（电力电子与电力传动专业论文）基于舒适度指标的列车空调控制系统研究.pdf

亘塑塞堕查兰堡主堡窒生兰篁堡塞 苎! ! 夏 _ _ _ 一一一一 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to f l i v i n gs t a n d a r d ，p a s s e n g e r sp u tf o r w a r d t oh i g h e rt h e r m a lc o m f o r t ，h o w e v e rt h e t a r g e tv a l u eo ft e m p e r a t u r ei sa d j u s t e db y t r a i n m a ni nt h ea i r c o n d i t i o n i n gt r a i n ， t h ed e g r e eo ft h e r m a lc o m f o r to f t h ee n v i r o n m e n to ft r a i no f t e nc a nn o ts a t i s f yt h e c o m f o r tr e q u i r e m e n to fp a s s e n g e r s f u r t h e r m o r et h a tp r o p o r t i o no fn e ww i n da n d b a c kw i n di sc h a n g e l e s sm a k e st h ec h a r a c t e ro fa i rb e c o m ep o o rw h e nt h e r ea r ea l o to t - p a s s e n g e r sa n dw a s t e se n e r g yw h e nt h e r ea r ef e wp a s s e n g e r s t os o l v et h ep r o b l e m s c o n t r 0 1m e a n sb a s e do nt h e r m a lc o r n f o r ti n d e xw h i c h i n c l u d i n gn o to n l yt h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n tf a c t o rb u ta l s ot h ei n f l u e n c eo f b o d yf a c t o ri sa p p l i e dt ot h ec o n t r o lo f t h e r m a ie n v i r o n m e n t w ec h o o s ei n d i r e c t c o m f o r tc o n t r o lm e t h o di nw h i c ht e m p e r a t u r ee s t a b l i s h i n gv a l u ei sa s c e r t a i n e db y h u m i d i t y , a i rv e l o c i t y a n dm e a nr a d i a n t t e m p e r a t u r e i n t h i s m e a n s ，a i r t e m p e r a t u r ei st h ed i r e c tt a r g e tt ob ec o n t r o l l e da n d w ec o n t r o li tb yf u z z yc o n t r o l a tt h es a m et i m et h eh u m i d i t yi ss ol o wi nw i n t e rt h a ti tm a k e sp a s s e n g e r sf e e l v e r yd r y s of u z z yc o n t r o li sa p p l i e di nt h ec o n t r o lo fh u m i d i t yo fa i r ，i tm a k e s t h e h u m i d i t yi nc a r r i a g ek e e pi nar a n g em a k i n gp e o p l ec o m f o r t a b l e a i m e da tt h e p r o b l e mo fa i rq u a l i t y a n d e n e r g y c o n s e r v i n gq u e s t i o n ，t h e a m o u n to fn e ww i n di sc o n t r o l l e db yd e n s i t yo fc a r b o nd i o x i d e t h u sa c h i e v et h e p u r p o s et oc o n t r o li n d o o ra i rq u a l i t yr a t i o n a l l ya n ds o l v et h ep r o b