硕士学位论文-基于AVR单片机的汽车空调控制系统设计.pdf

安徽农业大学 硕士学位论文 基于avr单片机的汽车空调控制系统设计 姓名：窦自强 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：王继先;陈黎卿 2011-06 i 摘 摘 要要 随着人民生活水平的提高和汽车工业的发展， 汽车空调作为提高汽车乘坐舒适性 的重要部件，越来越受到汽车厂商和消费者的重视。汽车空调系统可以自动调节车内 空气的温度、湿度、清洁度、风速等，从而使车内空气以一定速度和方向流动，乘员 可以感觉到一个良好的气候，在各种外界气候条件下，车内人员都能处于舒适的环境 之中，提高了乘坐的舒适性。 汽车空调系统具有非线性和大干扰，建立精确的数学模型比较困难，采用传统的 控制方式难以取得满意的效果。 本文利用模糊控制理论对汽车空调车室内温度调节系 统进行研究。根据模糊控制规则库的分解原则，把整个模糊控制器分成两个两输入单 输出的模糊控制系统。 首先将车内温度与设定温度差值(设定值与实际值)及其变化率作为模糊控制输 入量， 并对输入量进行模糊化和量化。按照输入模糊隶属函数确定各种输入信号的隶 属度。其次，根据实际经验确定模糊控制规则并确定相应的模糊输出。最后，按照输 出模糊隶属函数将模糊输出量转变为精确的输出量，从而对风机和混合风门进行控 制。 最后，利用 matlab/simulink 的模糊控制工具箱设计了模糊控制器。根据输入输 出的要求，利用 avr 单片机对系统进行硬件电路设计，并对系统主程序和各子程序 进行软件设计。 关键词：单片机 模糊控制 汽车空调 ii abstract with the upturn of the peoples living standard and the development of automobile industry, automobile airconditioner as an important part to improve the ride comfort of the vehicle, it is more and more valued by the manufacturer and the customer. automobile air conditioner system can automatically adjust the vehicle air temperature, humidity, cleanliness, wind speed, etc., so that can make a certain vehicle speed and direction of air flow, the crew can feel a good climate.in a variety of outside weather conditions, the ride comfort of vehicle can be improved and the staff can be in a comfortable environment. due to nonlinearity and large disturbance of automobile airconditioner system, it is dificult to build exactitude mathematics model and get satisfied purpose by traditional control mode. this paper uses the logic fuzzy control theory to research on intelligent control to the indoor temperature regulating system of the automobile airconditioner. according to decomposition principle of the fuzzy conrtol rule base, this article divides the entire controller into two inputs and single output system. first of all, we take the temperature difference (hypothesis temperature and vehicle indoor temperature) and change rate of the difference as input parameters, and carried on fuzzy processing and quantization to input parameters. then we