（机械设计及理论专业论文）轿车空调智能温控系统的研究.pdf

摘要 摘要 轿车空调智能温控系统是一种用于实现车厢气温自动调节的装置，能够使车 厢温度快速准确地达到乘客期望的舒适性要求。 本文对智能温控系统的研究设计是针对我国国产轿车空调控制器多数使用手 动机械控制方式而无法满足乘客对乘车舒适性越来越高的要求，并远远落后于国 际水平的现状而提出和开展的。 为实现轿车空调温度控制系统的智能化和电子化，本文首先对轿车空调系统 总成结构、轿车空调制冷加热处理原理和车厢热力学模型进行分析，研究轿车空 调系统的基本工作原理；再根据轿车空调温度控制要求提出复合f u z z y p i d 智能 控制策略，同时设计该控制方法在轿车空调系统中的具体应用方案；其次采用 m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 工具箱对复合f u z z y p i d 控制策略进行仿真研究以验 证其可行性和特点；再其次对智能温控系统的各个功能模块和总体方案进行硬件 电路设计和软件程序编写；最后，结合轿车空调系统的工作原理，在p c 机上开发 出基于v b 软件的智能温控系统的模拟测试平台，并通过串口通讯的方式与智能温 控器进行数据交换，模拟在智能温控系统控制下的车厢温度变化情况。 通过测试与分析，表明本文开发的智能温控系统切实可行，工作性能达到预 期的设计要求。采用复合f u z z yp i d 控制策略对车厢温度的调节具有动态响应快 和稳态精度高的优点。 关键词：轿车空调；智能控制策略：单片机；仿真模拟 妄重三些奎兰三兰堡圭兰篁堡兰 a b s t r a c t i n 七e l g e n tt e m p e t a t u r ec o n t o l8 y s t e mo c a ta 讧c o n d i d o ni s ad e v i c ew h i c hc a n a c t u a l i z ec a ra i rt e m p e r a t u r ea d j u s t i n ga u t o m a t i c a l l y ，a n dm a k et h ec a ra i rt e m p e t a t u t e s a 七l s 印t h ec o m f o r t a b l en e e do fp a s s e n g e rf 8 p i d l ya n dc o n e c t l y a l m o s ta 1 1c a ra i r c o n d i t i o nc o n t r 0 1 l e r sa r em a u a lm e c h a n i s m si n t e r i o r l y t h e i n t e i l i g e n tt e n l p e r a t u r ec o n t r o l l i n gs y s t e mo fc a ra i r c o n d i t i o ni sd e s i g n e da n dr e a l i z e d b a s e do nm i c r o p r o c e s s o ra t 8 9 c 5 2a f t e rr e f e r i n gt ot h ev 0 1 u m eo fr e l e v a n td o c u m e n t s a n ds t u d y i n gt h e s p e c i a ls y s t e m s t r u c t u r eo fc a ra i r c o n d i t i o nw h i c h i n t e g r a t e s r e f r i g e r a t i o na n dw a r mi n t ow h o l e t h i sd i s s e n a t i o na n a l y z e st h ec o m p o u n df u z z y p i dt h e o r i e sa b o u tc o n t r o l l i n g a l g o r i t h m i te x p a t i a t e sh o wt oa p p l yt h i sr c a s o nt ot h ee l e c t r o m o t o ro fa i r m i x i n g d a m p e ro fc a ri