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摘要： 结合目前国内各轨道空调设计要求、车辆技术规格要求和轨道车辆空调的实际运营情况，针对轨道车辆空调的特点，提出了在轨道车辆空调系统设计中采用送风温度控制策略，提高车厢内温度稳定性。
关键词： 轨道车辆； 空调系统； PID控制； 送风温度；模糊控制
Abstract: combining the domestic various rail air conditioning design requirements, the technical specifications and rail vehicle air conditioning of the actual operation situation, in view of the characteristics of railway vehicle air conditioning, put forward the rail vehicle air conditioning system design with supply air temperature control strategy, improve the compartment temperature stability.
Keywords: rail vehicles; Air conditioning system; PID control; Supply air temperature; Fuzzy control
中圖分类号：TU831.3+5文献标识码：A文章编号：
引言：
目前轨道车辆空调系统通过统回风温度控制方式已无法满足车厢内舒适性指标，本文结合组轨道车辆空调的特点，就采用以模糊PID串级控制模型的送风温度为目标温度的控制策略进行的探讨。
1 送风控制策略
在普通轨道车辆空调系统里，温度控制体系一般只基目标温度与回风温度的差值，通过回差或常规的PID控制模型来实现，由于回风温度在整个温度变化过程中有着较大的滞后性，使得温度控制需要相当长的响应时间，照成车厢内温度波动较大，使旅客感觉忽冷忽热，影响了乘客区的舒适度。
1.1 模糊PID算法
模糊PID控制模型将采样时所获得的偏差及偏差变化信号来判断外界及车厢环境的变化情况，然后根据此情况来调整PID控制器的Kp，Ki，Kd的参数，从而更好的实现温度控制。
模糊PID控制的数学模型结构式如下：
其中：KP = KP0 +△p ；KP0 为比例参数的初值
Ki = KI0 +△i；KI0 为积分参数的初值
K d =KD0 +△d；KD0 为微分参数的初值
1.2 送风控制系统模型搭建
为了更加精确的控制轨道车辆车厢的温度，我们采取送风温度控制的控制策略，这需要空调系统中要有三个温度检测点，分别是新风温度，送风温度，回风温度。空调系统根据新风温度、送风温度、回风温度传感器检测的温度及变化计算出一个送风温度的目标值，再根据这个值来调节空调系统的送风温度。具体模型如下：
图1送风温度控制模型
由于轨道车辆车厢温度是一个延迟大，内外环境温度变化复杂的被控对象。为了更加精确的控制轨道车辆车厢的温度，我们所讨论的送风温度控制策略采用是模糊PID串级控制模型，如上模型所示，该模型是以空调系统的送风温度为副回路，以车厢温度为主回路的模糊PID串级控制模型，在空调系统工作时控制器通过外界新风温度计算出车厢的目标温度和预计送风设定温度，再由模糊PID串级控制模型的主回路的回风温度和车厢目标温度的偏差及其变化率计算出回风偏差影响值，回风偏差影响值加上预计送风设定温度计算出送风设定温度，通过副回路的送风温度与送风设定温度的偏差及其变化率来控制空调系统中压缩机的启停，使送风温度达到理想的送风温度设定值，从保持车厢温度的稳定。
2 控制函数及参数整定
2.1 车厢目标温度（Tsp）
根据UIC553标准，轨道车辆车厢的额定温度并不是一成不变的，而是随着外界新风平均温度（Text）变化而变化:
输入变量：新风温度（Text）
当新风温度小于等于20 ºC时：车厢设定温度如下：
Tsp =22 ºC
当新风温度高于20 ºC小于35 ºC时，车厢设定温度公式如下：
Tsp =22+0.2(Text-20) ºC
当新风温度为35 ºC 时，客室区设定点是 25 ºC。如果新风温度高于 35 ºC，小于40 ºC房间设定温度公式如下：
Tsp =25+0.4(Text-35) ºC
当新风温度大于等于40 ºC 时，
Tsp =27 ºC
2.2 预计送风设定温度（tci_initial）
输入变量：新风温度（Text）
为达到车厢的目标温度，需要车厢的目标温度配置一个预计送风设定温度。
出风温度参照下图中红线标示的曲线进行计算，曲线由以下工作点构成：
新风温度低于-15 ºC Tci_initial ：28 ºC
新风温度：0 ºCTci_initial ：25 ºC
新风温度：20ºC Tci_initial ：17 ºC
新风温度大于：35ºC Tci_initial ：15 ºC
Tci_initial：预计送风设定温度
2.3 回风偏差影响(ir_t)
回风偏差影响是由回风温度和车厢目标温度的偏差及其变化率通过模糊PI串级控制系统的主回路计算出的结果。
由公式：
可推出：
比例项(ir_p)：
