（车辆工程专业论文）轿车自动空调控制系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着国内人们生活水平的提高，轿车在人们生活中扮演重要的角 色。而汽车空调作为汽车使用舒适性的衡量标准之一，要求也越来越 高。长期以来，我国轿车空调的自动控制水平较低，大多处于手动或 半自动状态，手动控制一方面会出现车室温度达不到舒适性、节能性 的要求；另一方面容易分散注意力，不利于安全。实现轿车空调的自 动控制是必然趋势。国外高级轿车上一般都装有全自动的空调系统， 能根据汽车的状态参数自动地调节车内温度。而国内大部分高档轿车 的空调控制器都是依靠进口，目前还没有自己开发的具有自主知识产 权的轿车空调自动控制器。 本文针对实现汽车空调的自动控制的问题进行了一系列研究。利 用模糊控制理论对汽车空调车室内温度调节系统进行智能控制。模糊 控制方法具有较强的鲁棒性，能较为精确地控制车内温度，满足人体 舒适性的要求。本文通过对汽车空调车室内温度调节过程的分析，根 据模糊控制规则库的分解原则，把整个控制器分成多个多输入单输出 的模糊控制器。对输入信号( 设定温度及车室温度) 进行模糊化处理， 分别建立模糊控制规则。根据输入、输出的要求对空调控制器的硬件 进行了设计，硬件电路以s t c l 2 c 5 a 1 6 a d 单片机为核心微处理器， 软件部分采用汇编程序设计语言，在k e i lu v i s i o n 2 开发环境下完成。 关键词：汽车空调，模糊控制，温度控制 江苏大学硕士学位论文 a l bs t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，c a rp l a y sa n i m p o r t a n tr o l e i n o u rl i v e s f o rt h et i m eb e i n g ，c a ra i rc o n d i t i o n i n g c o n t r o la ta ne a r l ys t a g ei nc h i n a m o s to ft h e ma r eh a n d m a n u a lc o n t r o l o fh a l fa u t o m a t i cc o n t r 0 1 h a n dm a n u a lc o n t r o lo f t e nr e s u l t si nl a r g e d i s c r e p a n c yb e t w e e na c t u a li n d o o rt e m p e r a t u r ea n ds e t t i n gt e m p e r a t u r e ， a n di tc a nn o ts a t i s f yt h en e e do fc o m f o r ta n de n e r g ys a v i n g o nt h eo t h e r h a n d ，i tc a nd e c e n t r a l i z ed r i v e r sa t t e n t i o na n dr e d u c es a f e t y i ti st h e t e n d e n c yt or e a l i z et h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fc a rt e m p e r a t u r e ，h o w e v e r h i g h l e v e rc a rh a v eb e e ns e t t i n ga u t o m a t i c a l l ya i rc o n d i t i o n i n gi nt h e o v e r s e a s ，o u rc o u n t r ya l w a y sd e p e n do ni m p o r t a n dw ed on o th a v et h e t e c h n o l o g yb yo u r s e l v e st om a k e i t t h ea r t i c l eh a sc o n d u c t e das e r i e so f r e s e a r c hi nv i e wo ft h e r e a l i z a t i o na u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n i n ga u t o m a t i cc o n t r o lq u e s t i o n ，a n d u s e st h ef u z z yc o n t r o lt h e o r yt oc a r r yo nt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt ot h e a u t o m o b i l ea i ri n d o o rt e m p e r a t u r eg o v e r n i n gs y s