n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o u i n gs y s t e m t h et e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mi si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i v ee x p e r 主m e n t a l i n v e s t i g a t i o na r ec o m b i n e dt od i s c l o s er e a l - t i m ec o n t r o lo fc a ri n d o o rt e m p e r a t u r e ， w h i c hi st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n st or e s e a r c ho nc a ra i rc o n d i t i o n i n gc o n t r o l l e ra n d i m p i d v e st h et e c h n o l o g yo fc a ra i rc o n d i t i o n i n gc o n t r 0 1 f i n a l l y ，t h es o f t w a r ea l g o r i t h m sa r ed e v e l o p e db a s e do nc o m p o u n df u z z y - p i d l o g i cs y s t e mu s i n ga s s e m b l e1 a n g u a g ei nc a rt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 1 i n gc o n t r o l l e r s t h e v a l i d i t i e so fa l g o r i t h m sa r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t s k e yw o r d s ： c a ra i 卜c o n d i t i o n i n g s y s t e m ，i n t e l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g y ，s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ，s i m u l a t i o n i i 第一章绪论 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 轿车空调的温度控制性能提出了更高的要求。 国外一些大轿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，目前还没有自主开发的具有自主知识产权的轿车 空调自动控制器。总体来看，我国目前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。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 率先申请了专利，对知识产权进行了保护，因此无法破解其核心技术，这样就形成 了引进一落后一一再引进一一落后的恶性循环，严重阻碍了我国轿车工业的发 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 对国内轿车工业造成很大的冲击和压力，轿车工业又面临着新的机遇和挑战。 我们只有自主开发适合我国交通、气候的轿车车空调全自动控制器，形成具有 自主知识产权技术，制订出轿车空调控制器的产品标准，才能提高我国轿车工业整 体水平，否则就会在竞争中失败，因而加紧轿车空调全自动控制系统的研究势在必 行。 目前，我国轿车保有量已超过1 2 0 0 万辆，轿车年产量约1 1 0 万辆，轿车空调市 场有着广阔前景。而现在进口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轿车工业的发展，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操作等优点将会越来越受到人们喜爱，因而我们 必须不失时机地抓住这个机遇，自主开发研制先进的轿车空调控制系统，不仅会产 1 广东工业大学工学硕+ 学位论文 生巨大的经济效益，而且对我国的经济建设，轿车工业的发展都具有促进作用。 