汽车空调控制系统设计毕业论文VIP

本 科 毕 业 设 计 第 1 页 共 42 页1 绪论1.1 课题背景及意义随着汽车工业的快速发展和人们对生括质量要求的不断提高，汽车的普及率大大地提高了，用户对当代汽车提出了操作简便、舒适性驾驶的要求。汽车空调作为汽车的重要功能部件之一，已成为改善乘座舒适性的重要手段。可以对车内空气的温度、湿度、清洁度、风速、通风等进行自动调节。汽车空调主要对驾乘空间的温度进行控制，个别高档轿车增加了对湿度的控制。不但可以调节汽车内的温度，并且可以随时对车内的有害性气体含量进行控制，预防中毒和有害气体对驾乘人员健康的影响。汽车行业竞争市场的手段包括对空调系统的改进。国外主要的汽车公司纷纷给自己的高档汽车装上全自动的空调系统，而国内大部分是将进口的空调系统装给自己的高档汽车，目前还没有具有自主知识产权的汽车空调自动控制器。总体来看，目前我国汽车空调系统的电子化程度较低，大多数仍采用手动控制或简单的位式控制 1。手动控制一方面会出现车内温度不容易满足乘客所需的最佳条件，不能满足舒适性和节能性的要求；另一方面容易分散驾驶员的注意力，降低行车的安全性。手动控制己成为汽车空调进一步发展的瓶颈问题。单片机技术在汽车空调控制系统领域的使用，提高了汽车的档次，同时也方便了用户的使用，增加了舒适度。汽车空调采用的大都是任务单一、响应速度较慢的普通单片机控制，在温度测量上是将温度值的模拟信号先采样再进行 AD 转换。例如新一代的环保型汽车和其它低排放车辆，由于本身动力系统远低于传统车辆，能够提给空调系统的动力极为有限。综上可见拥有一套节能高效、性能可靠的空调系统对开拓市场有着至关重要的作用 1。本课题是对全合一空气混合型的汽车空调系统进行调研的基础上，通过控制策略仿真和软硬件系统模拟试验的手段，对汽车空调智能控制方法进行研究，并设计出汽车空调全自动控制系统中的核心部分智能温控系统1.2 国内外发展状况国内汽车空调系统已发展多年,但整体设计和制造水平低于国外。80年代末90年代初，国内汽车空调才开始发展。近年来随着管理信息系统的逐渐普及，国内厂家开始尝试将适合企业发展的信息管理系统分批次的引进进来。例如引进的产品数据管理系本 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 42 页统IPMPDM的上海德尔福汽车空调系统有限公司，并且用此系统对管理产品设计信息和工艺信息进行统一的管理，形成技术先进的工程信息数据库，通过计算机网络与ERP系统的管理信息数据库进行资源共享和有效的信息交换，最终使公司CIMS的总体规划标准得以实现，并将公司带入的信息化的时代。但是，国内汽车空调发展时代晚，存在差、散、乱、的3种格局。国内汽车空调厂家的设计力量较差，技术水平落后。就国内主要几家汽车空调厂而言，仍处于仿制国外空调系统的阶段。虽然国内厂家也引进了UG，Catia等三维造型软件，但不能达到软件的最佳利用率，设计人员基本上对蒸发器、暖风机和鼓风机没有全新的认识及开发能力。我国汽车空调行业起步较晚，汽车空调主要依赖CKD组装。随着汽车工业迅速发展，市场对高性能的汽车空调需求量日趋增长。由于大多数企业技术水平不能满足生产需求，所以不少企业陆续从国外引进先进技术和成套生产设备，也有很多地方开始引进外资，在汽车空调项目上进行合作 2。随着国内汽车市场的飞速发展,要积极推进汽车空调的国产化进程,与国内各大高等学校进行合作,鼓励国内设计人员独立进行研究,以尽快掌握蒸发器、鼓风机和暖风机的全新开发技术 3。自从第一辆汽车由戴姆勒制造出以来，汽车的开发已有了110年的历史。由于当时简单的汽车设计，夏天热得汗流满面，冬天冻得手脚发木，给人们带来了诸多的不便。自从汽车加热装置和汽车空调设备研制出来后,人们就可乘坐装有空调的汽车了。在美国人们最早享受到了这些设备，比如早在上世纪30年，根据用户的要求就可以给汽车安装加热装置。而欧洲在1950年才生产出第一辆安装加热装置的汽车。这台带有电子新鲜空气送风机的加热装置是由贝洱公司作为附加装置提供的。从1963年开始，德国的卡车制造公司也在自己的货车上安装了加热装置和送风装置。1953年，美国把蒸发器安装在行李箱装，这是第一次作为空调系统进行生产，后来在仪表板内把蒸发器和通风管道结合在一起。在30多年的发展过历程中汽车空调也经历了众多改变。自从1971年加热装置和空调装置集成一体的装置（暖风器芯和蒸发器安装在同一壳体内并利用同一个温度分配管道）首次问世。