t e m t h ef u z z yc o n t r o l m e t h o dh a st h es t r o n gr o b u s t n e s s ，c a np r e c i s e l yc o n t r o li nt h ev e h i c l et h e t e m p e r a t u r e ，a n ds a t i s f i e s t h eh u m a nb o d yc o m f o r t a b l er e q u e s t t h i s a r t i c l e t h r o u g h t oa u t o m o b i l ea i r c o n d i t i o n i n g i n d o o r t e m p e r a t u r e a d j u s t m e n tp r o c e s sa n a l y s i s ，a c c o r d i n g t ot h e f u z z y c o n t r o lr u l e s t o r e h o u s ed e c o m p o s i t i o np r i n c i p l e ，d i v i d e si n t ot h ee n t i r ec o n t r o l l e r n 江苏大学硕士学位论文 m o r et h a ns i x i n p u t s l i s t s o u t p u t t h e f u z z yc o n t r o l l e r ( h y p o t h e s i s t e m p e r a t u r ea n dv e h i c l er o o mt e m p e r a t u r e ) c a r r i e so nf u z z yp r o c e s s i n g t ot h ei n p u ts i g n a l ，e s t a b l i s h e dm i x e dt h ea i rt h r o t t l e ，t h ea i rb l o w e r r o t a t i o n a l s p e e d ，t h ec o m p r e s s o ra n dt h eh o tw a t e rv a l v e ，t h ew i n d d i r e c t i o na i rt h r o t t l ea n di n s i d ea n do u t s i d ec y c l i cc o n t r o lf u z z yc o n t r o l r u l e c o m b i n i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n tt h ep a p e rd e s i g nt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h ek i n do fa i r c o n d i t i o nc o n t r o l l e r t h e s t c l 2 c 5 a 1 6 a di st h ec o r em i c r o p r o c e s s o ro fh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h e s o f t w a r ea d o p ta s s e m b l yl a n g u a g e t h ep a p e rd i s c u s s e dt h et e s tm e a n so f s o f t w a r e ，t h er e s u l t o ft e s ts h o w st h a tt h es o f t w a r em e e td e m a n d c o m p l e t e l y k e yw o r d s ：a u t oa i rc o n d i t i o n i n g ，f u z z yc o n t r o l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 不保密劝 学位论文作者签名：蔻缸 w 阵彭月1e t 锄 岛细 0月 铱多 签 年 隘 年 j y f _ 刻归 导 嘭 矧 刃 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：范复 日期：9 扣年月j 1 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 轿车空调作为一种舒适性空调，不仅是人民生活水平提高的标志，也是提高 轿车市场竞争能力的重要手段。随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，人 们对空调车室的温度提出了更高的要求，这就使轿车空调的控制又面临着新的挑 战。