l e mo fl o w a i r q u a l i t yw h e n t h e r ea r eal o to f p a s s e n g e r sa n de n e r g yw a s t i n gw h e n t h e r ea r ef e w p a s s e n g e r s ， c o n t r o lo f t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y a n dt h ea m o u n to fn e ww i n di se m u l a t e db y m a t l a b s i m u l i n ka n dt h er e s u l t sd i s p l a yt h a tt h ee f f e c to f c o n t r o li sv e r yw e l l a tt h es a m et i m et h es y s t e m a t i cs o f t w a r ea n d h a r d w a r ei sd e s i g n e di nt h et h e s i s k e y w o r d s t h e r m a lc o m f o r t ；f u z z yc o n t r o l ；u e w w i n da m o u n t a i rq u a l i t y ；s i m u l a t i o n 谣南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 第一章绪论 1 1 列车空调的特点和现有列车空调运行概况 列车空调较之地面固定建筑物的空调有诸多不同的特点，具有自身独特 性。列车在野外高速行驶，直接暴露在阳光下，其围护结构有大面积玻璃， 太阳辐射热负荷大；车厢尺寸受到严格限制，又要保证车内有效容积，因而 隔热层厚度较薄：外壁面为金属薄板，壁温较高；而且门、孔的渗漏热负荷 较大；高速行驶，使车厢室内外传热过程增强；加上在较小的空间内拥有大 量旅客，而且还要经常上下乘客，换气损失很大，同时，送风的进出口温差 不能太大，因此，使客车空调单位容积内的热、湿负荷比普通建筑物内的大 得多，如果没有空调运转，车厢内夏天的温度有时高达5 0 。野外行驶，使 得制冷装置经常在不稳定的环境条件下工作。我国地域辽阔，东西南北的经 纬跨度大，其环境气候变化差异很大， 恶劣。由于车厢空调安装尺寸的限制， 这些问题使列车空调机组工作条件很 使得其通风系统的结构布置困难；送 风道偏平，阻力较大，送风均度欠佳，回风不均匀；新风量要求大，约占总 风量的1 3 ，新风热负荷大。对于全列空调，通风系统要全年工作。所有这 一切都使得列车空调技术难度增加。 客车空气调节装置的主要作用是：夏季对车外新鲜空气和车内再循环空 气进行除尘、冷却和减湿；冬季对车外新鲜空气和车内再循环空气进行除尘、 升温，并把处理后的空气以一定的流动速度送入客室，同时将室内污浊空气 排出车外，使车内保持清新舒适的人造气候环境。因此不论是分装式还是集 中式空调装置，都有通风系统、空气冷却系统、采暖系统和自动控制系统组 成。我国现有铁路客车温度控制采用传统的电机定转速控制方法，电机在工 频( 380v 50hz ) 下运转。空调客车能量调节采用停、开压缩机的 办法来实现。以空调硬座车为例，每台机组有两台制冷压缩机，每车共四台 制冷压缩机，可实现输气量的1 0 0 ， 7 5 ，5 0 ， 2 5 ，0 五档调节。 但实际的运行过程中，只能实现1 0 0 ，5 0 ，0 三档调节。输气量的调节 也就是压缩机电机的控制，根据车内热负荷的变化可以不开压缩机至全开压 缩机来实现输气量调节。 在控制过程中，将温控器的设定值调到2 6 c ，当车内温度升到设定的2 6 露南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 - ，_ - _ _ h _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ ，_ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ - _ 一 第一章绪论 1 1 列车空调的特点和现有列车空调运行概况 列车空调较之地面固定建筑物的空调有诸多不同的特点，具有自身独特 性。列车在野外高速行驶，直接暴露在阳光下，其围护结构有大面积玻璃， 太阳辐射热负荷大；车厢尺寸受到严格限制，又要保证车内有效容积，因而 隔热层厚度较薄：外壁面为金属薄板，壁温较高；而且门、孔的渗漏热负荷 较大；高速行驶，使车厢室内外传热过程增强；加上在较小的空间内拥有大 量旅客，而且还要经常上下乘客，换气损失很大，同时，送风的进出口温差 不能太大，因此，使客车空调单位容积内的热、湿负荷比普通建筑物内的大 得多，如果没有空调运转，车厢内夏天的温度有时高达5 0 。野外行驶，使 得制冷装置经常在不稳定的环境条件下工作。我国地域辽阔，东西南北的经 纬跨度大，其环境气候变化差异很大， 恶劣。由于车厢空调安装尺寸的限制， 这些问题使列车空调机组工作条件很 使得其通风系统的结构布置困难；送 风道偏平，阻力较大，送风均度欠佳，回风不均匀；新风量要求大，约占总 风量的1 3 ，新风热负荷大。