本课题是对一汽集团红旗汽车的全合一空气混合型的轿车空调系统进行调研 的基础上，结合红旗汽车自身的特点，通过控制策略仿真和软硬件系统模拟试验的 手段，对轿车空调智能控制方法进行研究，并设计出轿车空调全自动控制系统中的 核心部分智能温控系统。 1 2 国内外研究现状和分析 我国现有主要轿车空调生产厂家多家，其中绝大部分是引进国外技术生产线和 生产设备，还有些是中外合资企业，国内汽车空调技术的研究和开发特别在自动控 制方面与国外的差距很大，由于没有掌握核心技术，导致产品缺乏竞争力，难以满 足整车企业的系统化、模块化采购。 另外在温度控制方法方面，学术界普遍认为p i d 控制等传统控制理论更适合于 对线性系统的控制；而模糊控制和神经网络等理论适用于描述非线性系统。对模糊 理论与传统控制理论的关系学术界进行了很多的讨论。 1 2 1 国外研究现状 国外一些大汽车公司的汽车空调系统代表了全自动空调的最高水平。目前，美 国，欧洲，日本等汽车工业发达国家的汽车公司已经相继开发出各自的自动空调系 统2 州。 通用汽车公司某型轿车车身计算机模块( b c m ) 控制的空调系统是较典型自动空 调系统。高模块监视高压管路、低压管路的温度以及蓄压罐的压力发动机冷却水温 等信号。如果系统不在设定的范围内工作，b c m 将压缩机电磁离合器脱离。该系统 用一个双向电动机调节混合风门开度，并用5 个操纵机构分别控制各个模式风门和 加热器热水阀，还用功率模块控制鼓风机的转速。根据驾驶员输入的温度、车室内 外温度及制冷剂低压管路温度，b c m 计算出气流分送模式，鼓风机转速及混合风门 开度，然后进行相应的控制。 而克莱斯勒公司的某些轿车空调还以占空比的方式对压缩机离合器进行控制 “1 。日本丰田某型轿车自动空调监测车内外温度、蒸发器温度、冷却水水箱温度以 2 第一章绪论 及阳光辐射强度、压缩机转速等参量，通过控制压缩机磁吸、风机转速和温度混合 风门、新风风门和模式风门的伺服电机，进行车室温度调节。自动功能下该空调 e c u ( 电子控制单元) 首先计算送风温度，并根据送风温度控制风机转速、混合风门 开度、压缩机启停及送风模式“3 。 模糊控制在国外发展非常迅速，在i 阻e 上有关于模糊系统的专刊，而且定期举 行模糊系统协会国际会议。在欧美、日本等地，模糊控制理论迅速应用到了商业产 品中去，其中就包括日本把模糊控制成功应用到地铁和各种家电产品的实例”1 。 现在在国外的模糊控制理论研究基本上在每个领域上都取得了成功，当中包括 工业温度控制”，大型空调系统控制”儿”1 和电冰箱温度等。在多输入输出非线性 系统领域取得了骄人的成功，突破了传统控制方法的局限“。 1 2 2 国内研究状况 从市场占有情况看，由于目前大多数轿车空调生产未上规模，加上总类繁多， 国内轿车空调销售市场仅为几家所垄断。比较而言，国内的汽车空调控制要稍逊一 些。广州标致汽车空调的电子控制系统根据车内温度、环境温度、蒸发器温度、送 风温度及人为设定值、通过控制风机转速、压缩机离合器开合及热水阀大小来进行 温度调节。奥迪1 0 0 汽车的空调系统模式风门是手控的，鼓风机转速由继电器控制， 压缩机离合根据蒸发器温度控制。奥拓汽车空调就更为简单，没有舒适性控制用的 传感器，对室温靠人为控制。另外一些形式的汽车空调还未产品化。有人认为光线 的入射角会对热负荷影响很大，而对此制定了一套相适应的控制策略。也有这种研 究如何通过计算确定送风量、送风温度的分布是很不均匀的，并且均匀分布的温度 场也会由于人的舒适感不同而产生舒适性差异。对此有人研究针对前排、后排车座 的双蒸发器运行情况，并进行相应的控制。还有人针对司机和乘客的个体舒适性用 不同出口进行控制。通过控制压缩机启停来控制车厢内温度也需进行相应的控制才 能达到更优“。 国内8 0 年代就参加到模糊控制领域的研究讨论当中“，到了9 0 年代和最近几 年，已经在模糊控制等智能控制领域得到了较成熟的发展。在理论研究方面国内研 究涉及了基于传统p i d 的模糊控制“，基于神经模糊网络模糊控制“6 3 和时空混沌的 自适应模糊控制“7 1 等。可以说国内的理论研究己经朝纵深发展，理论体系也比较完 3 广东工业大学工学硕士学位论文 善。 而在实践应用领域，模糊控制在近几年几乎涉及到各个重、轻工业领域。在空 调制冷系统“”“，温度控制系统“”和各种家庭小电器中都可以看见用模糊控制方 法实现优化处理的应用文章。“。 