1981年，第一台左右分开控制的空调出现，驾驶员和乘客均可根据自身对温度的感觉来调节气温。1986年，研制出了左右分开控制的空调装置。1994年又开发出了左右分开调控空气量的空调。如果仍然遵循温度单独调控原理，也可以把后排与前排乘客分开各自调控自己需要的温度。到现在为止，把本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 42 页第二个空调装置安装在后排，可实现所说的这种四区空调装置 4。1.3 汽车空调的特点及其控制系统的难点与建筑内的空调相比，汽车空调有着极大的区别。首先，汽车在外界是不停移动的，外界环境气候多变，车外温度变化极大，以至于车外设计参数没有一个确定值。其次，由于汽车载客量大，人体产生热量多，车内空间小，因此要求汽车空调制冷能力强，汽车乘员进入车内的同时往往会打开空调，并且要求在很短的时间内就享受到空调效果；而汽车在开启空调时车内的温度过大，这几种因素导致汽车空调有着极大的工作负荷，使车内温度能迅速满足乘客的需求。因此，汽车空调机组的工作负荷应该比建筑内的空调大的多 5。另外，汽车是高速行驶的，与外界环境接触时间长，而且车身隔热困难，门窗所占汽车比例又大，车内温度变化频繁。如果汽车长时间暴露在太阳直射下(或风雪下) ，进入车内的热负荷(或冷负荷)比一般室内的要大得多。夏天汽车在烈日下长时间的停放，一般车内温度会上升到 50以上 6。汽车所在的外界环境十分的恶劣，这些环境因素往往又会造成汽车电子装置的性能恶化，甚至不能达到规定的工作效果，出现某些故障。因此与一般的空调控制系统相比，汽车空调控制系统也有其特殊要求 7。首先，要承受住外界温度和湿度的考验。汽车外部的环境温度最高为 50，最低为-40 ，但汽车内各零部件却有着各自不同的最佳工作温度。其次，要承受振动冲击环境的要求，在不良路面上行驶时，汽车各零部件必须承受住较大的振动和冲击力。要满足电气环境要求，汽车电源波动和瞬时过电压等将形成较坏的电气环境 8。 1.4 课题的提出与研究内容随着国内汽车行业的高速发展，汽车空调越来越受到汽车制造商的重视。汽车空调作为提高汽车乘坐舒适性的一种重要手段已被广大汽车制造者及用户认可，完善的汽车空调系统可以对车内空气的温度、湿度、清洁度、风速、通风等进行自动调节，提高了乘坐舒适度，减少疲劳，为安全驾驶提供基本保证。以单片机为控制核心构成的汽车空调控制系统，其硬件简单，软件丰富，性能优良，运行调试方便且成本低。要求如下： 了解汽车空调的基本工作原理 汽车空调车内温度调节过程的分析本 科 毕 业 设 计 第 4 页 共 42 页 单片机及其它设备的选型，系统硬件设计 系统软件设计2 汽车空调系统工作原理 2.1 汽车空调系统基本工作原理汽车空调制冷工作原理：从蒸发器流出的低压、低温的制冷剂蒸汽，经压缩机压缩后，成为高压、 气体，然后进入冷凝器。在汽车空调调节器中，均采用容积式压缩机。经压缩机排出的高温制冷剂气体进入冷凝器内，与外部的冷却介质进行热交换，其自身放出热量，发生相变，最终成为液态制冷剂流出冷凝器。膨胀阀对制冷剂节流降压，在降压的同时使制冷剂降温。制冷剂在流经膨胀阀时一部分液体成为气体。膨胀阀还起到控制制冷剂流量的作用，以保持冷凝器中制冷剂压力高于蒸发器内制冷剂压力。蒸发器是输出冷量的设备。节流后的制冷剂液体流经蒸发器时，吸收车室内空气的热量，液体气化吸热，从而达到制冷的目的，获得降温的效果。制冷剂经蒸发器后已变成低温低压气态，再经压缩机压缩，进入下一个循环，实现连续制冷 9。2.2 汽车空调的总成结构整个汽车空调控制系统可以通过六个受控装置来控制，它们分别是内外循环电磁阀、鼓风机调速电路、混合风门电机、压缩机电磁阀、暖水电磁阀和风向风门电机 10。汽车空调系统总成是采用冷暖完全合一型，其风道系统如图 2.1 所示。图 2.1 全合一型汽车空调结构2 车内进风1 车外进风3 内外循环风门 4 鼓风机5 混合风门 6 制冷蒸发器9 除霜风口10 下吹风口7 暖风散热器11 前吹风口8 风向风门本 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 42 页3 车室温度模糊控制的研究汽车空调的应用随着汽车工业和微电子技术的发展已越来越受到欢迎, 以及人们对汽车空调设备和系统的性能要求也越来越高。