对于全列空调，通风系统要全年工作。所有这 一切都使得列车空调技术难度增加。 客车空气调节装置的主要作用是：夏季对车外新鲜空气和车内再循环空 气进行除尘、冷却和减湿；冬季对车外新鲜空气和车内再循环空气进行除尘、 升温，并把处理后的空气以一定的流动速度送入客室，同时将室内污浊空气 排出车外，使车内保持清新舒适的人造气候环境。因此不论是分装式还是集 中式空调装置，都有通风系统、空气冷却系统、采暖系统和自动控制系统组 成。我国现有铁路客车温度控制采用传统的电机定转速控制方法，电机在工 频( 380v 50hz ) 下运转。空调客车能量调节采用停、开压缩机的 办法来实现。以空调硬座车为例，每台机组有两台制冷压缩机，每车共四台 制冷压缩机，可实现输气量的1 0 0 ， 7 5 ，5 0 ， 2 5 ，0 五档调节。 但实际的运行过程中，只能实现1 0 0 ，5 0 ，0 三档调节。输气量的调节 也就是压缩机电机的控制，根据车内热负荷的变化可以不开压缩机至全开压 缩机来实现输气量调节。 在控制过程中，将温控器的设定值调到2 6 。c ，当车内温度升到设定的2 6 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 时，其中两台制冷压缩机组启动制冷，温控器的动差为2 。c 。如果车内温 度下降至2 4 。c ，压缩机停止工作，如果车内温度由2 6 。c 升到2 8 4 c 时，四台 制冷压缩机投入工作，这时制冷量为1 0 0 ，当房间内温度下降至2 6 。c 时， 其中两台压缩机自动停止工作，恢复单机运行，此时的能量调节为5 0 。因 此需要空气调节装置中的通风系统在一年四季都处于工作状态。这种运行方 式使温度控制在2 4 。c 到2 8 。c 之间，从目前应用情况来看，现有的车辆空调装 置在温度调节方面，仅基本上满足使用要求。 随着经济的不断发展和生活水平的不断提高，乘客对车辆舒适度提出了 更高的要求。现有客车空调温度设定值由乘务员手动调整，但在客车空调复 杂的运行工况下，空调乘务员通常无法及时调整温度设定值，因此常出现车 内温度与乘客舒适要求相差较大，甚至严重背离的情况，车内热环境常常不 能满足旅客对热舒适度的要求。就热舒适度来说，现有控制方式仅以车内温 度为控制对象，没有考虑空气湿度，平均辐射温度，人体活动量，衣服热阻 等的影响，即使车内空气温度能满足乘客的要求，也不一定能达到人体的舒 适性要求。而不对c 0 2 浓度进行控制，更难以满足客车空调舒适性和卫生性 的要求。因此，客车空调采用现有控制方式必然造成车内环境品质低下。 总体来看，我国空调客车的空气调节控制系统相对简单和落后，难以适 应目前旅客对车内舒适度的要求，因此改进空气调节通风系统以及实现其自 动化控制，是我国客车空气调节系统的发展方向。 1 2 现有空调客车空气调节控制系统存在的不足 现有铁路空调客车空调控制系统( 3 8 0 v 5 0 h z 供电模式) 经过近1 0 年 的运用，我们发现铁路客车空调控制系统存在以下几个问题： 1 ) 阶梯式调节使车厢内温度场梯度波动大。目前车厢内温差达4 。c 之多， 使旅客有忽冷忽热的感觉。1 温差范围是较理想的舒适区，但目前这种调节 方式不能实现。 2 ) 列车空调仅仅以温度为调节对象，没有考虑湿度，平均辐射温度，人 体活动量，c 0 2 浓度等因素，不能满足乘客对舒适度的要求。 3 ) 耗能高。以带有空调装置的2 2 型软卧车2 辆，硬卧车8 辆，硬座车 9 辆，餐车1 辆组成的旅客列车为例，制冷压缩机电机有功功率为2 1 8 6 2k w ， 占全列车用电的5 5 。在夏季空调工况下，车内温度每下调i 。c ，每列车每 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 年需多耗5 5 万度电，现各铁路局所属空调列车少则七、八列，多则数十列， 全路年耗电数十分可观”。 4 ) 空调列车的维修量大。间歇运行的制冷压缩机电机频繁启动，会引起 供电回路电压波动，缩短电器元件的使用寿命，维修和更换元器件的工作量 与日俱增。 1 3 热舒适度指标 随着智能控制技术的发展和应用，代表目前最高水准的空调系统是综合 考虑人体因素和室内环境因素对热湿负荷的影响，以人体舒适度值p m v ( 预期 平均投票) 为目标迸行系统设计的。通过p m v = o 设定温度值，即使环境空气参 数发生了变化，也会使人们产生较佳的舒适感。 热舒适感是人体对热环境具有一种满足的心理状态。1 。影响人体舒适感 的环境因素众多，主要有空气温度、湿度、风速、平均辐射温度、人体的衣 着热阻和人体的新陈代谢率。人体对环境的感受是这些因素综合作用的结果。 而衡量这一感受的指标就是热舒适指标，也称热环境评价指标。目前客车的 空调方式，仅仅只是以车厢内空气温度作为控制目标，忽略了与人体热舒适 相关的其他变量，因而很多时候并不能满足人体对热舒适的需求。而在舒适 控制中则直接把热舒适指标作为控制目标，从单纯的控制车厢内空气温度转 变到一种能衡量热环境对人体综合作用效果的热舒适指标的控制上来，使空 调系统的控制随着人体舒适感的变化而变化，实现一种真正意义上的“舒适” 空调。 采用舒适控制不仅能满足人体的舒适感，而且还能满足系统节能的需要。 