国内汽车空调生产企业如何利用电子技术提升传统空调产品的技术含量走上 专业化、规模化经营之路，将成为我国未来几年汽车空调业迫切需要解决的问题。 1 3 本论文的研究内容 针对我国国产轿车空调控制器多数使用手动机械控制方式的现状，本课题的研 究内容主要是围绕如何实现轿车空调温度控制器电子化和智能化而展开的。研究内 容概括如下： 1 通过对轿车空调系统总成结构、轿车空调制冷加热处理原理和车厢热力学 模型的调研和分析，研究轿车空调系统的基本工作原理。 2 研究p i d 控制策略和模糊控制策略的基本原理，根据汽车空调温度控制的 特定情况提出复合f u z z y p i d 智能控制策略，并阐述该控制方法在轿车空调系统 中的具体实施。 3 采用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 工具箱分别对单一p i d 控制、单一模糊控 制和复合f u z z y p i d 控制三种控制策略在轿车空调温控系统中进行仿真研究，通 过三种情况下的车厢温度变化过程的仿真、分析和比较，选择最优的控制策略。 4 研究并设计轿车空调智能温控系统的各个硬件功能模块的具体实现方案， 并最终设计出整个智能温控系统的硬件电路。 5 研究轿车空调智能温控系统的各个功能模块的具体软件算法和程序设计。 6 完成温控系统的软硬设计后，结合轿车空调系统的工作原理，研究在p c 机上利用v b 开发智能温控系统的模拟测试平台，并通过串口通讯的方式与智能温 控器进行数据交换，模拟在智能温控系统控制下的车厢温度变化情况，以测试智 能温控器的实际工作性能是否达到预期的设计要求。 4 第二章轿车空调系统的工作原理 第二章轿车空调系统的工作原理 2 1 轿车空调基本原理 空调的基本功能是通过调节空气的三度，即温度、洁净度与湿度，从而使室内 空气环境达到人体的舒适度要求。目前，一般轿车空调系统采用采暖系统、制冷系 统和风道系统三部分。”实现对车厢空气的温度调节。而高级轿车空调还包括对车厢 内空气净化、控制二氧化碳含量和控制空气湿度等高级功能。 轿车空调制冷系统采用的是蒸汽压缩式制冷循环，主要由压缩机、冷凝器、膨 胀阀、蒸发器等组成。制冷剂在制冷系统中周而复始地进行循环，就可以使车内的 温度维持在舒适的状态。压缩机由压缩机电磁阀控制，所以当空调要制冷时，压缩 机电磁阀必须吸合。 采暖系统是由暖风散热器、暖水阀和风机组成。由于轿车行驶时发动机产生大 量热量，一般小型轿车空调都采用发动机余热采暖。发动机冷却水通过暖水阀进入 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 开启暖水阎。 2 2 轿车空调总成的结构 本文以一汽红旗明仕系列车型的轿车空调系统作为研究对象，其空调总成是采 用冷暖完全合一型，其风道系统的设计形式如图2 1 所示“。 1 车外进风：2 车内进风：3 内外循环风门；4 鼓风机；5 混合风门；6 制冷蒸发器 7 暖风散热器；8 风向风门；9 除霜风门；l o 下吹风l ；1 1 前吹风口 图2 1 全合一型轿车空调结构 f i g ，2 一la l li no n et y p ea i r c o n d i t i o n 5 广东工业大学工学硕士学位论文 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，轿车空调处 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，车外 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模块电路控制，其作用是推动空气在空调风道里流动，在 全合一型空调中，它同时也起到了制冷蒸发器和暖风散热器的风扇的作用。所以鼓 风机的快慢直接影响制冷蒸发器和暖风散热器的对流散热快慢，也就直接影响到了 车内空气的调节速度。 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 合，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磁阀控制，当暖水电磁阀吸合，发动机冷却水流过暖风散 热器，这样就可以通过发动机余热经行热交换，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，整个轿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、鼓风机调速模块、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 轿车空调制冷加热处理的原理 本文所研究的轿车空调智能温控系统是针对使用全合一空气混合型的轿车空 调系统，该类型空调系统的制冷与加热使用一套温度控制系统，其通过混合风门的 开度来调节冷热空气的混合。 