基于PMV指標的機車司機室空調節能控制器研究

摘 要:針對當前機車司機室空調節能的需要，設計并實現了一種基于熱舒適度指標(PMV)的機車司機室空調節能控制器。通過對熱舒適控制中的變量進行分析，采用智能控制策略，以環境空氣溫度為受控參數，通過開關空調機來實現以人體舒適感為導向的節能控制。

關鍵詞:PMV指標 機車空調 智能控制 節能

中圖分類號:TU71文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0078-02

1 引言

隨著我國鐵路的發展，機車速度越來越快，機車內部的環境也得到了提升，如果給旅客和列車工作人員提供一個更加舒適的乘車、工作環境是鐵路發展的必然趨勢。車載空調是改善機車內部環境的重要設備，由于機車空間和電氣環境的限制，如何在不提高車載空調功率的前提下改善其控制策略、降低能耗是許多學者研究的重點。

我國鐵路空調客車普遍采用車頂單元式空調機組，不僅能滿足夏、冬兩季的制冷與供熱要求，而且能為旅客提供較舒適的乘車環境。但與世界上一些較先進國家相比，我國鐵路客車空調的在技術方面仍然存在著一定的問題，需要進行優化和改進，以提高客車空調效率。目前，國內機車空調機主要采用手動控制方式，往往需要司機在體感冷熱交替中頻繁手動開關機。機車司機室是整列機車的控制中心，從交通安全的角度來看，司機室更需要智能化、人性化的環境溫度，為機車司機營造一個舒適的行車環境。因而，對司機室空調進行智能化、人性化節能裝置的研究具有重大實踐意義。

目前，國內對機車空調節能研究主要表現在兩個方面:有效減少列車空調的冷負荷和合理控制新風量。減少冷負荷體現在保溫材料、保溫措施的應用，但會涉及車廂改造，經濟投入比較大。新風量的控制主要僅僅考慮降低空調裝置的負荷，并沒有考慮乘客和司機的舒適度。因此，如何以人舒適度為導向來研究、設計機車車載空調是必然趨勢[1]。

2 熱舒適度及PMV指標

熱舒適是指人對周圍熱環境所做的主觀滿意度評價(ISO7730)。由于人的個體差異， 一種100%滿足所有人舒適要求的熱環境是不可能存在的。經驗證，熱舒適的范圍是:冬天溫度為18～25℃，相對濕度30%～80%，夏季溫度23～28℃，相對濕度30%～60%(風速控制在0.1～0.7m/s)。在裝有空調的室內，溫度為19～24℃，相對濕度40%～50%最舒適。但如考慮溫度對人思維活動的影響，最適宜的溫度是18℃，相對濕度40%～90%，在這種室內小氣候的環境下，人的精神狀態好，工作效率也高。因此，任何室內氣候必須盡可能地滿足大部分人群的舒適要求。

丹麥學者Fanger以人體熱平衡方程為出發點，在全面深入地研究人和環境之間進行熱交換的基礎上提出了PMV指標(Predicted Mean Vote，預測平均投票值)，它綜合考慮了人體活動程度、服裝熱阻(衣著情況)、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流動速度和空氣相對濕度等6個因素，以滿足人體熱平衡方程為條件，通過主觀感覺試驗確定出的絕大多數人的冷暖感覺等級[2]。該指標用于評價人對周圍熱環境的熱舒適度(或熱不舒適度)得到了ISO7730的認可，至今被廣泛使用的熱舒適評價。

智能機車空調的控制策略能根據乘客及列車工作人員人體熱舒適性要求，將人們的乘車、工作環境調節到人體舒適區。基于恒溫控制方法是目前被廣泛采用的控制方法，這種控制方法的優點是控制簡單，容易實現，但當其他因素對人體舒適性產生影響時，這種控制方法往往既達不到人體舒適性的要求又不利于節能。濕度獨立控制是目前舒適性控制的一個有效方法，可以通過降低環境空氣的濕度，提高空調的冷水溫度，以達到節能目的，在一些濕度比較大的地區如華南地區，采用控制濕度的方法可能會產生明顯的經濟效益，具有一定的地域局限性。基于PMV控制方法將人們理想的舒適性作為控制目標，當外界幾個條件同時改變時，控制系統能夠通過控制一個或幾個控制參數，實現人體舒適性。