【1 】 目前国内大部分经济型轿车车室内温度控制还处于一个手动状态，当车室乘 员数、日照强度、车速、风量等大幅度变化时，手动控制不能v , 很z 好地提供车内一 个自动调控的舒适环境，手动控制已成为轿车空调进一步发展的瓶颈问题，而国 外一些高档轿车上已经配有全自动轿车空调系统，并且对这些先进的技术申请了 专利，对知识产权进行了保护，因此无法破解其核心技术，我们只有自主开发适 合我国交通、气候的轿车空调全自动控制器，形成具有自主知识产权技术，制订 出汽车空调控制器的产品标准，才能提高我国汽车工业整体水平，增强国际竞争 力，进一步增强综合国力。 2 0 0 2 年开放私人轿车市场后，轿车的产量带动汽车产量并迅猛发展。2 0 0 2 年全国累计生产汽车3 2 5 1 2 万辆，销售汽车3 2 4 8 万辆，其中轿车1 0 9 万辆，销 售为1 1 2 6 万辆，轿车的产量己经占有到我国汽车总产量的三分之一，并保持着 良好的势头。2 0 0 9 年，汽车产量排名前十位的国家依次是：中国、日本、美国、 德国、韩国、巴西、印度、西班牙、法国和墨西哥，分别达到1 3 7 9 1 0 万辆、7 9 3 4 5 万辆、5 7 1 1 8 万辆、5 2 0 9 9 万辆、3 5 1 2 9 万辆、3 1 8 2 6 万辆、2 6 3 2 7 万辆、2 1 7 0 1 万辆、2 0 4 9 8 万辆和1 5 5 7 3 万辆。与上年相比，中国表现最为突出，首次超过 日本成为世界第一汽车生产大国。轿车空调市场有着广阔的前景。现在轿车空调 控制器的价格较高，而实际的生产成本较低。随着人民生活水平的提高和汽车工 业的发展，全自动控制的空调轿车由于具有较好的舒适性和节能性以及方便驾驶 员的操作等优点将会越来越受到人们喜爱，因而自主开发汽车空调全自动控制器 不仅会产生巨大的经济效益，而且对我国的经济建设，汽车工业的发展都具有促 进作用。 江苏大学硕士学位论文 我国轿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。手动控制一方面会出现车内温度与乘员舒适要求相差很大，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。另 外开动空调后汽车发动机的功率要降低1 0 。1 2 ，耗油增加1 0 。2 0 1 2 。在 重视生活质量保护环境节约能源的今天，开发研制轿车空调全自动控制器，保证 空调轿车的舒适性、节能性已经成为经济生活、能源等方面的科研课题，世界各 国在这方面己投入相当的人力、物力进行研究。我国在这方面投入甚少，严重制 约了我国汽车工业的迅速发展。 轿车空调的运行工况同家用空调不同，压缩机的转速随着发动机转速的突然 变化而改变，制冷量变化比较大，轿车空调经常处于变工况下运行。在夏季，停 在室外的轿车车室内温度可达5 0 左右；在车开动的十几分钟内要求温度迅速 降到3 0 左右，降温速度比较快。环境温度、日照强度、轿车车速、车室热负 荷、空气混合风门的开度等因素对轿车空调的运行性能有很大的影响，它是一个 典型的瞬态、非线性且各参数之间相互耦合的复杂系统，如何综合考虑这些因素， 采用先进的控制策略和新型控制元件，实现轿车空调的舒适性控制，是轿车空调 工作者一直致力研究的问题，同时也受到汽车生产厂家的广泛关注，有着很好的 应用前景。 国外一些大汽车公司的高档轿车上纷纷装有全自动的空调系统，而国内大部 分高档轿车的空调控制器是进口的，目前还没有自己开发的具有自主知识产权的 轿车空调自动控制器。由于技术保密，进口的轿车空调自动控制器都采用加密技 术，无法破解其中的核心技术，这样就形成了引进一落后一再引进一落后的恶性 循环，严重阻碍了我国汽车工业的发展。随着我国加入w t o 和全球贸易大市场 的形成，国外先进的轿车空调控制技术对国内汽车工业造成很大的冲击和压力， 汽车工业又面临着新的机遇和挑战。我们必须不失时机地抓住这个机遇，自己开 发研制先进的轿车空调控制系统，去迎接这个挑战，否则就会在竞争中失败，因 而加紧汽车空调全自动控制系统的研究势在必行。 基于国内外经济科技发展的实际情况，本课题受到了江苏技术师范学院青年 科研基金项目的支持。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1轿车空调控制系统的发展与研究现状 汽车空调技术是随着汽车的普及而发展起来的。其发展可以概括为5 个阶 段。【3 1 第一阶段：单一取暖，即利用房间取暖方法。1 9 2 5 年首先在美国出现利用 汽车冷却水通过加热器取暖的方法。到1 9 2 7 年发展到具有加热器、风机和空气 滤清器比较完整的供热系统 第二阶段：单一冷气。1 9 3 9 年，由美国通用汽车帕克公司首先在轿车安装 机械制冷降温的空调器，成为汽车空调的先驱。单一降温的空调汽车目前仍在热 带，亚热带地区使用。 第三阶段：冷暖一体化。1 9 5 4 年通用汽车公司，首先在n a s h 牌轿车上安装 了冷暖一体化的空调器，汽车空调才基本上具有降温、除湿、通风、过滤、除霜 等功能。这种方式目前仍然在大量的经济汽车上使用，是目前使用最大量的一种 方式。 第四阶段：自动控制的汽车空调。冷暖一体化汽车空调需要人工操纵，这显 然增加了驾驶人员的工作量。同时控制质量也不理想。