establish fuzzy membership grade of the inputs according to fuzzy membership functions. second, we establish fuzzy control rules and fuzzy outputs according to practical experience. finally, we translate fuzzy outputs to precise output value according to output fuzzy membership functions, then we can control wind speed of airblower and the open degree of blending damper. we use fuzzy control tool box in matlab/simulink module to design the fuzzy controller. we use avr chip microprocessor to design hardware circuit and main program and each subprogram of software system. keywords: chip microprocessor, fuzzy control, automobile airconditioner iii 附图清单 图 21 汽车空调制冷系统基组成5 图 22 汽车空调制冷系统的类7 图 23 水暖式采暖系统8 图 31 模糊控制系统结构框图14 图 32 模糊控制器的组成14 图 33 汽车空调模糊控制系统原理图16 图 34 温度误差隶属度函数曲线17 图 35 误差变化率隶属度函数曲线18 图 36 风机输出隶属度函数曲线19 图 37 风机转速模糊控制输出曲面21 图 38 模糊控制 fis 编辑器图22 图 39 输入变量 e 隶属度函数22 图 310 输入变量隶属度函数22 图 311 输出变量 u 隶属度函数22 图 312 风机转速模糊控制输出曲面23 图 313 混合风门开度模糊控制输出曲面23 图 314 系统仿真结构图24 图 315 温度变化曲线24 图 41 汽车空调控制系统硬件组成25 图 42 atmega16 的引脚26 图 43 电源电路29 图 44 ds18b20 的外形级封装29 图 4-5 ds18b20 与单片机连接电路28 图 46 继电器控制电路30 图 47 风机转速控制电路31 图 48 混合风门开度控制电路31 图 49lcd 和单片机连接电路图32 图 410 atmega16 与 4x4 键盘的连接33 图 411 主程序流程图34 iv 图 412 ds18b20 操作过程35 图 413 按键扫描程序流程图36 图 414 风机控制子程序流程图37 图 415 温度显示程序流程图38 图 416 软件程序编写40 图 417 硬件仿真软件连接40 图 418 软件程序加载40 图 419 仿真器参数设置40 图 420 单片机型号选择41 图 421 hex 文件加载41 图 421 系统测试41 附表清单 图 31 风机模糊控制规则表20 图 32 混合风门模糊控制规则表21 1 1 绪 论 1.1 研究背景与意义 随着汽车技术的迅猛发展，汽车工业已经成为现代国民经济中的基础产业之一。 根据中国汽车工业协会公布的最新资料显示，2010 年我国汽车产销双双突破 1800 万 辆，同比增幅 32%，再次成为全球第一大汽车产销国。汽车普及率的不断提高，使得 消费者对汽车的性能提出了越来越高的要求，汽车空调产业得以迅速发展，2009 年 全国汽车空调生产 1100 万台左右 1 。 汽车空调系统可以自动调节车内空气的温度、湿度、清洁度、风速等，从而使车 内空气以一定速度和方向流动，乘员可以感觉到一个良好的气候，在各种外界气候条 件下，车内人员都能处于舒适的环境之中，提高了乘坐的舒适性。在空调环境中，司 机能保持头脑清醒、提高工作效率、能减少疲劳和车祸的发生，使驾驶员保持清晰的 视野，为安全驾驶提供基本保证 2 。 目前, 国外的高级轿车通常都配备了全自动空调系统， 而国内大部分空调控制器 都是进口的,自主知识产权的轿车空调自动控制器开发研究还远落后于国外 3 。很多 汽车空调厂都是通过合资方式，引进国外技术进行生产，但由于外资技术保密，形成 了引进落后再引进再落后的恶性循环，同时外资企业利用技术优势，正抓住这 一机会扩大中国市场份额。 我国加入 wto 后， 市场开放程度逐步加大，国外先进的轿车空调技术对我过的汽 车工业造成很大的冲击，但必须认识到，这既是一个挑战，也是一个机遇。国家提出 建设创新型国家战略，加大了对科技创新研发的投入，我们应抓住这个机会，迎接挑 战，开发拥有自主知识产权的汽车空调控制系统。 