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车空调变工况性能的仿真与实验研究

中南大学

硕士学位论文

汽车空调变工况性能的仿真与实验研究

姓名:向立平

申请学位级别:硕士

专业:制冷及低温工程

指导教师:曹小林

20060418

近几年,系统辨识技术得到了飞速发展。

系统辨识有四个方面的主要研究内容:系统辨识的试验设汁,系统模型结构辨识,系统模型参数辨识(也叫参数估计),系统模型检验。

根据问题的研究性质不同,系统辨识可分为:线性系统辨识,非线性系统辨识;静态(稳态)系统模型辨识,动态系统模型辨识,连续系统模型辨识,离散系统模型辨识。

目前,线性系统的辨识理论比较成熟,其主要方法有:最小二乘法,递推最小二乘法,广义最小二乘法,增广最小二乘法,辅助变量法,Kalman滤波法,极大似然法等。而{}线性系统的辨识还没有构成完整的科学体系,在理论上和应用上都没有线性系统那样完善,所有对非线性采统辨识进行的研究—般都是针对具体的系统。非线性系统的辨设—锻有:多项型激法,Voltena级数展开法(包括H锄Ⅱ啪画n模型,Wiener模型)

等,非线性系统的辨识方法仍然有许多理论问题没有很好她解决,有待于进—步的研究和探讨。

近年来,随着模糊集合理论和神经网络理论的发展,模糊建模方法、基于神经网络的建模方法和基于模糊神经网络的建模方法等发展十分迅速,并在具有不确定性、非线性等博性的系统的建模方面,得到了广泛的应用。

二,汽车空调系统仿真模型的类型

作为系统仿真的基本单元,部件模型和算法的研究一直是研究者研究的重点。对于汽车空调系统各部件而茧由于涉及到的输入、输出参数比较多,所以模型和算法比较复杂。对于系统仿真模型的建立,总结目前国内外的研究成果,根据模型有无时『日J相应可分为动态模型与稳态模型,根据模型参数集中程度分为集总参数法和分布参数法。

压缩机模型:通常采用集总参数法建模。根据实际工况,用经验系数确定容积效率及电效率等,再通过与实验数据对比来修正这些经验系数,可以得到一定的建模精度。

节流装置模型:汽车空调系统中的节流装置基本为热力膨胀阈和电子膨胀阀。热力膨胀阀节流装置模型百琬一{以简化为节流孔,只是进El可能为单相流或两相流。文献P随过不同商家地热力膨胀阀数据地分析,建立了通用的热力膨胀阀模型。文献叨建立详细的膨胀阀的动态数学模型。电子膨胀阀是通过步进电机等手段使阀芯产生连续位移,从而改变带怜剂流通面积的节流装置,目前大多是借鉴热力膨胀阀的研究成果,用热力膨胀阀的建摸方法对电子膨胀阀进行建模。

换热器模型:换热器模型最仞只是用集中参数法建立黑箱模型,随着仿真精度的提高,出现了分B挞模型,将冷凝器分为过热气体,两相流体和过冷液体三个区段;将蒸发器分为两相流体和过热气体两个区段。随着研究的深入,出现了更为细致的分布参数模型。常见的换热器模型可以分为:黑箱模型D0l(BlackBoxModel)、单区模型(Ot静ZomModel)、双区模型(Two-ZoneModel)和分布参数模型(Distn'butedModel)。对热交换器的非稳态建模,通常选择建模方法时总是考虑到模型的精度和复杂两方面的折衷。f然

而,对于相对适应性强的换热器来说,基本要求是模型尽可能适用于多种冷凝器管路结构布置,从而要求模型是分布参数的。而且,汽车空调冷凝器中质量迁移过程在冷凝器管路内是逐渐进行的,要正确预测制冷剂流量分布和整个冷凝器传热面积利用情况,以

及管路表面被处理空气冷却情况,建立的模型必须是分布参数的,并且能动态表述各种过程。

系统模型:汽车空调系统的仿真模型由系统的各部件模型在其必须满足的条件(质量守恒、动鼍守恒及能量守恒)下组合而成。汽车空调系统的部件模型包括压缩机、冷凝器、蒸发器和节流装置模型。自从1977年福岛敏彦等人首次提出制冷剂充注量方程,使得模型封闭后,系统仿真模型一直都采用质量方程、动量方程和能量方程作为控韦仿程对模型进行求解。

1.33仿真算法研究

要对—个实际系统进行仿真研究,仅仅完成数学模型的建立是不够的。还必须将原始系统数学模型转换成能够在计算机E运算或试验的仿真模型,这将涉及到仿真算法问题。因为实际系统的模型形式是多种多样的(状态方程、微分方程、差分方程、传递函数等),在求解时,部是通过计算机采用数值汁算的方法求数值解。因而仿真算法是系统仿真的又—个重要的基础理论。仿真算法主要有如下几个方面的问题:算法的收毁和数值稳定性,算法精度,算法速度。通常仿真算法分为传统迭代算法、有限差分算法和人工神经网络算法。