1 9 6 4 年通用公司首先将 自动控制空调安装在卡迪拉克牌轿车上，紧接着通用、福特，克莱斯勒三大汽车 公司竞相在各自的高级轿车上安装自动空调这种自动空调装置，只要预先调好 温度，机器就能自动的在设定的温度范围内工作。机器根据传感器检测到车内、 车外环境的温度信息，自动地指挥空调器各部件工作，达到控制车内温度和其他 功能的目的。 第五阶段：微计算机控制。1 9 7 3 年美国通用公司和日本五十铃汽车公司一 起联合研究微机控制的汽车空调系统，1 9 7 7 年同时安装在各自的汽车上，将冷、 暖、通风三位一体化。由电脑按照车内外的环境所需，实现精确调整。随着微计 算机的发展，9 0 年代，通用汽车公司采用计算机控制模块，根据驾驶员输入的 温度以及车室内，室外温度传感器输入及制冷剂低压管路温度，经过计算得出气 流分送模式，鼓风机转速及空气混合风门开度，然后进行相应的控制。克菜斯勒 公司除了控制空气混合风门，鼓风机转速，模式风门外还对压缩机的占空比控制。 3 江苏大学硕士学位论文 日本丰田轿车采用自动控制系统，传感器分别测量车内温度，车外温度，蒸发器 温度，冷却水温度及太阳辐射强度，压缩机转速等参量，在自动控制功能下，空 调电子控制单元( e c u ) 首先计算送风温度，并根据送风温度自动控制压缩机离 合，鼓风机转速，空气混合风门的开度及送风模式。 我国最早的轿车空调器是7 0 年代由长春第一代汽车制造厂生产的，它为红 旗牌轿车配套。我国的轿车空调控制大多采用简单的温度和压力控制，它是通过 电磁压力开关来控制的，如果超过设定的压力，压力开关将切断系统，高压开关 位于压缩机到冷凝器的管路上，当系统由于堵塞而导致压力上升时，用它来切断 压缩机。当系统由于泄露而导致压缩机压力下降时，同样低压开关可以切断压缩 机，这些控制系统只能起到保护作用，并不能实现适时性和节能性的控制。 奥拓轿车空调控制系统为手动控制，主要依靠驾驶员拨动控制板上的各种功 能键实现对温度、通风和风速风向的控制，控制较简单。 天津夏利轿车空调控制系统由传感器、空 j 目放大器、压缩机电磁离合器和怠 速提高电磁阀等部件组成。空调放大器是控制白】中心部分，它以蒸发器出风温度 和发动机转速为控制信号，经过对控制信号进行变换、比较、判断、运算后，控 制压缩机、冷凝器风扇和怠速提高装置，所有调节均通过拨动操纵杠来实现。 广州标致5 0 5 型轿车空调电子控制系统注空调控制面板通过空调线束和真 空管路进行控制。面板直接发出指令给鼓风机和各个风门的真空驱动器发出温度 指令给空调电子控制盒，控制盒再根据面板的指令及四个温度传感器的阻值，进 行电位比较处理后，自动控制压缩机电磁离合器的吸合、鼓风机转速及热水阀的 开关，其控制不是通过计算而是通过一些比较器进行电位比较后实现的。 桑塔纳轿车的制冷系统是在暖风装置的基础上发展起来的，其采暖量的大 小，用改变水阀门的开度来调节，各出风口风门的启闭，原先是用真空电磁阀控 制真空驱动器来实现的，结构比较复杂，现在除了新鲜空气进风门外，全部改为 钢丝绳直接控制。 奥迪轿车空调系统有机械型和全自动控制型两种，装有p t 发动机的奥迪1 0 0 轿车上的空调为机械控制型，装有p r 发动机的奥迪1 0 0 ，2 0 0 轿车上，其空调 为全自动型。机械控制型的奥迪轿车的鼓风机有四个档位，以通过真空装置控制 循环风门开度及暖风供应量，出风的方向控制板由控制分配器旋钮控制，它有三 4 江苏大学硕士学位论文 个档位：中央出风口、吹脚风口和中央风口同时出风、除霜风口出风。根据蒸发 温度控制压缩机的开、停。国内高档轿车空调的自动控制器都是国外进口来的， 还没有真正意义上的自己开发的轿车空调自动控制器。 综上所述，国内轿车空调的自动控制水平远低于国外。到目前为止，国内轿 车车室内温度调节仍处于一个手动调节状态，还没有自己设计生产的具有自主知 识产权的轿车空调全自动控制器。 1 2 2 智能控制技术在汽车空调系统控制中的应用 智能控制技术是自动控制发展的高级阶段，是门新兴的交叉学科它是人工智 能控制论、系统论和信息论等多学科的高度综合与集成，是当今国内外自动化学 科中一个十分活跃和具有挑战性的领域。 著名的自动控制权威a u s t r o m 曾指出，模糊逻辑控制、神经网络控制与专家 控制是三种典型的智能控制方法，具有广阔的应用前景。目前已用于各种工业自 动化、冶金和化工过程控制，电力系统，智能机器 ，智能通信网络，智能化仪 器仪表，家电行业等领域，标志着它们已经进入了工程化和应用化的时代。 智能控制系统主要有两层含义：( 1 ) 智能控制系统是智能机自动完成其目标 的控制系统；( 2 ) 由智能机参与生产过程自动控制的系统称为智能控制系统 由上面的含义可知，由模糊系统、人工神经网络或专家系统所构成的自动控 制系统都可以称为智能控制系统。 利用自动控制理论而建立的开环、闭环、最优、自适应控制系统在汽车优 化控制中都有采用。建立这些控制系统时，首先对汽车某个系统如点火提前角优 化控制系统进行系统辨识，建立数学模型，然后采用相应的控制方法进行优化控 制。然而实践证明传统控制理论更适合于对线性系统的控制。 