1.2 汽车空调技术的发展概况 1.2.1 国外汽车空调技术的发展现状 汽车空调技术发展最早起源于 20 世纪 30 年代末的美国， 但直到 20 世纪 60 年代 才逐步普及和日趋完善，功能也越来越全面。其发展过程可以概况为 5 个阶段：单一 取暖单一冷气冷暖一体化自动控制微处理器控制 4 。 (1)单一取暖阶段 1925 年首先在美国出现了利用汽车发动机冷却液通过加热器取暖的方法，1927 年为加热器、风机和空气滤清器等组成的较为完整的供热系统；欧洲 1948 年才开始 在汽车上使用这种供热系统；日本的汽车上开始出现供热系统则是在 1954 年。目前， 2 在寒冷的北欧、亚洲的北部地区仍在使用这种单一取暖功能的空调系统。 (2)单一冷气阶段 1939 年美国首先在轿车上安装机械式制冷降温空调，这种单一冷气装置只能在 夏天起降温的作用，在 1950 年美国石油产地的炎热天气使这种单一降温空调汽车得 以迅速发展。到了 1957 年，欧洲和日本也开始在汽车上加装能制冷降温的空调。这 种单一冷气功能的空调系统目前仍然在热带、亚热带地区使用。 (3)冷暖一体化阶段 1954 年美国通用汽车公司率先在轿车上安装了冷暖一体化空调器，汽车空调才 开始具有调控车内温度和湿度的功能。目前的冷暖一体化空调基本上都具有调温、 除 湿、通风、过滤、除霜等功能，并在各种汽车上得到最广泛的使用。 (4)自动控制阶段 人工操纵的冷暖一体化空调增加了驾驶员的工作量， 且不容易实现最佳的空气调 节质量。1964 年通用公司率先在轿车上安装了由模拟电子控制器来实现自动控制的 汽车空调器；从 1972 年开始，日本和欧洲的各汽车公司也在其生产的高级轿车上装 备了自动空调器。这种自动空调系统可预先设置温度，空调能自动地工作，将车内空 气的温度控制在设定的范围内。 (5)微处理器控制阶段 1973 年美国和日本联合研究由微处理器控制的汽车空调系统，并在 1977 年安装 在汽车上。微处理器控制的自动空调实现了空调运行与汽车运行的相关统一，进一步 提高了汽车的整体性能和乘坐舒适性。 这种以微处理器为控制核心的自动空调系统已 在中高档轿车及豪华客车上得到了广泛的使用，并逐步向普通汽车推广应用。 1.2.2 国内汽车空调技术的发展现状 在 20 世纪 60 年代， 国内有用汽车发动机排出的高温废气来取暖的供热系统， 并 在 70 年代生产的北京吉普和北方的一些长途客车上应用。 1976 年以来， 上海、 南京、 广东等地开始生产空调设备， 但这些产品大多数是为轿车配套。 20 世纪 80 年代初期， 我国从日本购进降温用汽车制冷系统，装在我国生产的红旗、上海、伏尔加等小轿车 上，并发展成单一的降温汽车空调。20 世纪 80 年代中后期，我国第一汽车制造厂以 及上海、北京、湖南、广州等地分别从日本、德国引进先进的空调生产线，为我国的 汽车空调发展打下了良好的基础。 从 20 世纪 90 年代开始， 国内汽车空调产业开始快速稳步发展。现有主要空调生 产厂家 20 多家，其中的代表性企业有：上海德尔福汽车空调系统有限公司生产的爱 斯牌汽车空调为别克、帕萨特、桑塔纳、切诺基等车型配套；杰克赛尔汽车空调有限 3 公司生产的空调主要为奥迪、红旗轿车及解放牌重、中、轻型车配套；湖北沙市电工 仪表集团生产为东风汽车公司、神龙富康汽车公司配套的载货车和轿车空调；广州豪 华空调器有限公司生产为海南马自达、 奥拓、 广州本田、 长安之星配套的车用空调 5 。 我国汽车空调企业取得了长足的发展，但国内汽车空调行业起步比较晚，汽车空 调生产厂家的设计研发能力与国外相比有着明显的差距，技术也相对落后 6 。由于国 内各空调企业引进的技术、设备来自不同国家，行业没有统一技术标准可依，各自为 政，缺乏核心技术，承受着来自国外同行的威胁。目前我国本土车用空调企业仍处于 劣势， 大部分整车配套市场掌握在外资公司手中。 因此， 国内汽车空调生产走专业化、 科技化之路，将成为我国未来汽车空调业发展的必然选择。 1.2.3 汽车空调的发展趋势 当前，从市场需求方面看，降低成本、提高燃油经济性成为汽车空调性能要求的 新特点；从制造方面看，车辆正向大型化、高级化发展，车厢地板也逐渐降低，这就 需要进一步提高装置的紧凑性和效率；从乘员方面看，车内温度要实现智能控制、操 作要简便，满足全季节性要求 7 。 1. 日趋自动化 近年来，汽车空调系统逐渐使用电子计算机进行控制，系统的控制效果得到进一 步的完全， 性能得到大幅度提高， 可以实现全天候的空气调节， 并得到集制冷、 采暖、 通风与一体的效果。乘员可以人为设定温度、湿度和风量等参数，控制系统可以根据 乘员数量和其他情况的变化自动进行多档位、多模式的微调，从而达到最佳的车内空 气环境，同时可进行自动诊断故障并用数字显示，有效缩短检修和准备时间。 2. 