技术大学学报，2011，(2)：130-133
[2]中华人民共和国铁道部.TB／T1957-91，铁路空调客车热工计算方法[S].北京：中国铁道出版社，1992.
[3]国际铁路联合会.UIC5532003,客车车厢的通风、供暖和空调[S]B1.3和B1.5。