由于在热舒适指标中包含了四个环境变量以及两个与人体有关的变量，而当 每个变量发生变化时对系统的能耗的影响也各不相同，因此可以调节各变量 的组合，使空调系统的能耗最小“。 舒适控制与传统列车空调控制方式相比，其最大的优点在于舒适性与节 能性的和谐统一。图1 - 1 是传统的列车空调系统控制方法与p m v 舒适控制的 比较。从图中可以看出，传统的列车空调系统控制之所以不能满足人体热舒 适的要求，在于仅仅只是对空气的温度进行控制，丽忽略了其他因素的影响， 一旦湿度，风速，辐射或衣着发生变化而空气状态不变时，系统不会产生相 应的动作来满足人体热舒适的要求。而p m v 舒适控制立足于人体的舒适感， 话南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 随着人体舒适感的变化，空调系统产生相应的动作来满足人体对热舒适的要 求。而且舒适控制比传统控制方式具有更大的节能潜力。在保持人体舒适感 的前提下，即保持p m v 值在允许的舒适范围内，我们可以选择不同的室内 环境参数的组合使得空调系统的能耗最小。文献“1 指出：在加热工况下，室 内温度每降低1 可节能5 1 0 ；在冷却工况下，每升高1 ，可节能 1 0 2 0 。由此可以看出，在列车空调系统中实现舒适控制，对满足人体舒 适感和系统节能具有重要意义。 ( a ) 传统列车空调控制( b ) 基于p m v 的列车空调控制 图1 - 1传统列车空调控制和基于p m v 的列车空调控制比较 1 4 铁路客车空气调节系统模糊变频控制概况 铁路变频空调系统制冷量调节是利用变频器控制压缩机电机来实现的。 温度传感器将检测到的客室温度传输给微机控制系统，当这些参数有效值高 于设定值时，微机控制器向变频器发出提高电源频率的信号，变频器将电机 转速提高后，压缩机输气量相应增加，制冷量也随之增大，使车厢内温度逐 渐下降。当温度有效值低于设定值时，微机控制器发出降低电源频率的信号， 压缩机转速下降，其输气量也相应减少，制冷量也随之减少，使车厢内温度 逐渐回升。 铁路客车空气调节系统采用变频调速技术可实现制冷量的无级调节，降 低系统耗电，提高车内舒适度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 对于空调系统这样一个大惯性，大滞后的非线性系统，采用模糊控制比 采用传统的p i d 控制更加有效。模糊变频控制为空调器带来的主要优点是： 1 ) 减少了空调器的能耗。由于压缩机大部分时间处于连续低速的工作状 态，减少了空调器起停时的能量损失；空调器的运行与负荷相匹配，因而提 高了空调器工作的能效比；另外，所用的压缩机电机的效率在较宽转速范围 内基本保持不变，也可降低空调器的能耗。 2 ) 提高了空调器的寿命。采用模糊控制后，空调器长期处于小功率运转 状态，功率管、压缩机的富余功率大，磨损小，线圈温升小。 3 ) 减少了空调器对电网的冲击。采用模糊控制后，压缩机电机采用低频 软启动方式，启动电流小，对电网的冲击小，也使得压缩机对电源电压及频 率的敏感度降低。 4 ) 提高了空调器的适用范围。采用模糊控制后，空调器的制冷( 热) 量 有较大的变化范围，可以适用于多种工况。 5 ) 增强了环境的舒适度。空调器的功率连续可调，因此达到设定温度快， 且温度波动小，运转噪音低。 1 5 论文研究目标、研究内容 本论文研究的目标是在分析铁路客车空调控制系统存在的问题的基础 上，将舒适度控制用于列车空调控制系统中，提高列车车厢的热舒适度，同 时将模糊控制和变频控制用于列车空调控制中，在提高舒适度的同时也节约 了能量。 本文研究内容包括以下几个方面： 通过对热舒适度理论的研究，并根据客车空调的具体情况得出满足舒适 度的车厢温度值，湿度值，以及新风量的值，分别设计温度控制器，湿度控 制器和新风控制器，再分别对这几个值控制，并通过仿真验证以上的理论分 析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章舒适控制的理论基础 我们将影响人体冷热感的各种因素所构成的环境称为热环境。而热舒适 指标则是对热环境的研究成果。因此，对热舒适环境及热舒适指标的研究是 实现空调系统热舒适控制的理论基础。 2 1 人的热舒适感和热舒适环境 a s h r a e 提出的热舒适感定义是：对热环境具有一种满足的心理状态， 令人满意的热感觉是一种自我感觉状态，它表现为对周围环境温度的满意感。 通常人们都认为，只要空气温度合适，人体就会觉得舒适。但实际上， 人体要感觉舒适，表示的是一种意识行为或心理活动的状态，而这种状态是 由许多因素综合作用的结果，室内微气候学和人体工程学的研究成果指出， 处于稳定状态下，大多数人的冷热感觉由六个因素决定：空气温度、空气湿 度、空气流速、平均辐射温度以及人的活动量和衣着量。平均辐射温度可用 房间四周的平均表面温度代替，人的活动量常用人体的新陈代谢率和机械功 来表示，而人的衣着保温程度则用服装热阻值和裸体人与穿衣入的表面积比 来作为指标。因此要创造一个让人体感到舒适的热环境，需要包括空调技术、 气象学、心理学、生理学、卫生学及医学等在内的各方面专家的共同研究。 而在暖通空调技术中，主要是研究热环境变量对人体舒适感的影响，通过技 术手段调节室内的微热气候，从而创造出使人感到满意的热舒适环境。 