提高舒适性 目前不少汽车空调系统的制冷系统和采暖系统是各自独立的。每当遇到梅雨季 节，车窗的玻璃上时常会蒙上雾气，此时就必须启动冷气装置，但这样又会使车内变 得太冷。为了克服这种缺点，全季节型的空调系统正成为研究的热点，该系统具有换 气、采暖、除湿、制冷等功能。夏天使用的制冷系统由发动机驱动，冬天使用的采暖 系统由加热器制热，过度季节采用制冷与采暖混合方式吹出温和风进行除湿，使车内 得到最佳的空气环境。 3. 高效节能、小型轻量化 要达到高效节能、 小型轻量化的要求， 必须提高各组成装置的结构紧凑性和效率， 进一步降低空调装置的重量和外形尺寸。在蒸发器和冷凝器方面，管带式换热器已逐 步替换管片式换热器；在压缩机方面，使用制冷效率高的旋转式压缩机和三角转子压 缩机；在制冷管路方面，管路结构要设计的更合理必须进行优化设计，管路上要避免 4 共振应装配防震橡胶。 4. 向环保型汽车空调发展 目前世界各国都在积极研制更适合环境保护的新型制冷剂， 各国一致公认 r134a 是 r12 的首选替代物，并基本解决了空调系统的匹配和材料等一系列问题。 5. 采用空调新技术 空调制冷方式有多种，目前广泛应用于汽车空调的制冷方式为蒸汽压缩式。其他 制冷方式，如吸收式、吸附式、蒸汽喷射式、空气压缩式等，很少在汽车空调上采用。 利用汽车发动机的余热来驱动制冷系统是一个理想的节能方案， 因此世界各国都在研 究这种新技术。 1.3 本课题的主要研究内容 本文的主要工作是设计一种汽车空调自动控制系统， 主要研究内容有以下几个方 面： (1) 概述汽车空调系统工作原理及分类，给出系统设计的要求及功能； (2) 采用模糊控制理论设计空调风机和混合风门的控制策略 ，并使用 matlab/simulink 软件设计模糊控制器； (3) 根据设计要求，采用 avr 单片机设计硬件电路和软件程序流程图,并使用电 路板和 pc 机做系统测试仿真。 5 2 汽车空调系统工作原理 2.1 汽车空调制冷系统简介 2.1.1 制冷系统的组成与工作原理 汽车空调的基本功能是通过人为的方法使车厢的温度降低和升高，从而达到使人 体感到舒适的温度环境。更高档的汽车空调系统除了能实现对温度的控制，还具有对 车内空气的净化、空气湿度的控制等功能。一般汽车空调系统都可以分为制冷系统和 采暖系统两部分 78 。 图 21 汽车空调制冷系统基本组成 fig21 the basic composition of automobile airconditioner refrigeration system 1-压缩机 2-冷凝器 3-高压维修阀口 4-膨胀阀 5-蒸发器 6-吸气节流阀 7-低压维修阀口 8-储液器 制冷系统通常由压缩机、冷凝器、节流装置、储液干燥器、蒸发器及相应的连接 管组成，如图 21 所示，各部件之间采用钢管(或铝管)和高压橡胶管联接成一个密闭 系统。 空调的蒸发冷却装置一般布置在车室仪表台面板下，与仪表台面板组装成一体； 冷凝器大多布置在车头散热器前面，并有单独风扇进行冷却。汽车正常行驶产生的行 驶风对冷凝器起到很大的散热效果， 汽车怠速行驶时， 冷凝器风扇能加强其散热能力， 使其冷凝压力不至于过高，否则会影响空调的正常运行。 储液干燥器一般都安装在发动机室内，在系统运行时，对制冷剂进行过滤、干燥 及吸湿和存储多余的制冷剂。在储液干燥器的上方有一个视液窗，用以观察制冷系统 6 中制冷剂量，在正常工作的条件下，制冷剂应无泡沫平稳流动。 蒸发冷却机组属于压入式送风，将离心风机装在蒸发器进风口处。为了便于安装 和维修，感温包和膨胀阀都安装在空调机组内，与机组联成一体。蒸发器出口的温度 被感温包感受后，作为输入控制变量，可以自动调节膨胀阀的开度，从而控制制冷剂 的流量，以维持车内温度的稳定。 空调系统通过制冷剂的气、液两相转换时所形成的吸热和放热过程实现制冷。 围 绕制冷剂的的气、液转换，制冷工作循环可以归纳为压缩、放热、节流和吸热四个过 程 9 。 压缩过程：蒸发器出口处制冷剂气体是低压低温的，在被压缩机吸入后，被压缩 成高压高温气体，最后排出压缩机。 散热过程：冷凝器将进入其中的高压高温过热的制冷剂气体，在低压低温的条件 下冷凝成液体，并排出大量的热量。 节流过程：高温高压制冷剂经过膨胀装置后，液体体积会变大，制冷剂的温度和 压力会急剧下降，以雾状被排出。 吸热过程：因为雾状制冷剂沸点，大大低于蒸发器内的温度，因而制冷剂液体在 进入蒸发器后，被蒸发成气体，进而变成低压低温蒸气，最后进入压缩机，并在蒸发 过程中吸收周围大量的热量。 制冷系统以制冷剂为热载体，通过上述四个过程的不断循环，将车内的热量转移 到车外，实现车内降温和除湿的空气调节作用。 2.1.2 制冷系统的分类 制冷系统分为两类，一类是膨胀阀系统，另一类是孔管系统，如图 22 所示。它 们的差别是所用的节流膨胀装置的结构不同，贮液干燥器的安装位置不同。