1)传统迭代算法:传统制冷空调系统的仿真都足针对简单制冷空凋系统的,—般都采用动量守恒、能量守恒和质量守恒三大方程作为控制方程,通常采用假定初值迭代求解的方法对制冷空调数学模型进行计算。

2)有限差分算法:有限差分方法已经应用于模拟仿真的各个方面,制冷系统也有采用,但主要用于换热器的建模和计算。

将系统中的换热器划分为一系列的微元段,每个微元都建立质量守恒、动量守恒、

能量守恒和两相流动界面方程或空泡系数方程,然后采用有限差分的求解算法进行仿真求解。这样的计算僦点在于可以建立任意形式的系统,但对于新建—个系统,都要重新进行微元段的划分,增加了系统建漠的工作量。对于复杂的系统,明显的收敛性和求解速度还需要进—步的研究。

3)人工神经网络算法:人工神经网络是i丘年来得到迅速发展的—个前沿课题。神经网络由于其大规模并行处理、容错性、自组织和自适应性能力强的特点,已成为解决很多问题的有力工具,对突破现有科学技术的瓶颈,更深入探索非线性等现象起到了重大作用,已广泛应用在许多工程领域。人工神经元是生物神经元特性及功能的数学抽象,神经网络通常指由大量神经元互联构成的—种计算结构,它在某种程度匕可以模拟生物神经系统的工作过程,从而具备解决实际问题的能力。神经网络优化计算就是利用神经

中南丈学硕士论文第一章前言

网络逐层神经元的协调并行计算能力来构造的优化算法,它将实际问题的优化晖与神经网络的稳定状态相对应,把对实际问题的优化过程映射为神经网络的演化过程。

1.4本文主要研究内容

本论文将主要针对汽车空调压缩机在转速、蒸发风量、冷凝风量、环境温度各参数变工况条件下对空调系统性能影响进行了仿真和试验研究。根据汽车空调系统的特点和已有的理论、实践经验,本文研究的内容有:

1.收集了国内外的相关研究论文;

2.选用压缩机的数学模型,通过模拟计算找出压缩机变工况条件下对汽车空调系统性能随转速变化的规律,为使汽车空调的压缩机在主要工作转速范围内具有较高的效率提供设计依据;

3.改进冷凝器、蒸发器仿真的数学模型及算法;

4.仿真了蒸发风量、冷凝风星和环境温度对汽车空调系统性能的影响;

5.对压缩机转速、蒸发器风量,冷凝器风量和环境温度的变工况条件下进行了性能试验研究,

6.最后,通过实验验证所建立的数学模型,对汽车空调系统性能进行理论和实验对比分析,分析得到提高汽车空调性能的措施。

中南大学硕+论文第二章汽车卒调系统数学车荽刑

第二章汽车空调系统数学模型

制冷压缩机有离心式压缩机(centrifu#comlxessor)和容积式压缩机(positivedispIace嘲ncompressor)。离心式压缩机的排气量很大,其单机制冷量一般不小于240kw,最高可达30000kW,所以离I)式压缩机适用于大型的制冷装置。常用的容积式压缩机有往复式压缩机(联jp“瑚dngpistoncompressor)和回转式压缩机(rotaeycompressor)。活塞式压缩机有开启式和封闭式(半封闭式和全封闭式)两种。开启式压缩机常用于氨制冷和制冷量较大的氟里昂压缩机。封闭式压缩机的电动机和压缩机的曲轴封闭在同一空『HJ。由于电动机在气态制冷剂中运行,不宜用于有爆炸危险的制冷剂(如氨),故封闭式活塞式压缩机民用于氟里昂制冷。全封闭式活塞式压缩机常用于电冰箱和空凋器等,常配用单相电动机功率多小于1.1kW。回转式压缩机有旋转式(rotarycompressor)、涡旋式(scrollcompressor)和螺杆式(screwcompressor)三争妒111321。2.1.1压缩机数学模型

目前对压缩机的数学模型研究,大多数足把压缩机作为单独—个装置,为其结构优化服务。在这些模型中,需要准确反映压缩机中各种参数对于压缩机性能的影响,因此模型比较复裂331叫网。但是这种模型需要大量详细的试验数据和设计信息,从系统仿真和优化角度研究压缩机模型并不是很藿要。另外由于研究者建立模型时出发点不同,某—场合下合适的模型在另—种应用场合未必是最佳的。数学模型的形式不仅取决于实际对象的性质,还取决于待解决的问题以及求解数学模型的条件。模型太简韩不足以反映问题的物理性质,使问题不能f艮好地解决,但过分复杂的数学模型又不能用于解决实际问题3目。基于以上思想,本文采用压缩机简化模型D11321。

1.实际容积输气量计算:

圪=五?圪(2-1)理论容积输气量i,t49:

I/^=60.i.24Dn,.?s?疗朋3/h

(2-2)式中,D—为缸径,nl:

S—为活塞行程,nl:

雄—为转速,rpIn;

f—为气缸数:

A—输气系数计,A=^?以?厶?^;

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