2 2 热舒适指标 2 2 1 常用的热舒适指标 热舒适性是旅客对车厢内热环境满意程度的一项重要指标，但是要对热 舒适感定量描述是很困难的，因为感觉很难被直接测量。早在2 0 世纪初，人 们就开始了舒适感研究，这些年来，已经提出了很多热舒适指标：卡他冷却 能力，拟人器和当量温度“，有效温度( e t ) “1 以及f a n g e r 提出的舒适方 程。 1 卡他冷却能力“1 最早的指标是由大温包温度计的热损失量为基础。卡他温度计使用是将 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 温度计加热到酒精柱高于3 8 。c 这一刻度，然后将其挂于流动空气中，测量酒 精柱从3 8 。c 下降到3 5 所需的时间。根据这一时间和每一温度计配有的校正 系数，即可计算环境的“冷却能力”。它综合了平均辐射温度，空气温度，空 气流速的影响，但没有考虑湿度的影响。 2 当量温度“3 所谓当量温度就是一个均匀封闭体的温度。在该封闭体中，一个高为 5 5 0 m m ，直径为1 9 0 m m 的黑色圆柱体的散热量与其在实际环境中的散热量相 等。圆柱体表面维持的温度是圆柱体所散发的热量的精确函数，并且这一温 度在任何均匀空间内都比3 7 c 要低一个数值，这个数值是3 7 8 。c 和封闭空间 温度之差的2 3 。当量温度未给出能根据基本环境变量进行计算的分析表达 式，因此限制了它的应用。 3 有效温度( e t ) ”1 在早期空调工程中，人们想知道湿度对舒适度的影响的可靠资料。有效 温度这一指标是一个将干球温度，湿度，空气流速对人体温暖感或冷感的影 响综合成一个单一数值的指标。它在数值上等于产生相同感觉的静止饱和空 气的温度。有效温度曾为许多官方和专业团体所采用，特别是用在热环境规 范中，但是有效温度在低温时过分强调了湿度的影响，而在高温是又忽视了 湿度的影响，进而发展了新有效温度。 4 新有效温度( e t * ) ”3 所谓e t ，就是相对湿度为5 0 的假象封闭环境中相同作用的温度。该 指标同时考虑了辐射，对流和蒸发三种因素的影响，因而使用的比较广泛。 2 2 2 f a n g e r 预期平均评价 1 舒适条件 丹麦的f a n g e r 提出了一个综合舒适指标，即能够确定人体舒适状态的物 理参数是与人体有关，而不是仅仅与环境有关，其中和感觉相关的因素有： 室内空气的相对湿度；人体附近的气流速度；周围物体表面的平均辐射温度；人 体的新陈代谢率及人体的服装热阻。人体在新陈代谢中产生热量，人体的散 热主要以对流，辐射，热传导和蒸发等方式进行。人体的散热和体内新陈代 谢产热相平衡时，人体的热感觉良好，此时人体的体温恒定。若两者不相平 衡，则人就会觉得不舒服。f a n g e r 制定了三个舒适条件，第一个条件是人体 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 必须处于热平衡状态，以便使人体对环境的散热量等于人体体内产生的热量， 第二个条件是皮肤平均温度应具有与舒适相适应的水平，第三个条件是人体 应具有最佳的排汗率，排汗率也是新陈代谢的函数。随后，f a n g e r 给出了热 甲衡方程中每一个变最的表达式。将热平衡方程与其他两个舒适条件组合起 来就得到了著名的舒适方程。 2 ，预期平均评价( p m v ) 当一组环境变量满足舒适方程时就将产生最佳的舒适感。如果该方程未 得到满足，则该环境就不是最佳的，但是方程并未给出任何说明所处的环境 是如何不舒适的方法。p m v ( p r e d i c t e d m e a nv o t e 预期平均评价) 是 i s o 一7 7 3 0 标准中用来描述和评价室内热环境的一种标准，是f 0 f a n g e r 教授 对1 3 9 6 名美国和丹麦的受试对象进行实验，收集他们的冷热感觉资料后提出 的。p m v 作为表征人体对热环境舒适性感觉的评价指标，它与人体因素( 活 动量和着衣量) 和室内环境因素( 气流速度，平均辐射温度，室内湿度) 均 有关。”。目前p m v 已经广泛的应用于室内空调的舒适性定义中。舒适度性 的6 要素与p m v 的关系如图2 1 所示。 图2 - 1 舒适度的6 要素和p m v 的关系图 在稳定的环境下，f a n g e r 教授提出了p m v - p p d ( p p d ：p r e d i c t e d p e r c e n t a g eo fd i s s a t i s f i e d ：预期不满意百分率) 的评价方法，该方法以下列人 体热平衡原理为基础： 人体能量代谢率人体所做机械功- 汗液蒸发失热一人体衣服外表面与环境 辐射换热和对流换热= 人体蓄热率 在稳定的环境下，f o f a n g e r 教授依据人体热平衡原理提出p m v 理论计 算公式如下： p m v 2 o 3 0 3 e x p ( 一0 ，0 3 6 m ) + 0 0 2 8 x m w 一3 0 5 1 0 5 7 3 3 6 9 9 ( m w ) 一p 。 一0 4 2 ( m - w ) 一5 8 ，1 5 1 一1 7 i 0 5 m ( 5 8 6 7 一p 。) 一0 0 0 1 4m ( 3 4 一t 。) 