汽车空调 膨胀阀系统的特征是：只要驾驶员一开动空调，电磁离合器就总是啮合，从不断开， 压缩机始终处于运行状态，靠吸气节流阀或靠绝对压力阀把蒸发器温度控制在 0左 右。而孔管系统的特征是：电磁离合器时而结合，时而断开，压缩机根据车室内、外 温度时而运行，时而停止运行，因此也叫做循环离合器系统。循环离合器系统也有使 用膨胀阀的，但只是作为一种节流装置而已。膨胀阀系统也叫做传统空调系统。 7 图 22 汽车空调制冷系统的分类 fig22 the classification of automobile airconditioner refrigeration system (a)膨胀阀系统 (b)孔管系统 1-低压维修开关 2-高压维修开关 3-冷凝器 4-储液干燥器 5-膨胀阀 6-蒸发器 7-积累器 8-孔管 2.2 汽车空调采暖系统简介 2.2.1 采暖系统的组成与工作原理 汽车采暖系统是将某种热源通过交换装置传递空气， 再通过送风装置把热源送入 车内实现供暖。本文所研究的自动空调系统中的采暖部分采用的就是余热水暖式装 置，利用发动机冷却水的余热作为热源，混合使用车内和车外空气作为热载体，其工 作原理图如图 23 所示。整个采暖系统由采暖加热器、热水阀、鼓风机等组成。 加热器的作用是通过热交换将循环流动的高温冷却液的热量传递给周围的空气， 并通过鼓风机将热空气送入车内，以提高车内的温度。加热器的热交换部件由管子与 散热片组成，当高温冷却液流经加热管时，通过管壁与散热片的热传导，将热量传递 给加热器外表面周围的空气，再通过鼓风机的强制热对流，使车内温度升高。 热水阀也称热水开关，装在加热器入水管之前，用于通断热水通道和调节流入加 热器高温冷却液的流量，通过热水阀可打开或关闭暖气，并可调节进入车内热空气的 温度。热水阀的操控方式有拉索控制式和真空控制式两种。 8 图 23 水暖式采暖系统 fig23 the plumbery heating system 鼓风机由电动机和风扇组成，其作用是将加热器表面的热空气吹入车内，以提高 车内的温度。鼓风机通常安装在有通风通道和风门的壳体内，与同样安装在壳体内的 加热器一起组成了暖风装置。暖风装置有单独式和整体式两种。 2.2.2 采暖系统的分类 汽车空调采暖系统种类有很多种，不同类型、不同级别的汽车及其配置的空调系 统会有所不同，汽车空调采暖系统也有多种类型。下面以不同的分类方法将各种汽车 空调采暖系统予以概括。 1. 按空调的组合方式分 (1) 单独采暖装置 采暖装置有独立的风道、单独的风机，可单独操控。这种采 暖装置结构较简单，操作方便，其缺点是不能进行冷暖一体化控制，即不能通过改变 冷暖空气的比例来对出风的温度进行调节。 因此， 单独采暖装置在轿车上已很少采用。 (2) 冷暖一体化 采暖系统的加热器与制冷系统的蒸发器在一个风道中，通过风 门、管路及操控系统，可以进行任意的冷暖空气比例调控，可向车内提高暖风、冷气 或在冷暖之间任意温度的空气。采暖系统与制冷系统组合成冷暖一体化空调系统， 这 是现代汽车上广泛使用的形式。 2. 按热源不同分 (1)水暖式 水暖式是指利用发动机高温冷却液来获取热量，以提高车内温度的 采暖系统，也称余热式暖气装置。从发动机出来的冷却液温度在 8090左右，让其 中一部分冷却液通过加热器的热交换来加热空气，并将热风送入车内，用以提高车内 空气的温度。水暖式采暖的优点是发动机余热得以利用，节约了能源，在轿车、货车 和供暖要求不高的大客车上被广泛使用。 (2)气暖式 利用发动机排气系统的热量采暖，因此也属余热式采暖装置。气暖 式采暖装置是将发动机排出的废气引入加热器，通过热交换加热空气，并将热风吹入 9 车内升温。气暖式采暖系统多是在风冷发动机或有其他特殊要求的车上使用。 (3)独立热源式 独立式热源式采暖装置是在汽车上设置专门的燃烧装置，通过 燃烧燃料(汽油、柴油、煤油、天然气等)发出的热量加热空气，并将热空气送入车内 以提高车内的温度，因此，此种采暖系统也称燃烧式采暖装置。这种采暖装置的优点 是在汽车行驶时，热源不受汽车运行工况的限制，不依赖于汽车发动机。独立热源采 暖系统在客车上有着较多的应用。 (4) 混合式 混合式采暖是指汽车空调系统既有水暖装置， 又配置了燃烧式采暖 系统。 混合式采暖系统综合了水暖式和燃烧式采暖系统的优点。在发动机不工作或刚 启动，发动机冷却液温度还未达到正常工作温度时，起动燃烧器独立采暖；当发动机 正常运转时， 则用发动机冷却液独立采暖， 或采用两种采暖方式同时工作的混合采暖。 混合式采暖系统不仅可保证随时满足汽车采暖需求，而且可节约能源。混合式采暖汽 车空调通常在一些豪华大客车上使用。 3. 按通风方式分 (1)内循环式 内循环式也称内气式，其采暖通风方式是利用车内空气循环使车 内温度提高。内循环式采暖方式的优点是车内升温快、热源消耗少，其缺点是车内空 气的质量较差。 (2)外循环式 外循环式也称外气式， 其采暖通风方式是通过引入车外空气循环来 提高车内温度。外循环式采暖方式的优缺点与内循环式正好相反，即缺点是车内升温 慢、热源消耗多，优点是车内空气质量较好。 (3)混合循环式 混合循环式采暖系统既进入车外新鲜空气，又利用车内空气，以 车内外的混合空气为载体，通过加热器的热交换升温后，送入车内取暖。混合循环式 采暖系统的优缺点介于内循环式和外循环式中间，即其经济性比外循环的好，车内空 气的质量则要好于内循环式。 2.3 汽车车室的热力学分析 汽车在行驶时完全处于外界环境中， 影响汽车空调系统热负荷变化的因素包括太 阳辐射、人体散热、车身渗透热、车内新风带入的热量等。汽车空调系统是一个典型 的瞬态非线性的系统控制，变量很多。为了简化分析，把汽车车室看作一个定容定压 换热系统，忽略气体的动能和势能，根据热力学第一定律可得 1011 ： zabcde q =q +q +q +q +q (21) 式中， z q 车内总得热量； a q 空调吸进与排出的空气之间的热量差值； b q 太阳辐射得热量； 10 c q 新风带入的热量； d q 车身传入车内的热量； e q 人体的散热量。 (1) 空调吸进与排出的空气之间的热量差值 空调系统可以看作是吸气量与排气量相等的理想热交换器，可得： 1 p2121 qav c (t t )=() ff p vsc ttt = (22) 式中， 空气密度(标准大气压下近似取为 1.225kg/m 3 )； 1 v 风机送风的体积(m 3 )； f v 风机输出风速(m 3 /s)； f s 风机出风口的面积(约为 0.08m 2 )； 1 t 车内温度(k)； 2 t 空调出风口温度(k)； t 温差变化所需的时间(s)。 (2) 太阳辐射得热量 在阳光照射下汽车得到的热量以导热方式传入车内，有： bb q =wsj t/ (23) 式中，w 车外壁对车内的导热系数(一般取 0.8)； b s 太阳辐射下车身受热有效面积(约为 1.5m 2 )； 车外壁吸热系数(一般取 0.9)； j日照强度； 对流换热系数(约为 0.004)。 (3)新风带入的热量 为保证人体的健康，空调送风需要满足每人每小时至少 15m 3 的新鲜空气，则有： ch p31 qnv c () ttt = (24) 式中， h v 每人每小时所需新风体积； n车内成员数； 3 t 车外温度。 (4)车身传入的热量 由于车内外存在温差，必然导致热量通过车身传入车内，可按下面公式计算： dc31 qws (t t ) t = (25) 式中， c s 为车身表面积，通常取 2.5 m 2 。 (5)人体散热量 车内乘员散发的热量对车内温度也有一定影响，可由下式计算： e q0.278nq t = (26) 11 式中，q为每人每小时产生的热量(平均值为 0.02kw)。 将公式(22)(26)代入式(21)中，计算整理可得： 11213131 dt /dt=0.01v (t t )+0.0001(t t )+0.0012(t t )+0.04j+0.05n (27) 对温度的控制可以看成理想的热交换方式，车内吸进和排出的空气量是等体积 的，单位时间内空调新风进入和风口排出的空气热量差为： amnpmmmmnnnn q =qq = c (k a vt +k a vt ) + (28) 式中， m q 蒸发器的热交换量； n q 加热器的热交换量； m k 压缩机的启停(取 0 或 1)； n k 热水阀的开关(取 0 或 1)； m a 蒸发器热交换系数(近似取 0.7)； n a 加热器热交换系数(近似取 0.5)； m v 流经蒸发器的气体体积； n v 流经加热器的气体体积； m t 蒸发器前后空气的温度值差； n t 加热器前后空气的温度值差。 设混合风门的开度为 (01 之间的小数)， 在理想条件下即为流经加热器与蒸发器 冷暖空气体积之比： 1 vm(1)v = (29) 1 vnv = (210) 将公式(22)、(29)、(210)代入(28)中，可得到出风口近似温度： 2mm1nn11 tk a (1 )(0t )+k a(60t )+t = (211) 2.4 汽车空调系统的设计要求 本文设计的汽车空调系统主要由温度采集部分、模糊控制器部分及执行机构组 成。控制系统采用 8 位 avr 处理器芯片 atmegal6 作为主控制器，对温度误差及其变 化率进行控制，以此为依据设计模拟控制策略，从而实现对风机转速和混合风门开度 操作。系统要实现的功能如下： (1)车内成员根据对温度环境的喜好设定空调的温度； (2)通过液晶显示模块实时显示车内温度和设定温度； (3)单片机利用温度误差和误差变化率实现对温度的控制。 12 2.5 本章小结 本章首选说明了汽车空调系统的工作原理,介绍了制冷系统和采暖系统的组成及 分类。同时，对汽车车室进行了热力学分析，给出了空调系统的总体设计要求及系统 应具有的主要功能。 