积分项(ir_i)：
回风偏差影响输出项(ir_t)：
ir_t = ir_p + ir_i
输入变量：回风温度（Tret）及车厢目标温度（Tsp）
输出变量：回风温度影响值(ir_t) （单位：摄氏度）。
可调整参数
Kp_ir= Kp_ir0 +△p (比例项参数)
Ti_ir= Ti_ir0 +△i (积分项参数)
Tir_t (采样时间)
Li_ir (积分项数值限定)
在实际运行中积分项ir_i需加一个数值限定，以防止积分项数值过大，影响系统的响应时间，因此需要引入积分项数值限制条件。
当ir_i>=Li_ir时ir_i=Li_ir；
当ir_i<=-Li_ir时ir_i=-Li_ir；
2.4 送风设定温度
送风温度设定温度通过最初的 tci initial 和 ir_t 获得：
tci = tci_initial + ir_t
极端的送风温度不仅人体会感觉不适同时对系统也将造成一定的影响，过低的送风温度将导致空调机组低压过低，系统不稳定等情况。过高的送风温度由容易引起一些橡胶部件的老化及产生异味。因此需要引入送风温度设定点限制条件。在这里选择下限10 ºC上限50 ºC的区域。
Tci < 10 ºC Tci = 10 ºC
Tci > 50 ºC Tci = 50 ºC
2.5 温度能量调节
温度能量调节采用模糊PI串级控制系统的副回路进行计算，并将计算值换算为固有的等级,来控制压缩机启停数量及旁通阀的开停。
输入变量：送风设定点温度（tci）及送风温度（timp）
可调整参数
- Kp_ref = Kp_ ref0 +△p (比例项参数)
- Ti_ref = Ti _ ref0+△i (积分项参数)
- Tref (采样时间)
- Li_ref (积分项数值限定)
公式同上：
预计比例项(Y_ref_p)
预计积分项 (Y_ref_i)
在实际运行中积分项Y_ref_i需加一个数值限定，以防止积分项数值过大，影响系统的响应时间，因此需要引入积分项数值限制条件。
3 结论：
本文讨论基于模糊PID串级控制模型的送风温度控制策略，为轨道车辆空调系统提供了一种新型有效的控制手段，且已经被采用并在高速动车空调控制系统上，经过实践在轨道车辆空调正常运行中，车厢温度控制长±1K以内，它解决了常规回风控制系统对于温度控制的滞后性，使控制系统的响应速度快，超调量小，抗干扰性强，能够提前预见空调系统所需要的冷量输出，使空调的制冷量与房间的热负荷自动匹配，使车厢温度更加平稳、均匀，增加乘客区的舒适度。
参考文献：
[1]UIC_553_2005Heating, ventilation and air conditioning客车供暖、通风和空调.
[2]张登春、于梅春 铁路客车空调车厢内部温度控制系统仿真 [J] 中国铁道科学 2005.26.（3）：88-93.
关键词： 轨道车辆； 空调系统； PID控制； 送风温度；模糊控制
Abstract: combining the domestic various rail air conditioning design requirements, the technical specifications and rail vehicle air conditioning of the actual operation situation, in view of the characteristics of railway vehicle air conditioning, put forward the rail vehicle air conditioning system design with supply air temperature control strategy, improve the compartment temperature stability.
Keywords: rail vehicles; Air conditioning system; PID control; Supply air temperature; Fuzzy control
中圖分类号：TU831.3+5文献标识码：A文章编号：
引言：
目前轨道车辆空调系统通过统回风温度控制方式已无法满足车厢内舒适性指标，本文结合组轨道车辆空调的特点，就采用以模糊PID串级控制模型的送风温度为目标温度的控制策略进行的探讨。
1 送风控制策略
在普通轨道车辆空调系统里，温度控制体系一般只基目标温度与回风温度的差值，通过回差或常规的PID控制模型来实现，由于回风温度在整个温度变化过程中有着较大的滞后性，使得温度控制需要相当长的响应时间，照成车厢内温度波动较大，使旅客感觉忽冷忽热，影响了乘客区的舒适度。
1.1 模糊PID算法
模糊PID控制模型将采样时所获得的偏差及偏差变化信号来判断外界及车厢环境的变化情况，然后根据此情况来调整PID控制器的Kp，Ki，Kd的参数，从而更好的实现温度控制。
模糊PID控制的数学模型结构式如下：
其中：KP = KP0 +△p ；KP0 为比例参数的初值
Ki = KI0 +△i；KI0 为积分参数的初值
K d =KD0 +△d；KD0 为微分参数的初值
1.2 送风控制系统模型搭建