汽车空调系统的控制是由多个控制模块组成的，属于典型的强非线性大延迟 系统，因此采用传统的线性控制方法很难达到理想效果但人们在长期的研究实践 中发现，对于空调的控制，由熟练的操作工、技术人员或专家执行，总能通过其 历史经验和娴熟的控制技巧获得满意的控制效果。这就使研究人员得到启发，若 能把这些熟练的操作工、技术人员或专家的经验知识与控制理论相结合，把它作 为控制理论解决复杂生产过程的一个补充手段，那将使空调控制技术有一个突破 5 江苏大学硕士学位论文 性的进展。现代的计算机控制技术的发展也为这种设想提供了有效的工具。计算 机在处理逻辑运算、模糊信息、模式识别、知识与经验的积累等方面，完全可以 取代人的操作。当把这种计算机控制技术应用到上述复杂的控制过程中，使之达 到或超过人的操作水平时，这种由计算机实现的控制系统就具有了某些人的智 能，因此，把这样的自动控制系统称为智能控制系统。 智能控制技术中的模糊控制和神经网络等技术对于处理非线性，大时滞问题 具有很强的能力。本文就是采用模糊控制技术来设计控制算法，实现空调系统的 智能控制。 1 3 本课题的主要工作 本课题的研究是针对我国现有高档汽车上装置的自动空调控制系统基本上 依赖进口，国产化自动控制系统在汽车系统中的应用性研究较少，迫切需要对汽 车空调控制器实现电子自动化、国产化为目标而产生的。因此，本课题的研究内 容为： ( 一) 通过对汽车空调工作原理和空调总成的结构分析，设计了以 s t c l 2 c 5 a 1 6 a d 为核心的单片机控制系统，并对控制器硬件电路部分和软件做 了设计。 ( 二) 建立实现模糊控制算法的控制系统。阐述了如何实现对汽车空调系统 的自动化模糊控制。 ( 三) 温度的检测采用高精度的集成温度传感器d s l 8 8 2 0 实现。 ( 四) 编程过程中，采用模块化的设计方法，对各个子模块分别进行编程、 调试，再按控制要求将它们连接起来进行调试、分析。 ( 五) 上机运行所设计的程序，验证其正确性。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章汽车空调系统工作原理 2 1汽车空调系统概述 2 1 1 汽车空调系统的概念和组成 空调是空气调节器的简称，它的作用是对室内空气进行调节，使空气的温度、 湿度、流速和洁净度达到人体所需要的舒适范围。空气调节可分为生产工艺性空 调和舒适性空调【4 】。 汽车空调是空气调节工程的一个重要分支，属于舒适性空调，它是为了汽车 车室内或驾驶室内的空气质量和数量达到舒适性标准而进行调节的装置。现代汽 车空调已发展成冷暖一体化的装置，即不仅夏季制冷，而且冬季制热及送温风的 调节。汽车空调系统一般由以下几个部分组成【5 】： ( 1 ) 制冷系统：对车室内空气或由外部进入车室内的新鲜空气进行冷却或 除湿，使车室内空气变得凉爽舒适。一般包括压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、 干燥过滤器及连接管道，形成一个封闭的系统，通过制冷剂的流动和热力状态的 变化来完成吸热制冷的任务。 ( 2 ) 暖风系统：主要用于取暖，对车室内空气或d a j l , 部进入车室内的新鲜 空气进行加热，达到取暖、除湿的目的。供热热源可分为发动机余热式和独立热 源式 ( 3 ) 通风系统：将外部新鲜空气吸进车室内，起通风和换气作用。同时， 通风对防止风窗玻璃起雾也起着良好作用。可分为三种方式：内循环式、外循环 式和内、外混合循环式三种 ( 4 ) 空气净化系统：除去车室内空气中的尘埃、臭味、烟气及有毒气体， 使车室内空气变得清洁。 ( 5 ) 控制系统：对制冷和暖风系统的温度、压力进行控制，同时对车室内 空气的温度、风量、流向进行控制，完善了空调系统的正常工作。 7 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 汽车空调的性能评价指标 汽车直接暴露在太阳下或风雪下，隔热措施困难；汽车在行驶时有大量风沙、 废气从各种缝隙钻入车厢内，造成车厢内的空气污染并增加热负荷；汽车的行驶 速度变化无常，难以保证空调工况等。所以汽车空调的工作环境比房间空调器要 恶劣得多。 由于汽车这个“移动房间”的特殊工作环境，它与建筑空调有许多不同之处， 具体表现在以下诸方面： ( 1 ) 在炎热的夏季，由于汽车车厢容积小，而且车窗占的面积比例相对较 大，易受阳光直射，因此车厢内的温度很高。此外，车厢内的温度还受到地面热 ：量反射、人体散热、发动机的辐射热以及换气热的影响，因此汽车空调的热负荷 较大。 ( 2 ) 汽车空调制冷压缩机不能利用电力做动力，而要由汽车发动机或专门 的辅助发动机来驱动，因此对汽车的其它性能( 如汽车的加速性能、爬坡性能、 燃油经济性等均有一定的影响。 ( 3 ) 在发动机驱动时，汽车空调的制冷性能与汽车行驶速度有关。汽车高 速时冷量就大；汽车低速时冷量就小，特别是轿车空调。 ( 4 ) 汽车上空间紧凑，空调装置布置起来较困难，而且各种汽车空调部件 的通用性较差。 ( 5 ) 汽车车厢内乘务员所占空间比例较大，加上座椅和其它机械装置的高 低不平，直接影响了车厢内风速分布和温度分布的均匀性，从而影响了人体的舒 适性。 由于汽车空调自身特点，汽车空调应比一般房间空调具有更高的技术性能和 工作可靠性【6 】。