13 3 汽车空调控制系统设计 汽车工业的快速发展大大提高了汽车空调的使用率， 同时人们对汽车空调系统性 能的要求也逐渐提高。但是由于汽车空调系统具有非线性和强干扰性，难以建立精确 的数学模型，因此采用传统的控制方法很难取得良好的控制效果。而模糊控制不需要 制对象具有精确的数学模型，且对非线性和时变系统具有较好的适应性，因而可以应 用于汽车空调控制系统 12 。 3.1 模糊控制的产生及其特点 经典控制理论和现代控制控制理论几十年的发展，在空间技术、军事科学和工业 控制等领域都有着广泛的应用，并取得较为显著的成就，但是传统控制器的设计都建 立在被控对象的精确数学模型基础上，在许多情况下，被控对象的精确数学模型很难 建立。于是，传统的控制理论和技术面临着新的控制要求的挑战。要想精确的描述复 杂系统的任何现实物理状态，是很难办到的，常规自适应控制技术在解决这些问题上 仍然显得范围有限。 这种情况迫使人们寻求一种可以平衡和折中精确性和现实意义的 控制值理论，模糊控制理论则在这种背景下产生了。 模糊控制(fuzzy control)是近代控制理论中智能控制的一个重要分支，它以自然 语言为控制规则，在模糊集合上进行模糊推理的控制理论。1965 年，模糊集合的概 念首先被美国加利福利亚大学扎德(l.a.zadeh)提出，从此模糊控制的研究被注意和 重视。与二值逻辑不同，模糊逻辑是一种连续逻辑，可以取0,1区间中的任何数。 因此可以说，二值逻辑是模糊逻辑的特殊情况，模糊逻辑是二值逻辑的扩展 10-12 。 模糊控制理论的数学基础是模糊数学，人的思维、语言和行为具有模糊性，模糊 数学的方法可以使之被模拟。模糊规则是模糊控制的依据，它是人们在日常生活过程 中形成的经验总结。传统控制理论主要解决线性系统的控制问题，而对于那些很难建 立精确数学模型的控制问题，模糊控制具有奇特的优势。模糊控制有以下特点： (1)模糊控制虽然运用模糊算法对模糊工程进行计算，但采用确定性的、定量的 条件语句作为其控制规律。 (2)现实中不少控制系统，难以建立精确的数学模型，甚至是不可能建立的。模 糊控制不需要被控对象具有精确的数学模型。 (3) 模糊控制系统不同与传统的控制方法，其控制主要依赖于行为规则库。因为 人的思维方法和推理更习惯于用自然语言表达的控制规律， 人机对话利用行为规则库 便于操作人员的理解和使用，可以得到有效的控制效果。 (4) 从控制角度看，模糊控制实际上是一个由很多条件语句组成的软件控制器， 因而与计算机密切相关。 模糊控制经过模糊规律运算， 最后还是要进行确定性的控制， 14 这就需要通过二值逻辑的计算机来实现。模糊计算机的开发与模糊推理硬件的研制， 可以协助人们决策和进行信息处理，使得计算机可以处理模棱两可的信息， 。 3.2 模糊控制系统的结构 模糊控制系统的结构与传统控制系统一样，由输入输出接口、控制器、执行机 构、被控对象和测量装置五个基本环节组成，控制系统只是用模糊控制器取代数字 控制器。模糊控制的系统结构如图 31 所示 13 。 图 31 模糊控制系统结构框图 fig31 the structure of fuzzy control system 模糊控制系统的核心是模糊控制器， 其任务是通过模糊规则和近似推理得出应用 的应用的结论，而这一过程都是在处理模糊集合。模糊控制器体现了人的思维方式， 是模拟人类控制特征的一种语言型控制器。 模糊条件语句描述的语言控制规则对于模 糊控制器至关重要，由于客观世界中并没有现成的控制规则，需要从熟练操作人员与 专家的经验中提取，或从大量的实验数据和观察得出，然后运用模糊集合理论对输入 变量进行模糊化，再用推理机对已模糊化的输入状态进行运算处理，最后产生相应的 控制决策。模糊控制器结构图如图 32 所示 14-16 。 图 32 模糊控制器的组成 fig32 the composition of fuzzy controller 模糊控制器各组成部分的功能如下： 一、模糊化接口 ke 模糊控制器 被控对象 ku 给定值r(t) + e(t) u(t) c(t) 模 糊 化 推理机 反 模 糊 化 规则库 数据库 知识库 x1 x2 xn . . . 模糊化输入 模糊结论 y1 y2 ym . . . 15 通常输入变量都是真实的确定量，但模糊控制器的控制规则采用自然语言，这就 要求输入变量需要模糊化。把输入的确定量转换成模糊矢量就是模糊化接口的作用。 二、数据库 模糊控制通过推理机求解模糊关系方程得到输出控制量，进而实现模糊控制要 求。输入、输出变量经过模糊化后的隶属度矢量值或隶属度函数保存到数据库中(即 经过论域等级的离散化以后对应值的集合)，在求解过程中向推理机提供数据。要说 明的是，输入、输出变量的测量数据集不属于数据库存放范畴。 三、规则库 与数据库作用类似，规则库用来存放模糊控制规则，在推理时为推理机提供控制 规则，模糊控制规则通常形式是“ifthen”，由自然语言描述构成。