为了更加精确的控制轨道车辆车厢的温度，我们采取送风温度控制的控制策略，这需要空调系统中要有三个温度检测点，分别是新风温度，送风温度，回风温度。空调系统根据新风温度、送风温度、回风温度传感器检测的温度及变化计算出一个送风温度的目标值，再根据这个值来调节空调系统的送风温度。具体模型如下：
图1送风温度控制模型
由于轨道车辆车厢温度是一个延迟大，内外环境温度变化复杂的被控对象。为了更加精确的控制轨道车辆车厢的温度，我们所讨论的送风温度控制策略采用是模糊PID串级控制模型，如上模型所示，该模型是以空调系统的送风温度为副回路，以车厢温度为主回路的模糊PID串级控制模型，在空调系统工作时控制器通过外界新风温度计算出车厢的目标温度和预计送风设定温度，再由模糊PID串级控制模型的主回路的回风温度和车厢目标温度的偏差及其变化率计算出回风偏差影响值，回风偏差影响值加上预计送风设定温度计算出送风设定温度，通过副回路的送风温度与送风设定温度的偏差及其变化率来控制空调系统中压缩机的启停，使送风温度达到理想的送风温度设定值，从保持车厢温度的稳定。
2 控制函数及参数整定
2.1 车厢目标温度（Tsp）
根据UIC553标准，轨道车辆车厢的额定温度并不是一成不变的，而是随着外界新风平均温度（Text）变化而变化:
输入变量：新风温度（Text）
当新风温度小于等于20 ºC时：车厢设定温度如下：
Tsp =22 ºC
当新风温度高于20 ºC小于35 ºC时，车厢设定温度公式如下：
Tsp =22+0.2(Text-20) ºC
当新风温度为35 ºC 时，客室区设定点是 25 ºC。如果新风温度高于 35 ºC，小于40 ºC房间设定温度公式如下：
Tsp =25+0.4(Text-35) ºC
当新风温度大于等于40 ºC 时，
Tsp =27 ºC
2.2 预计送风设定温度（tci_initial）
输入变量：新风温度（Text）
为达到车厢的目标温度，需要车厢的目标温度配置一个预计送风设定温度。
出风温度参照下图中红线标示的曲线进行计算，曲线由以下工作点构成：
新风温度低于-15 ºC Tci_initial ：28 ºC
新风温度：0 ºCTci_initial ：25 ºC
新风温度：20ºC Tci_initial ：17 ºC
新风温度大于：35ºC Tci_initial ：15 ºC
Tci_initial：预计送风设定温度
2.3 回风偏差影响(ir_t)
回风偏差影响是由回风温度和车厢目标温度的偏差及其变化率通过模糊PI串级控制系统的主回路计算出的结果。
由公式：
可推出：
比例项(ir_p)：
积分项(ir_i)：
回风偏差影响输出项(ir_t)：
ir_t = ir_p + ir_i
输入变量：回风温度（Tret）及车厢目标温度（Tsp）
输出变量：回风温度影响值(ir_t) （单位：摄氏度）。
可调整参数
Kp_ir= Kp_ir0 +△p (比例项参数)
Ti_ir= Ti_ir0 +△i (积分项参数)
Tir_t (采样时间)
Li_ir (积分项数值限定)
在实际运行中积分项ir_i需加一个数值限定，以防止积分项数值过大，影响系统的响应时间，因此需要引入积分项数值限制条件。
当ir_i>=Li_ir时ir_i=Li_ir；
当ir_i<=-Li_ir时ir_i=-Li_ir；
2.4 送风设定温度
送风温度设定温度通过最初的 tci initial 和 ir_t 获得：
tci = tci_initial + ir_t
极端的送风温度不仅人体会感觉不适同时对系统也将造成一定的影响，过低的送风温度将导致空调机组低压过低，系统不稳定等情况。过高的送风温度由容易引起一些橡胶部件的老化及产生异味。因此需要引入送风温度设定点限制条件。在这里选择下限10 ºC上限50 ºC的区域。
Tci < 10 ºC Tci = 10 ºC
Tci > 50 ºC Tci = 50 ºC
2.5 温度能量调节
温度能量调节采用模糊PI串级控制系统的副回路进行计算，并将计算值换算为固有的等级,来控制压缩机启停数量及旁通阀的开停。
输入变量：送风设定点温度（tci）及送风温度（timp）
可调整参数
- Kp_ref = Kp_ ref0 +△p (比例项参数)
- Ti_ref = Ti _ ref0+△i (积分项参数)
- Tref (采样时间)
- Li_ref (积分项数值限定)
公式同上：
预计比例项(Y_ref_p)
预计积分项 (Y_ref_i)
在实际运行中积分项Y_ref_i需加一个数值限定，以防止积分项数值过大，影响系统的响应时间，因此需要引入积分项数值限制条件。
3 结论：
本文讨论基于模糊PID串级控制模型的送风温度控制策略，为轨道车辆空调系统提供了一种新型有效的控制手段，且已经被采用并在高速动车空调控制系统上，经过实践在轨道车辆空调正常运行中，车厢温度控制长±1K以内，它解决了常规回风控制系统对于温度控制的滞后性，使控制系统的响应速度快，超调量小，抗干扰性强，能够提前预见空调系统所需要的冷量输出，使空调的制冷量与房间的热负荷自动匹配，使车厢温度更加平稳、均匀，增加乘客区的舒适度。
参考文献：
[1]UIC_553_2005Heating, ventilation and air conditioning客车供暖、通风和空调.
[2]张登春、于梅春 铁路客车空调车厢内部温度控制系统仿真 [J] 中国铁道科学 2005.26.（3）：88-93.