具体要求如下： ( 1 ) 汽车空调在任何条件下，车厢内部都具有舒适的温度范围和气流平均 速度。舒适的温度范围，冬季为1 6 c 一2 0 c ，夏季为2 0 c 一2 8 c ；舒适的湿度范围， 冬季为5 5 。7 0 ，夏季为6 0 一7 5 ；舒适的气流平均速度一般为0 2 5 m s 。 ( 2 ) 汽车空调的控制机构和操纵机构要灵活、方便、可靠。 ( 3 ) 汽车空调的零部件要求可靠、体积小、重量轻安装维修方便。 ( 4 ) 汽车空调应具有快速制冷和快速采暖的能力。 8 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 汽车空调冷气装置工作时，对汽车发动机的动力消耗、燃油消耗、加 速和爬坡性能的影响尽可能小。 ( 6 ) 汽车空调在汽车上的结构布局要紧凑合理。零部件安装要有防震措施， 保证汽车空调在剧烈颠簸震动条件下能可靠工作。 综合以上分析，总结汽车空调的性能评价指标主要有下面几项门： ( 1 ) 温度指标：温度指标是最重要的一个指标。人感到最舒服的温度是冬季 为1 6 c 2 0 c ，夏季为2 0 c 。2 8 c ，超过2 8 。c ，人就会觉得燥热。超过4 0 c ，即 为有害温度，会对人体健康造成损害。低于1 4 c ，人就会感到“冷 。当温度下 降到o c 时，会造成冻伤。因此，空调应控制车内温度，以保证驾驶员正常操作， 防止发生事故，保证乘员在舒适的状况下旅行。 ( 2 ) 湿度指标：湿度的指标用相对湿度来表示。因为人觉得最舒适的相对 湿度冬季为5 5 7 0 ，夏季为6 0 7 5 ，所以汽车空调的湿度参数要求控制在 此范围内。 ( 3 ) 空气的清新度：由于车内空间小，乘员密度大，在密闭的空间内极易 产生缺氧和二氧化碳浓度过高。汽车发动机废气中的一氧化碳和道路上的粉尘， 野外有毒的花粉都容易进入车厢内，造成车内空气混浊，影响驾乘人员身体健康。 这样汽车空调必须具有对车内空气进行过滤的功能，以保证车内空气的清新度。 ( 4 ) 除霜功能：由于有时汽车内外温度相差太大，会在玻璃上出现雾霜， 影响司机的视线，所以汽车空调必须有除霜功能。 ( 5 ) 操作简单、容易、稳定：汽车空调必须做到不增加驾驶员的劳动强度， 不影响驾驶员的正常驾驶。 2 2 汽车空调系统原理 2 2 1 汽车空调系统基本工作原理 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。高级汽车空调还包括对车厢内空气净化、控n - - 氧 化碳含量和控制空气湿度等高级功能。一般汽车空调系统都可以分为采暖系统和 制冷系统两部分【8 1 。如图2 - 1 为汽车空调制冷循环图。 9 江苏大学硕士学位论文 图21 汽车空调制i 循环图 尉鲒- 1 a u t o m o b i l e a i r - c o n d i t i o n i n g r e f r i g e r a t i o n c i r c l i n g 制冷系统主要由压缩机、冷凝器( 包括冷凝风机) 、膨胀阀和蒸发器( 包括 蒸发风机) 组成。其制冷原理是利用液奋制冷剂殁热产生冷效应。首先，低压( 低 温) 液态制冷剂进入用来冷却车内空气的蒸发器，制玲剂加热在定压f 气化。由 于制冷剂在管内气化时的温度低于管外空气的温度，因此能自动地吸取车内主气 中的热量，使空气的温度降低，产生冷效应。然后，气化了的制冷剂通过压缩机 压缩，变成高于车井空气的高温高压气体。这时，制冷剂通过在车外的冷凝器将 热量释放到车外，制冷剂放热就变成了高压液态冷凝剂。最后，经过节流阀，恢 复到低压( 低温) 液态。所以，当空调要进行制冷时，必须开启压缩机使制冷剂 循环，从而降低车内温度。 采暖系统是由暖风散热器、暖水阀和风机组成。由于汽车行驶时发动机产生 大量热量，一般小型汽车空调都采用发动机余热采暖。发动机冷却水通过暖水阀 流入暖风散热器，从而升高通过暖风散热器的空气。所以，当空调要进行加热时， 必须开启暖水阀。 222 汽车空调的总成结构 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 2 所示 江苏大学硕士学位论文 f ii a i rd u c h n gh m eh e o t t r a l l w n d i t ；o e r u n d d a i rd w h “g d i a g r a m k f m 似i m u mh o a ro u b u 图2 - 2 冷暖合一型空调 r 1 9 2 - 2 a f t c o n m 如n w l t h r c f r l g c r a t i o aa n d h e a t i n g 内外循环风门由内外循环电磁阀控制，当内外循环电磁阀闭合时，汽车空调 处于内循环状态，这个时候只有车内回风能够进入空调风道。反之，当内外循环 电磁阀开时，空调处于外循环状态，这个时候不仅仅车内回风能够进入空调风道， 车卅空气也进入空调风道，也就制冷( 加热) 处理前空气是车内回风和车外新鲜 空气的混合气体。 鼓风机由鼓风机调速电路控制，其作用是推动空气在空调风道里流动，在全 和一型空调中，它同时也起了是制冷蒸发器风扇和暖风散热器风扇的作用。