规则能否反映 对象的特性，能否正确反映知识的更新和人类专家的经验，直接决定了模糊推理系统 的性能，因此规则库存放的规则是否准确，对于模糊控制效果的实现具有重要作用。 由规则库和数据库这两部分组成整个模糊控制器的知识库。 四、推理机 推理机有两个基本任务：其一为匹配，即确定当前得输入与哪些规则有关(可以 看出激活哪些规则)；其二为推理，即利用当前的输入和规则库中所激活规则的信息 推导出结论。 五、反模糊化 在模糊控制中，执行机构控制被控对象需要精确的控制量，而模糊推理的结果一 般都是模糊值，这就这必须将模糊值转化为确定量，这个过程称为反模糊化或者解模 糊。 反模糊化的方法很多，目前比较常用的方法有： (1)最大隶属度法。模糊控制器依据模糊控制规则得到输出隶属度，取输出结果 中最大的元素作为精确值，这种方法是反模糊化常用的方法，处理过程具有方便、简 单、容易实现等优点， (2)中位数法。这种方法全面考虑了模糊量各部分信息的作用。把横坐标与隶属 函数所围成的部分分成两部分，当两部分的面积取为相等时，反模糊化所要求的精确 值就是两部分分界点对应的横坐标值。 (3)重心法,是取横坐标与模糊隶属函数曲线所围成的面积的中心为代表点， 类似 于求力矩的方法，故也称为力矩法。 常用的模糊控制器结构按维数可分为如下几类： (1)一维模糊控制器：通常只用偏差值的变化去进行调控，很难反映过程的动态 特性品质， 用于一阶被控对象， 它的输入量只有一个分量， 通常选用偏差一项。 因此， 很难获得较好的系统动态性能。 16 (2)二维模糊控制器：通常取偏差和它的变化率作为其输入变量，是目前采用最 多的一类模糊控制器，因为它能够较好的反映控制系统输出变量的动态特性，比一维 模糊控制器的控制效果要好得多。 (3)三维模糊控制器：其输入量有三个分量，常取偏差、它的变化率和变化率的 变化率。从理论上讲，高维数的模糊控制器将带来更精细的控制，但同时也会使控制 规则数目增加得更多，从而使模糊控制器推理运算量急剧增加。由于高维模糊控制器 结构复杂，推理运算时间长，除非对动态特性要求很高，一般很少选用。如果确需用 多个变量去调节被控系统，可用多个二维模糊控制器进行组合。 3.3 汽车空调模糊控制器设计 模糊控制器的性能受到控制变量的影响很大， 因此控制变量选择应该保证正确且 具有系统特性。模糊控制器的输入变量通常可选用输入误差及误差变化率，输出变量 可选用输出误差及误差变化率等。 控制变量选择的效果取决于操作人员对于专业知识 的掌握程度和对控制系统的了解程度。 本文选择温度误差 e(设定温度和车室实测温度之差)和误差变化率 ec 作为输入 变量， 风机的转速和混合风门的开度作为控制对象，系统可看可作是一个两输入两输 出的控制系统，即两个两输入单输出的控制系统。模糊控制系统的原理框图如图 33 所示 1718 。 图 33 汽车空调模糊控制系统原理图 fig33 the fuzzy control system principle diagram of automobile airconditioner 3.3.1 风机转速的模糊控制 风机转速对于温度控制的效果具有直接作用，其控制效果关系到空调的性能。 风 机转速加快可以使车室内的温度更快接近设定的温度，当车室内的温度比较适宜时， 风机转速慢既能使人感觉舒适也可节能。风机转速在设计时一共分为 5 档，用 z 到 pb 表示转速不断的增加。 (1)温度误差的模糊化 输入变量在输入模糊控制器前必须进行模糊化， 因为采集的变量值通常是精确的 数值，所以温度误差 e(设定温度值减去车室内实际温度)作为输入变量，在输入控制 ke 模糊控制器 被控对象 ku 给定值r(t) + e u(t) c(t) ec kc 17 器前需要先进行模糊化。根据人体对温度的感知程度，温度误差在55范围内可 作为控制器控制范围，模糊论域取为5,5，其他范围的值可视为边界值，即为： e= 5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5 温度误差的模糊子集可取为： 负大(nb)，负小(ns)，零(z)，正小(ps),正大(pb) 隶属度函数的确定，应该能反映出客观模糊现象的具体特点，而且要符合客观规 律。 温度误差的隶属函数采用最常用且简单的三角形和梯形隶属度函数，表达式如下 所示： (31) (32) (33) (34) (35) 温度误差隶属度函数的曲线如图 34 所示： 图 34 温度误差隶属度函数曲线 fig.34 the membership curves of the temperature error nb 15e3 (e)= e+23e2 02e 2 3 2 ns 3 231.5 (e)=1.50 00&0 ee ee ee + 110 ( )101 01&1 z ee