一方面, 要求汽车空调设备和系统有卓越的技术性能和控制性能, 以满足乘客对车内环境的要求 ; 另一方面, 由于汽车空调的性能增加，自身的消耗也逐步增加, 因而汽车空调系统的节能效果也尤为重要。为了达到这两方面的要求，我们从模糊控制方面进行研究。从人脑识别和判断的特点中，发明了模糊控制, 在计算机中进行运算, 让部分自然语言能够代替算法语言直接用程序运算。经过这个程序的多次运算, 就可能达到预期的目标, 完成以前比较复杂的控制效果 11。3.1 模糊控制理论基础汽车在某些情况下（例如，石油和天然气的混合、缸内燃烧等过程）的控制中想找到准确的模型是很难的, 就算找出模型, 也应该会因模型过于复杂难以对其实施控制。在模糊控制运行过程中是不需要预先知道精确数学模型。适于模糊运算的模糊量转化成由各种仪器测量出的精确量是在模糊控制过程中产生的,将运算结果中的模糊量加以运算并转换为精确量是为了对各执行器进行具体的操作控制。模糊量和精确量之间相互转化的过程一直存在模糊控制中。例如控制车速的快与慢,客观上车速是一个确定量, 但人对车的速度判断却带有模糊性质。因此, 一定要用模糊语言确定模糊控制规则:例如： “车速略快”或“车速比较快”或 “车速很快”或“车速很慢”或“车速较慢”或“车速比略慢”或“车速适当”等,“那么”应怎么样控制。常常要分成几个等级来处理模糊控制问题, 即若干级的精确量范围由模糊量转换过来是处理相关问题的方法之一。对车速是“快”还是“慢”的问题，, 运用模糊统计的方法得出车速“高”或“低”的程度是个模糊量,它是根据不同人的感觉、经验以及不同的测试结果推理出来的。然后再求出其相对的函数和相对的函数曲线, 根据相对的函数做出的模糊数学模型来实现模糊控制 11。在控制过程中条件语句经常成组出现, 假如两个传感器信号分别由A、B表示, 某控制变量要用Y表示,则如下所示:条件1: 若A 小且B 小, 则Y 小;本 科 毕 业 设 计 第 6 页 共 42 页条件2: 若A 小且B 大, 则Y 大;条件3: 若A 大且B 很大, 则转入语句N (N 为另一控制过程)。条件4: 若A 大且B 大, 则Y 略微减小;这些条件语句组成了多套控制策略, 如图3.1所示。如果决策第一次落在目标集合S 上, 观测后第二次的决策输出落在子集G上, 而 G在S 内, 并且两个值比较接近, 则称结果相对上一次更精细,为使控制自动达到优化的目的要重复此过程。观察 1观察 2模糊化运算 1决策控制 2模糊化运算 2决策控制 1SG图3.1 模糊控制的多套控制策略示意图3.1.1 模糊控制器的分类一般说来, 模糊控制器的功能模块主要有 3 个功能:(1) 模糊推理：它由大前提、小前提和结论3部分组成。大前提也是规则库的一种，是由多个多维模糊条件语句构成的; 小前提是由一个模糊的判断句组成的事实。模糊变换推出新的模糊命题作为结论的过程以已知的规则库和输入变量为依据的，这种过程称为模糊推理。(2) 清晰化：用作控制的数字值由模糊推理后得到的模糊集转换来的过程称之为清晰化。与传统的控制相比, 模糊控制具有以下的优点:a 该系统适用于非线性、时变、滞后系统的控制，适用于不易获取精确数学模型的控制对象,。b 模糊控制是语言变量的一种控制器, 其控制规则的表达只能是语言变量, 被控对象的模糊模型由语言变量构成。系统模型用传递函数来描述的是经典控制， 用状态本 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 42 页方程来描述的是现代控制。(3) 模糊化:相应模糊语言变量值由模糊控制器输出量的确定值的转化过程称为模糊化, 相应语言变量值均由对应的确定值来定义3.2 模糊控制器的设计3.2.1 模糊控制器的结构设计与建筑内的普通空调系统相比, 汽车空调会面临车门启闭次数多、车内载客量大、车外气温和太阳辐射变化大等问题。因此, 汽车空调控制过程必须对这些因素充分考虑。汽车空调模糊控制框图如图 3.2 所示。X:温差计算模糊量运算 负荷模糊控制规则隶属度计算图 3.2 汽车空调模糊控制框图+x室温具体实现步骤如(1) 以人体舒适度为基础，根据车内反映温度，车外对气流、辐射等温度传感器以及车内的温度传感器测出的温度及湿度传感器测出的湿度, , 对车内设定的温度进行模糊修正。(2) 根据车内实测空气温度与上述修正后的设定温度进行对比, 用模糊控制规则计算出输出结果。(3) 根据车外温度和车内载客量对控制输出进行热负荷模糊修正。