所以 鼓风机的快慢直接影响到了制冷蒸发器和暖风散热器的对流散热快慢，也就直接 影响剑了车内空气的调节速度。由于空调风道只有这一个鼓风机，所以无论是哪 个出风u 风速的大小都是由该鼓风机控制。制冷蒸发器连接制冷压缩机，压缩机 由压缩机电磁阀控制。当压缩机电磁阀吸台，压缩机开始工作蒸发器就能从流 过的空气中吸取热量，从而使空气降温。 暖风散热器由暖水电池阀控制，当暧水电磁阀吸合，发动机冷却水流过暖风 江苏大学硕士学位论文 散热器，这样就可以通过发动机余热进行热交换，将经过散热器的空气加热。 混合风门开度由混合风门电机控制。混合风门负责控制空气经过蒸发器和暖 风散热器的量，也就是控制经过两种处理空气的混合程度。 风向风门由风向风门电机控制。风向风门可以控制空调出风口的出风方式， 也就是控制经过处理的空气从除霜风口、下吹风口和前吹风口吹出。 综上所述，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。 2 3 汽车车厢的热力学分析 本文所研究的汽车空调电子控制器是针对使用全合一空气混合型的轿车空 调系统，也就是制冷与加热使用一套温度控制系统，其通过混合风门的开度调节 冷热空气的混合。在汽车空调的作用下，除空调对气体交换处理外，对车厢内热 平衡有显著影响的还有由车厢缝隙和换气系统缝隙进入的新风热、车身壁面传入 热、日照辐射影响传入热和人体发热几个方面。对于其它热交换相对较少。 首先，将汽车车厢可以看作一个定容定压控热系统。这里的汽车车厢热学模 型忽略了其他方面的影响，针对以上所述，假设空气为理想气体情况下，忽略气 体的动能和势能，根据热力学第一定律可以得到以下方程： q = q ，+ q 1 十q 2 + q 3 十q 4 ( 2 - 1 ) 其中：q 车厢总热量变化( ) ； q ，一空调输出空气与吸入空气热量差( 1 ( j ) ； q 1 车厢进入新风所产生的热量差( ) ； q 2 车身壁面传入热( ) ； q ，一日照辐射及影响热量( ) ； q 4 人体发热量。 根据热力学第一定律，理想气体等压变化可以得到： 1 2 江苏大学硕士学位论文 a q = m a h = p v 。c d t c ( 2 2 ) 其中：m 车厢内空气质量( 蚝) ； l 卜车厢空气焓值的变化( k j k g ) ； v c 一车厢总体积( 轿车估计为3 x 1 5 x 1 5 = 6 7 5 m 3 ) ： p 一空气密度( 在标准大气压下为1 2 2 5 k g m 3 ) ； c p 一空气比热容( 理想下1 0 0 3 k j k g k ) r 车厢内空气温度变化( k ) 。 我们把空调对空气的处理看成理想的热交换器，将车厢内一部分空气吸入， 然后经过热交换后从排风口排出相同体积的空气，则可以得到： a q ，= p y r e p ( t f t c ) = 0 v f s f a t c p ( t f t 。) ( 2 3 ) 其中：v f 一经过空调器热交换的空气体积( k g m 3 ) ； t f 一出风口空气温度( k ) ； 幽过的时间( s ) ； t c 车厢内空气温度( k ) ； v f 一空调鼓风机风速( 范围约为0 6 2 2 m s ) s f 一鼓风机出风口面积( 约为3 1 4 x 0 1 5 0 1 5 = 0 0 7 m 2 ) 。 对于新风进入车厢，我们可以看作车外空气的进入并且排出相应的车内气 体，根据热力学第一定律t q 1 = o v n c p ( t o t c ) ( 2 4 ) 其中：v 棚风空气的体积( m 3 ) ； t 0 车外空气温度( k ) 。 美国推荐每人每小时新风量1 1 立方米，所以v n 进一步表示为： v n = i i v 。a t 3 6 0 0 ( 2 - 5 ) 其中：尚车额定乘客个数( 轿车为5 人) ； v n i 设计上每人每小时获得的新风量( 等于l l m 3 h 人) 。 由于汽车没有良好的隔热性能，对于经过车身壁传导进入的热量对车厢内空 气温度影响比较大。我们对车身壁传入的热量可以使用如下公式计算t q ：= k 2 t a t ( t o t ) ( 2 - 6 ) 江苏大学硕士学位论文 其中：k ，一车身不透明隔热结构平均导热系数( 计算得2 9 8 x 1 0 。3 k j m 2 s k ) ； e 车身不透明隔热结构外表面积( 约为4 5 m 3 ) 。 在日照条件下，会使车表面和车内空气温度迅速升高，在夏天尤其明显，我 们这里可以将日照影响分为两个主要的影响部分，一部分为太阳辐射通过车窗的 辐射热量q 。，一部分是日光使车顶表面温度迅速升高然后传入的热量q 3 ：。 q 32q 3 1 + q 3 227 7 1 j + k 2 e ( 瓦一t ) = 7 7 1 t z f + k 2 f 3 p g a t l a ( 2 - 7 ) 其中：t 1 一太阳辐射通过玻璃的透入系数( 一般取0 8 4 ) ； f g 一车窗太阳方向有效面积( 约为0 3 m 2 ) ； i 一太阳辐射强度( 变化范围为水平面0 。