城市轨道交通车辆空调模糊控制探讨

城市轨道交通车辆空调模糊控制探讨
摘要：在现阶段的城市中，轨道交通工程建设越来越多。

城市轨道交通车辆空
调系统中融入模糊控制技术，将空气温度当成直接控制参数，把车内PMV偏差
值以及偏差波动规律作为基础参数输入到模糊控制装置内，从而对热舒适度进行
有效控制，促进城市轨道交通相关车辆空调控制能够跟随人体自身热舒适感受而
进行合理变化。

关键词：轨道交通；车辆空调；模糊控制
引言
夏季为了提高乘客乘车的舒适度，城市轨道交通送入车站公共区的新风需经
过水系统制冷以后再由组合式空调机组送入，然而仅通过人工手动实时调整并不
切合实际，因此引入自动控制系统来进行智能控制调节，在提高环境舒适度的同
时降低能耗。

1空调系统控制概述
空调系统控制方式采用微机控制，其核心部件为Microprocessor（微处理器），根据国际标准《UIC553（国际铁路联盟）客车车厢的通风、供暖和空调》规定的
曲线，按外部环境温度实现自动调节控制。

本车的空调控制单元（ACU）控制本
车的两个空调机组工作；ACU与列车控制及监控系统（TCMS）进行通讯，实现整列车空调和通风系统的控制和监视功能；系统具有完善的保护功能、故障诊断和
乘务员支持等功能。

2城市轨道交通车辆内部空调系统实施模糊控制的意义
尽管从车辆整体结构分析，城市轨道交通车辆内部构成和当下铁路车辆设计
结构上存在较大的相似性，但仅对其中的空调系统进行分析，发现城市轨道交通
在实际运行中有其一定的特殊性。

为此针对城市轨道交通车辆内部空调系统进行
优化设计时，因为其载客量在不同环境状态下存在较大差异，针对轨道车辆内部
缺少可参考的空气标准参数，所以会使轨道车辆内部空间在实际运行中出现湿度
和空气温度参数设计不合理等问题，从而无法对实际运行中的城市轨道车辆内部
温度进行有效控制，导致车内气温出现忽高忽低问题，降低人们的出行质量，所
以在此次研究中，通过对现有轨道交通车辆实际运行状态进行深入分析，寻找有
效的解决措施，以热舒适指标为基础设计模糊控制融入到轨道交通车辆相关空调
系统当中，从而结合各种环境因素变化，对空调系统的制冷工作和制热工作进行
全面控制，保障车辆内部温度能够始终维持一种最佳状态，提高人们的出行质量。

3热舒适指标模糊控制
3.1集控模式
集控模式下，每车的空调控制单元ACU与TCMS进行通讯，实现整列车空调
系统的控制。

集控模式一般用于正常运营模式，通过操作司机台上的空调模式转
换开关或在TCMS显示屏上进行选择来实现。

集控模式可设定为运行和停止两种
模式；也可以根据需要，设定具体的空调运行模式：如自动、手动、通风、停止等，亦可通过在TCMS显示屏对客室温度进行设定。

每节车的空调控制单元ACU
接受到控制指令后，在微处理器中进行运算处理，再将控制指令直接发给各空调
机组，即空调机组按ACU给出的指令要求进行工作。

3.2模糊控制结构设计
在针对轨道交通车辆相关空调控制系统进行模糊控制设计过程中，其中的模
糊控制器主要设计为单输出和双输入的结构模式，将PMV值当成被控参数，同
时把PMV偏差及其波动率输入到模糊控制器内部。

对PMV设定值和实际数值实
施比较分析，获得具体的偏差数值和变化率，通过模糊控制器实施模糊运算，对
空调压缩机运行频率进行合理调控，对车内空气温度状态进行有效控制，实现车
内PMV值等于零的目标。

通过有效应用模糊控制器，能够进一步强化车内温度
的控制效果，避免因为多种因素的变化影响，而导致空调控制出现频繁关闭的现象，导致车内温度调节失败，出现过冷或过热问题，保证轨道交通车辆内部在运
行过程中能够始终保持一种温度均衡状态，优化出行效果。