(4) 根据车门开闭因素, 对控制输出结果进行修正, 完成控制过程3.2.2 精确量的模糊化把物理量的精确值转换成语言变量值的过程称为精确量的模糊化。在以以前实验本 科 毕 业 设 计 第 8 页 共 42 页的经验为基础的模糊控制中，一般将模糊控制器的输入输出变量的状态划分为“正大、正中、正小、零、负小、负中、负大”七个档次来描述，分别用英文字母PL，PM，PS，0，NS，NM，NL 表示之。对于系统偏差，描述其状态时，还常把“零”分为“正零”和“负零”，分别用 P0，N0 表示之。在汽车空调智能温控系统中，温度设定值和温度测量值之差称作温度偏差。我国南北温差大，同一地方的冬夏两季温差也十分大，在一个沿海城市，它具有典型的温带海洋性气候，全年的温度将在-1030之间徘徊。按照医学研究结果表明， 241是人体感受的最佳温度。本文把 15到 28设定为规定的温度范围，20，20是定义温度偏差 e 的范围，4，4 是温度偏差变化率 ec 的范围，0%，100%为风门电机的输出量 u 的范围(0%表示最大制冷，100%表示最大采暖)。对 e，ec 和 u 的模糊状态 E，EC 和 U 的整数范围分别定义如下:E 和 EC 的范围为:-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4U 的范围为:-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5综上所述，量化因子 Ke=4/20=0.2，Kec=4/4=l，Ku=l/10=0.1。物理量的精确值转换成语言变量值的步骤如下： 5 到 10 档是语言变量的一般分法，档级数的 1.5 到 2 倍被称为整数论域。档级越少，语言变量值越粗糙，对控制质量的影响越恶劣。档级越多，语言变量越细，关系矩阵越大，占用内存比例越大。，U，E和 EC 的模糊语言定义是根据汽车空调温度控制模糊控制器来区分开的:U 的模糊集为:NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB。E 和 EC 的模糊集均为:NB，NS，ZE，PS，PB；从模糊控制过程对于语言变量值的隶属度函数形状没有紧密的联系上可以体现出隶属函数有着一种特殊性，只是与隶属度函数的范围有一定的联系，三角形或梯形的隶属函数在控制中有利于计算隶属度，是隶属函数控制过程有着紧密的关系。3.2.3 模糊控制规则的确定将 IF Ai and Bi then Ci 作为本文空调系统模糊控制规则，其中温差以 Ai 代替，模糊子集以 E 代替，模糊子集 EC 的温差变化率以 Bi 代替，风门开度增量 U 的模糊子集以 Ci 代替。总模糊控制规则表的数据是以现场实际操作经验参数特点和车厢温度变化及专家的知识理论为参考依据。如表 3.3 所示：本 科 毕 业 设 计 第 9 页 共 42 页表 3.3 模糊控制规则表NB NS 0PS PB NB NB NM NS 0 0NS NM NM 0 0 PS0 NS NS 0 PS PMPS NS O PM PB PBPB 0 PS PM PB PB模糊控制规则建立的基本步骤:当误差较大或大时，选择的控制量应该以尽快消除误差为主，而当误差较小时，选择控制量应该以注意防止超调和系统的稳定性为主。当误差较大时，误差变化正在变大，这时误差有增大的趋势，为尽快消除己有的较大误差并抑制误差变大的趋势，所以取最大的控制量，即得到最大的风门角度，使通过加热器的风量增大。3.2.4 模糊量的精确化为了使控制更加精确，精确量 u 还需由模糊量 u 转化而成，即对模糊量进行清晰化处理。求取模糊控制表也就是模糊量的精确化。把输入的所有情况都考虑到是求取模糊控制表的前提，下面以系统输入论域值为 1 的偏差 E，论域值为 2 的偏差变化率EC，为例来介绍模糊输出量 U 是怎样确定的。以偏差 E 为 1，偏差变化率 EC 为 2 时，可以推导出偏差量有: ZE(1)=0.2, PS（1）=0.4，其它模糊集的隶属度都为 0。当 PS（2）=1，相对于输入的偏差变化率可以导出其余的模糊集的隶属度为 0。在模糊状态控制表里可查得 U=PM 是以 ZEE和 PSEC为根据的，同理，以 PSE和 PSEC可查出 U=PB，有两条控制规则相对于当前输入值是有效的:IF E=ZE and EC=PS th