1 ，垂直面0 - - 0 2 k j m z s ) ： f 3 车体太阳方向有效表面面( 约为1m 2 ) ； t 3 一太阳照射表面综合温度( 五型一t o ) “h p g 一车身外表面吸收系数( 取0 8 9 ) ； a h 对流换热系数( 车速4 0 k m h 时这里可以取3 4 9 x 1 0 。2 k j m 2 s k ) 。 对于乘客人体发热量，我们可以简单地按人数进行计算，公式如下： q 4 = 0 2 7 7 n q a t ( 2 8 ) 其中：n 一为车厢内人员个数； 姒均产生热量( 取值5 4 0 k j h 人，即0 1 5 k j s ) 。 综上所述，公式可以简化为： 斟sp 战c = p v i s i a r c r qf - 1 ) 七刚艇p ( t o t c ) 3 6 0 0 + k 。f c a t ( t o t 。) + r l f g l a t + k 2 f 3 p s a t i h a + o 2 7 7 n q a t ( 2 - 9 ) 经一步推导出： 谢s a c = p v s ? 亿口q | - tc ) + ( q n v n c p 3 6 0 0 + k ：f 。) ( t o t ) 七 ( 7 7 + k 2 e 砍a h y + o 2 7 7 n q ( 2 1 0 ) 当进一步将经验值和估算值代入公式( 2 1 0 ) 后可以得到简化的形式： t c = a l v f ( t f t c ) + a 2( t o t c ) + a 3 i + a 4 n ( 2 - 1 1 ) 1 4 江苏大学硕士学位论文 其中：a 1 o 01 0 5 ：a 2 加0 0 3 9 ：a 3 如0 3 9 5 ；a 4 o 0 0 5 。 2 4 汽车空调制冷加热处理的原理分析 前面提到，这里讨论的是全合一空气混合型全自动空调的轿车空调系统，它 的出气口空气是通过将经过蒸发器降温后和经过暖风散热器升温后的气体由混 合风门调节混合所得的。同时，上面的分析我们把空调对空气的处理看成理想的 热交换器，车厢内一部分空气吸入，然后经过热交换后从排风口排出相同体积的 空气。所以空调系统对空气的热处理可以分析为将一定量的理想空气根据不同的 比例分别经过与制冷蒸发器和暖风散热器的热交换后再次混合。假设空气为理想 气体，在热力学定律和交换散热理论的指导下可以得出以下公式。 a q 。= q 。+ q = x c k v c a t c + x h k h v h a t h ( 2 - 1 2 ) 其中：q 。一经过加热处理前后空气的热差； q 。- n 冷蒸发器的交换热； 绋一暖风散热器交换热； ) ( c 一代表制冷蒸发器的开关( 0 或者1 ) ； x h 一代表暖风散热器的开关( 0 或者1 ) ； k 一制冷蒸发器热交换系数( 约为0 7 ) ； k h 一暖风散热器热交换系数( 约为0 5 ) ； v 。一经过制冷蒸发器进行热交换的气体体积( m 3 ) ； v h 一经过暖风散热器进行热交换的气体体积( m 3 ) ； k 一制冷蒸发器温度( 约为0 摄氏度) 与处理前空气温度的差值； t h 一暖风散热器温度( 约为6 0 摄氏度) 与处理前空气温度的差值。 又由于假设理想气体有： q 口= pv p c p ( t f t m ) ( 2 - 1 3 ) 其中：v 厂经过处理气体的总体积( m 3 ) ； t 厂一热处理后空气温度( k 或) ； t 1 - 热处理前空气温度( k 或) 。 江苏大学硕士学位论文 又因为混合风门调节空气混合，所以可以得到： v p = v c + v h = ( 1 一入) v p + 入v p ( 2 1 4 ) 其中：入一经行加热处理空气的比例，理想情况下正比与混合风门开度。 所以，可以得到空调处理过程温度关系为： t f = 0 7 ( 1 一入) ( o t m ) ) 【c + 0 5 入( 6 0 - t i n ) x h + t m ( 2 1 5 ) 1 6 江苏大学硕士学位论文 第三章智能控制技术的应用 3 1 关于智能控制 3 1 1 智能控制的产生 控制理论从其产生至今大致可以分为以下三个阶段：【9 l 第一阶段是“古典控制理论”时期，主要是采用传递函数频率特性以及根轨 迹的分析方法，研究的对象主要是线性定常系统，用以解决单输入单输出问题； 第二阶段是“现代控制理论”，主要是将古典控制理论中的高阶微分方程转 化为一阶微分方程组，用来描述系统的动态过程，即所谓的状态空间法，用这种 方法可以解决多输入多输出问题，所研究的对象可以是线性的，也可以是非线性 的，既可以是定常数的，也可以是时变的： 第三阶段，这一阶段主要是从2 0 世纪7 0 年代来开始的，随着生产工艺及被 控对象的复杂化，控制理论向着“大系统 和“智能化”方向发展，特别是到了 8 0 年代，随着计算机技术的飞速发展，智能控制理论的研究及应用领域逐渐扩 大，为智能控制的产生和发展奠定了扎实的基础。 在传统的控制中，往往只考虑控制系统和被控对象所组成的“独立 体系， 忽略了环境所带来的影响，而环境的复杂性恰恰是以其变化的不确定和难以辨识 为特征的，因此对于大规模复杂的控制和决策问题，必须把外界环境和对象，以 及控制系统作为一个整体来考虑，进行分析和设计。对于控制目标或者控制任务， 以往都着眼于用数