3 控制器工作原理

如上文所述，PMV指標包含4個環境變量及2個與人體有關的變量，分別是空氣溫度、空氣相對濕度、風速、平均輻射溫度、人體活動程度以及服裝熱阻，PMV值與熱舒適度標尺如下表1所示，PMV值為0時人舒適度最優，因此控制器應將PMV值維持在0上下。參考文獻[2]，在列車內，由于平均輻射溫度與空氣溫度差別較，平均輻射溫度與空氣溫度差別較大、風速的調節受到限制等特點，以空氣溫度作為直接被控參數的間接PMV控制可以實現熱舒適指標控制[3]。

機車空調節能控制器通過溫度采集司機室內當前溫度值，參考簡化的PMV指標計算公式得到當前控制參數輸入，采用智能模糊控制策略對空調進行自動開關機控制，達到提高司機體感舒適度和節能目的。

4 控制器的設計

4.1 硬件設計

控制器硬件結構框圖如圖1所示，選用單片機作為控制中心，通過溫度傳感器、A/D轉換得到溫度值，經CPU計算得到PMV值，同時實時采集車載空調機的運行狀態，結合PMV值進行邏輯運算得到空調控制策略，最后利用單片機I/O口驅動繼電器實現空調的開關。為了實現本地參數調節和遠程控制，控制器預留了通信模塊和人機交互模塊[4]。

主控制器采用AT89C51單片機，是整個控制器的中心，單片機通過軟件的設計完成溫度數據采集、數據分析、狀態判斷和控制執行。數據采集采用溫度系數為10K(25℃)的電阻式3950溫度探頭，簡單實用，運用帶串行控制和11路輸入端的10位模數轉換芯片TLC1543完成了A/D轉換，通過快速輪詢的方式實時采集司機室的室內溫度值，并對多次采集數據通過均值算法得到室內的最佳取樣溫度。控制執行單元主要由繼電器實現，主控芯片通過總線接入D 型觸發器74HC273，同時編碼、解碼芯片(MC145026和MC145027)有效解決了掉電時刻繼電器誤動作的問題，而MC1413擴大了對繼電器的驅動能力，有效保證了控制的穩定性。

控制器設計了友好的人機交換界面，通過LCD顯示屏和按鍵單元來進行司機室內設定溫度的輸入與查詢，并且能對控制器系統參數進行實時調整。為了實現空調系統接入車載信息平臺，控制器提供了RS485通信總線。

4.2 軟件設計

控制器的嵌入式軟件核心在PMV值計算及控制算法的實現。PMV值的計算因涉及多個參數，而且其計算過程迭代次數非常多，單片機處理能力有限，本來采用文獻[4]用室內溫度來簡化熱舒適綜合方程。為了進一步提高單片機程序的處理速度，本文根據文獻[4]簡化后方程計算得到的數據(濕度RH=60%時)進行傅里葉擬合，擬合結得到PMV與司機室內溫度的曲線方程為:

PMV=a0+a1*cos(t*w)+b1sin(t*w)

其中a0=-1.826，a1=-8.033，b1=31.17，w=0.01205，從而得到t與PMV的對應關系。

控制模塊采用典型的PID控制，具有較強的線性跟蹤性[5]。

5 結語

本文設計了一種基于熱舒適度PMV指標的機車司機室空調控制器，根據文獻[]的數據在matlab下仿真分析，溫度曲線如圖2所示，表明控制器很好地實現了溫度良好地跟蹤于控制器所設定的22度，達到了預期效果。

基于PMV的控制方法對于提高司機的舒適性和空調節能有重要意義，轉變空調控制方式對提高人民生活質量，降低空調能耗，實現我國的節能目標將起重要作用。

參考文獻

[1]吳金洪，沈亞強.基于PMV指標的列車空調模糊控制研究[J].浙江師范大學學報(自然科學版).2007(2).

[2]黃兵，楊昌智. 基于PMV指標的列車空調節能及優化的研究[C].2008鐵路暖通空調學術年會論文集，2008.

[3]鄭華美.冬季采暖時PMV的圖算和公式求解法初探[J]建筑熱能通風空調.2007 (05).

[4]章若冰.一種新型的通信機房通風節能控制器[J].科技創新導報.2010(12).

[5]郭學森，韓旭，劉永華.用室內空氣綜合溫度簡化熱舒適性方程的計算[C].中國制冷學會2009年學術年會論文集.2009.

[6] 肖玉玲.模糊PID控制在變頻空調中的應用研究[J].河南教育學院學報(自然科學版).2010(2).

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