3.3水系统调整策略
水系统开机顺序：开冷却水泵—开冷却塔连锁蝶阀—开冷却塔风机—开冷冻
水泵—开冷机连锁蝶阀—开冷水机组；关机顺序：关冷水机组—关冷机连锁蝶阀—关冷冻水泵—关冷却水泵—关冷却塔风机—关冷却塔连锁蝶阀。

3.4顺序起动与压缩机的均衡工作
为避免启动电流对车载辅助电源的影响，全列车的空调系统将按照一定的时
间间隔顺序启动每节车的空调机组。

制冷模式时，单台机组启动顺序为：先启动
机组内的通风机；延时后启动冷凝风机；再延时，工作时间较短的压缩机启动；
然后其他压缩机依次启动。

除湿模式时，先启动通风机，然后是冷凝风机，之后
启动压缩机，最后启动加热器。

各机组压缩机启动时，将按每车ACU的要求工况
开始工作，ACU将对每台机组压缩机的工作时间进行比较，每次先启动工作时间
较短的压缩机，每次先卸载工作时间较长压缩机，以保证压缩机均衡工作。

制冷
模式停机时，先停工作时间较长压缩机，再停工作时间较短的压缩机，再停冷凝
风机，最后通风机停止工作。

除湿模式停机时，先停止加热器，之后压缩机停止
工作，然后冷凝风机停机，最后停止通风机。

3.5模糊集、隶属函数以及论域
城市轨道交通车辆空调系统模糊控制器中的输入变量是PMV偏差及其变化率，而变量输出是对空调压缩机运行频率的控制量，相关论域以及模糊集的定义如下：PMV偏差值是E，控制量是U，偏差变化率是CE，三者模糊控制集是{PM（正中）、PB（正大）、PS（正小）、NS（负小）、ZO（零）、NM（负中）、NB
（负大）}。

E相关论域是-0.5～0.5，U的论域是-1～1，而CE的论域是-0.05～
0.05。

确定PMV相关偏差值以及偏差变化率之间的隶属函数为正态分布形式，而
空调压缩机相关运行频率隶属函数呈现出一种三角形分布状态。

在初步确定城市
轨道交通相关车辆空调模糊控制的相关控制规则以及隶属函数之后，便可以开始
构建模糊控制推论系统。

结合MATLAB软件能够得到系统输出曲面，该输出曲面
中涵盖一个输出模块以及两个输入模块。

充分结合城市轨道交通车辆内部PMV
值现存差异以及相关偏差的变化率，可以计算得到空调压缩机在实际运行中的操
作频率，进而对轨道交通车辆中的空气温度变化进行全面掌控和实时调整，最终
达到预期设计的PMV制，保证车内环境温度符合人体热舒适性，提高乘客出行
舒适度。

通过针对轨道交通车辆空调系统进行模糊控制设计，能够改变传统模式
下采取压缩机开停方式调控制冷工作模式，忽略其他热负荷的影响，避免车内温
度出现过大波动问题，从而给乘客带来一种冷热不均的感受，结合模糊控制系统，能够充分满足乘客出行舒适度要求。

结语
综上所述，空调系统是城市轨道车辆中为乘客提供舒适的乘车环境的一个重
要的系统，在城市轨道车辆各个子系统中空调系统是属于A类部件，对系统的设
计要求非常高。

空调系统的设计不仅仅依赖于系统的通风量的计算、风道的排布
设计、机组制冷量的设计，还要依赖于空调系统控制的设计。

深入了解系统功能
需求及各重要器件的工作原理，才能将空调系统的控制设计好。

当然每个地区的
气候特点不尽相同，对空调系统的要求也不一样，所以针对不同的项目，空调系
统还要结合当地的气候特点因地制宜进行设计。

将轨道交通车内PMV偏差值以
及偏差波动率作为模糊控制输入参数，对车内热舒适性进行有效控制是一种有效
的处理措施。

参考文献：
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[2]于慧俐，陈安，李绪泉.基于体感热舒适性的地铁车辆空调模糊控制仿真[J].城市轨道交通研究，2018，21（01）：91-94.
[3]罗仕维.地铁车辆空调系统的研究[D].湖南工业大学，2016.。