一3 9 6 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 1 0 一f 。，( e t ：) jf d ( t 。，一t 。) ) ( 2 1 ) m ：人体能量代谢率( 取决于活动量大d , ) ( m e t 或w m2 ) ，1 m e t = 5 8w m 2 ； w ：人体所做的机械功，静坐时为0w m 2 ； p 。：人体周围空气的水蒸气压力( 与空气的相对湿度有关) ( p a ) ； t 。：人体周围空气的温度( k ) ； f 。：穿衣服人体外表面积与其裸身表面积之比，称为穿衣面积系数； 。，l ，o o + l ，2 9 0 m dm d so 0 7 8 。1 , 0 0 十0 6 4 5 m 。】m 。l 0 0 7 8 m 。：衣服热绝缘系数( 由人的衣着量决定) ( m2 列m ) ，衣服热绝缘系 数的单位常用c o l 表示，l c o l = 0 1 5 5 ( m2 k m ) ，内穿衬衣和外套普通衣服 其热绝缘系数为l c o l ； t ，：衣服外表面温度( k ) ； t c = 3 5 7 0 0 2 款m 一聊一m 。l 3 9 6 l 旷8 f c l ( t c 】4 一t r 4 ) + f c lk h 。( t 。t a ) ( 2 2 ) h ，：表面传热系数； z 3 8 ( 瓦1 一瓦) ”z 3 8 ( l 1 一瓦严 1 2 1 v 。阻q、h c = 。 1 2 1 i2 3 8 ( t 一疋) ”s ，模糊子集 n b ，n m ，n s ，z e ，- p s ，p m ，p b 输入的隶属函数采用三角形函数和梯形隶属度函数相结合。 隶属度函数如图3 - 8 所示。 图3 - 8 误差变化隶属度函数 3 3 7 输出变量压缩机电源频率的模糊化 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 7 页 图3 - 9 输出频率隶属度函数 输出( 逆变电源频率) 基本论域 5 h z ，5 0 h z ，量化论域 - 3 ，一2 ，- 1 ，0 ，1 ， 2 ，3 ，模糊子集 n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b ，输入的隶属函 数采用三角形函数和梯形隶属度函数相结合。如图3 - 9 所示。 3 3 8 模糊控制规则 模糊控制规则实质上是将操作员的控制经验加以总结而得出一条条模糊 条件语句的集合。确定模糊控制规则的原则是必须保证控制器的输出能够使 系统输出的动静态特性达到最佳。根据经验得出状态作用表。 模糊控制表的输入和输出分别是温度误差和温度误差变化，输出为控制 电机的变频器的输出频率。 控制规则如表3 1 所示。 表3 1 模糊控制状态作用表 l en bn mn sz ep sp mp b f e c变频器输出频率 【n bn bn bn bn bz ez ez e n mn bn bn m n mp s p sp s n sn bn mn mn sp sp sp s z en mn mn sz ez ep sp s p sn mn mn sp sp sp sp m p mn mn mz ep mp m刚p b p bn sn sz ep mp bp bp b 3 4 温度模糊控制模型的仿真结果 3 4 1 建立m a t l a b s 1 8 u l l n k 模糊控制仿真模块 图3 一1 0 模糊控制系统仿真模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 由表2 - 5 可知，在夏季空调列车中，乘客处于静坐状态，这里假设车厢内 空气流速为02 m s ，m 。= o0 8m 。k w , 设定辐射温度为3 3 。c 。可以知道 p m v 接近0 的温度为2 4 ，2 5 ，2 6 。所以温度设定为这3 个温度值。 客室温度模型参瓠：节，传递函弛广罴= 裟= 丽1 0 5 ，纯 滞后时间取3 0s ，用p i d 控制和模糊控制做对比。 图3 1 1p i d 控制系统仿真模型 p i d 控制的系统仿真模型如图3 一l l 所示。 3 4 2 模糊控制和p i d 控制仿真结果比较 图3 1 2 和3 - 1 3 是模糊控制和p i d 控制的控制效果比较图，设定温度为 2 6 0 | c ，假设初始温度为4 0 。c ，图3 - 1 2 是模糊控制仿真结果图。图3 1 3 是p i d 控制仿真结果图，从图中可以看出，和p i d 控制相比较，模n 控n n n 4 , ，进 入稳态时间短，但是存在稳态误差。 f | 、厂 u 图3 1 2 模糊控制仿真结果图图3 1 3p i d 控制仿真结果图 图3 一1 4 是模糊控制进入稳态时，系统控制效果的放大图，图中可以看出 模糊控制在稳态时，仍然有一定的波动，并且有0 2 左右稳态误差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 y 凡7 ”n 7 、r 7 寸 t “、“p ，“ v 图3 一1 4 模糊控制稳态效果放大图 如果在系统进入稳态以后，需要调整温度设定，图3 - 1 5 和图3 1 6 分别是 在2 0 0 0 s ，系统温度设定增加1 的模糊控制和p i d 控制的控制仿真结果图。 | t 咖口h 蜊0 图3 - 1 5i 阶跃模糊控制仿真图 r j 。， 一 u 图3 1 61 阶跃p i d 控制仿真图 j j i f- - x 1 i 图3 - 1 7 模糊控制放大效果图图3 - 1 8 p i d 控制放大效果图 从图3 - 1 5 ，3 - 1 6 中可以看出，在2 0 0 0 s 加入i 的阶跃信号，模糊控制和 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 0 页 p i d 控制相比较，响应快，超调量小，进入稳态时间短，不足之处仍然存在 o 1 的稳态误差，而p i d 控制稳态误差很小。 图3 一1 7 和图3 1 8 是从2 0 0 0 s 开始的系统控制效果比较图，从图中可以更 加明显的看出，模糊控制仍然比p i d 控制超调小，快速进入稳态，但是有0 1 稳态误差。 综上，对于列车空调温度控制系统这种具有较大滞后性，非线性，时变 性的控制对象，采用模糊控制器，能发挥模糊控制鲁棒性强，动态响应好， 上升时间快，超调小的特点。可以使客室内的温度场波动小，使旅客具有更 好的热舒适感。 3 5 温度信号采集电路 由于车厢是一个长2 5 m 的狭长型空间，对该空间温度测量将采集到的多 点温度进行平均，在该系统中采集4 点的温度信号，由于该空间比较大，采 用模拟温度传感器，对信号有一定的衰减，本文选用数字温度传感器 d s l 8 8 2 0 。 3 5 1d s l8 8 2 0 简介 该传感器是d a l l a s 公司生产的一线式数字温度传感器，具有3 引脚t o - - 9 2 小体积封装形式：温度测量范围为一5 5 + 1 2 5 。c ，可编程为9 位1 2 位a d 转换精度，测温分辨率可达0 0 5 2 5 。c ，被测温度用符号扩展的1 6 位 数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式 产生；多个d s l 8 8 2 0 可以并联到3 根或2 根线上，c p u 只需一根端口线就能 与诸多d s l 8 8 2 0 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑 电路。以上特点使b s l 8 8 2 0 非常适用于远距离多点温度检测系统。 d s l 8 1 3 2 0 的管脚排列如图3 1 9 所示： n c n c v d d d q l8 27 36 45 n c n c n c g n 图3 1 9d s l 8 8 2 0 封装图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 d s l 8 8 2 0 内部结构如图3 2 0 所示： d q 为数字信号输入输出端；g n d 为电源地；v d d 为外接供电电源输入端。 d s l 8 8 2 0 有如下几个主要的数据部件： 1 ) 6 4 位激光r o m 。6 4 位激光r o m 从高位到低位依次为8 位c r c 、4 8 位序 列号和8 位家族代码( 2 8 h ) 组成。r o m 中的6 4 位序列号是出厂前被光刻好的， 它可以看作是该d s l 8 8 2 0 的地址序列码，每个d s l 8 8 2 0 的6 4 位序列号均不相 同。r o m 的作用是使每一个d s l 8 8 2 0 都各不相同，这样就可以实现一根总线 上挂按多个d s 8 8 2 0 的目的。 图3 2 0d s l 8 8 2 0 内部结构图 2 ) 温度灵敏元件。 3 ) 非易失性温度报警触发器t h 和t l 。可通过软件写入用户报警上下限 值。 图3 - 2 1d s l 8 8 2 0 配置寄存器结构图 4 ) 配置寄存器。配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。d s l 8 8 2 0 在工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值，其各位定义 如图3 2 1 所示。其中，t m ：测试模式标志位，出厂时被写入0 ，不能改变； r o 、r l ：温度计分辨率设置位，其对应四种分辨率如表一所列，出厂时r o 、 r 1 置为缺省值：r o = i ，r i = i ( 即1 2 位分辨率) ，用户可根据需要改写配置寄 存器以获得合适的分辨率。配置寄存器与分辨率关系如表3 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 2 页 表3 2 配置寄存器与分辨率关系表 r 0 r 1温度分辨率b i t o0 9 o1 l o 101 1 111 2 5 ) 高速暂存存储器 高速暂存存储嚣由9 个字节组成，当温度转换命令发布后，经转换所得 的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0 和第1 个字节。单 片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如 所示。对应的温度计算：当符号位s = 0 时，直接将二进制位转换为十进制； 当s = l 时，先将补码变为原码，再计算十进制值。 m s b l s b m s b l s b 图3 2 2d s l 8 8 2 0 存储器映像图 3 5 2d s l 8 8 2 0 和单片机的接口 d s l 8 8 2 0 和m c s - - 5 1 系列单片机典型连接有两种方式：寄生电源方式，其 v d d 和g n d 端均接地，外接电源方式，v d d 端采用3 v 一5 5 v 电源供电。 本系统采用外接电源方式供电，图3 2 3 是d s l 8 8 2 0 和5 1 的典型连接图a + 3 v n + 5 5 vl d s l 8 8 2 0 lld s l 8 8 2 0 i 审。，kl 工_ 也接电源l 善_ 二兰外接电源 p 3 0 ii oly o l+ 3 v 到+ 5 5 v i p 3 1 图3 2 3d s l 8 8 2 0 和单片机的典型连接图 无论是单点还是多点温度检测，在系统安装及工作之前，应将主机逐个 与d s l 8 2 0 挂接，读出其序列号。在系统一开始工作时，读出所有d s l 8 8 2 0 西南窒望盔兰堕主堕塞兰兰堡堡塞 笙翌墨一 百鬲玉r j 甄手i 磊二鬲磊磊磊磊i i 孬而丽号相同，若相同，就可以启动 的序号，看是否和一开始存储在计算机中的厣号相同，看相同，就刚h 眉明 所有d s l 8 8 2 0 进行温度转换了。转换时间最慢需要9 6 0 u s ，等待l s 以后就可 以从d s l 8 8 2 0 的各个寄存器中读取转换后的温度值了a 发m a t c hr o m 信号， 只对某一个d s l 8 8 2 0 操作，具体读出某一个d s l 8 8 2 0 转换后的温度值。软件 流程如图3 2 4 所示：叮始 初女自t 七d s l 8 8 2 0 读在线d s l 8 8 2 0 r c ：y t l n 在一个建 弋相同d s l 8 8 2 0 序列号 = 二二3x 初始化d s l 8 8 2 0 。_ 。- _ 。_ - _ 。 。_ 。_ _ 。一 ! 启动所有在线 d s l 8 8 2 0 等待转换完毕( 1 s ) 初始化d s l 8 8 2 0 发m a t c h r o m 命令 发一个d s l 8 8 2 0 序列号 读温度寄存器 y 嚣二j f 0 温度寄存 i 器读完省 图3 - - 2 4d s l 8 8 2 0 总体软件流程图 主机启动温度变换并读取温度值的详细流程图3 2 5 所示 图3 2 5 读取d s l 8 8 2 0 转换温度值流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 4 页 3 6 温度控制的实现 根据第二章对车厢内热湿环境的分析结果，得出了夏季空调客车在不同 温湿度下，车厢内的p m v 值，如表2 5 所示。在对车厢温湿度实际控制中， 首先读湿度传感器的值。得到当前车厢内的湿度，根据表2 5 得到在这个湿 度下，最令人感到舒适的温度值，把该温度值作为控制给定，控制变频器的 输出电压和频率，从而控制压缩机的的转速，控制制冷量。 温度控制的软件流程图如图3 2 6 所示： 开始 读取此时温度和湿度 查舒适度表得出该湿 度条件下舒适的温度 值作为控制给定值 求此时的 误差及误差变化 查模糊控制表得到送 入d a 的值 启动d a 输出控制电压 给变频器 图3 2 6 温度控制的软件流程图 图3 2 7d a 和单片机的接口图 电机控制方式采用简单的v f 控制，这种控制方式比较适合风机，水泵类 负载。，而且这种控制方法比较筒单，其中控制变频器的控制电压由单片机 和d a 0 8 3 2 构成，9 8 3 2 以单缓冲方式和单片机连接，其连接方式如图3 - 2 7 所示3 。 对于输入的温度信号，要经过模糊运算得到对应的输出控制变频器的电 压值，温度信号的模糊运算如下： 前面给出的隶属度函数是连续值的隶属度函数，要求出输入的误差 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 表3 3温度误差模糊集的隶属度函数 状态变量n bm mn sz ep sp mp b 温度误差误差模糊集的隶属度函数 - 2 1 1 7 5o 50 1 1 5o 2 5o 2 5 1 2 5o 6 1o 9o 2 一o 7 5o 50 6 0 5 o 1o 8 0 2 5 0 4o 4 o1 0 2 50 5 0 1 0 5 o 1o 6 o 7 5 o 6 l o 5 1 2 5 o 60 4 1 5 0 8 1 7 5 1 2 l 的隶属度是比较麻烦的，在单片机控制系统中，先将输入的误差变量离散化， 预先计算出这些离散的变量对应的隶属度的值，这样查表就可以算出对应的 隶属度值，而不需要经过复杂的计算。这样会根据式子( 3 - 1 ) 以及隶属度函 数得到得到离散模糊集的隶属度函数，如表3 - 3 所示，所有表格中空格都是 为零。以下各表中空格都是零。 同样，温度误差变化的隶属度函数在前面仿真中也是连续的函数，在求 取隶属度的时候需要大量的计算，为了简化计算仍然采用查表的方法，将温 度误差变化量的隶属度函数离散化，存在表中，这样可以减小运算量。可以 得到温度误差变化模糊集的隶属度函数，如表3 - 4 所示。 西南交通大学硕士研