混合风门是全合一空气混合型轿车空调系统最重要的温度调节机构，其作用是 将一定量空气按不同比例分配后分别流经制冷蒸发器和暖风散热器，然后再混合， 从而调节出风温度。假设空气为理想气体，根据热力学定律和交换散热理论得出空 调输出空气与吸入空气热量差q 。为。“： 6 第二章轿车空调系统的工作原理 q 。= q 。+ q = x 。k 。k 瓦+ x k k 瓦 ( 2 1 ) 式中：q ，一一制冷蒸发器的交换热( k j ) ； q 暖风散热器交换热( k j ) ； x 代表制冷蒸发器的开关( o 或者1 ) ； x 。代表暖风散热器的开关( 0 或者1 ) ； k 一一制冷蒸发器热交换系数( 约为o 7 ) ； 墨。暖风散热器热交换系数( 约为o 5 ) ； v 经过制冷蒸发器进行热交换的气体体积( m 3 ) ； k 经过暖风散热器进行热交换的气体体积( m 3 ) ； t 制冷蒸发器温度( 约为o 摄氏度) 与处理前空气温度l 的差值； 瓦一一暖风散热器温度( 约为6 0 摄氏度) 与处理前空气温度0 的差值。 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： q ，= p k c ，吒一l ) = p v ，s ，f c ，时一l ) ( 2 - 2 ) 式中：丁，一一出风口空气温度( k ) 5 f 经过的时间( s ) ； l 一一车厢内空气温度( k ) ； c 。一一空气比热容( 理想状态下1 0 0 3 k j k g k ) ； v ，空调鼓风机风速( 范围约为o 6 2 2 m s ) ； s ，一一鼓风机出风口面积( 约为3 1 4 o 1 5 $ o 1 5 = o 0 7 m 2 ) ； y 。一一经过空调处理的空气体积( k g m 3 ) 。 k = k + k = ( 1 一丑) 匕+ a y ， ( 2 3 ) 其中五为进行加热处理的空气的比例，理想情况下正比于混合风门开度。 根据( 2 1 ) 式、( 2 2 ) 式和( 2 3 ) 式得出出风口空气温度d 与混合风门开度五、车厢 温度l 、冷蒸发器的开关x 。和暖风散热器的开关x 。的关系： 丁，= 0 7 ( 1 一a ) ( 0 一l ) x 。+ 0 5 丑( 6 0 一l ) x + l( 2 4 ) 7 广东工业大学工学硕士学位论文 2 4 轿车车厢的热力学分析 将空调车厢看作一个定容定压控热系统，这里仅考虑轿车空调对气体的热交换 处理，而不考虑轿车车厢热力学模型的其他方面的影响( 即暂时不考虑由车厢缝隙 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 ，l 个方面对车厢内热平衡的影响) ，假设空气为理想气体，忽略气体的动量和势能， 根据热力学第一定律得到以下方程： q ，= m = p c ，l( 2 5 ) 式中：m 车厢内空气质量； 幽车厢空气焓值的变化( k j 垤) ； 车厢总体积( 轿车估计为3 1 5 $ 1 5 = 6 7 5 m 3 ) ； p 空气密度( 在标准大气压下为l - 2 2 5 垤m 3 ) ； l 车厢内空气温度变化( k ) 。 l = 乙( t + 1 ) 一l ( 女)( 2 6 ) 式中：k 一一采样序号 l ( t ) 一一k f 时刻的车厢内空气温度( k ) ； l ( + 1 ) ( 女+ 1 ) 出时刻的车厢内空气温度( k ) 。 由( 2 2 ) 式，( 2 5 ) 式和( 2 6 ) 式得： 乙( t + 1 ) ：l ( 女) + 芒k ( ) 一l ( ) ( 2 7 )乙( t + 1 ) = l ( 女) + l p r ( ) 一l ( ) j( 2 7 ) rm 式中：丁，( 女) 七血时刻的出风口空气温度( k ) ； 设：兰兰，模拟测试时作为常数处理，则有 k 乙( 女+ 1 ) = zr r ( ) + ( 1 一z ) l ( 女)( 2 8 ) 把( 2 4 ) 式代入( 2 8 ) 式，得到( 七+ 1 ) - 血时刻的车厢空气温度l ( k + 1 ) 和- m 时的 车厢空气温度l ( 女) 以及混合风门的开度参数五( 七) 的关系式如下： l ( + 1 ) = z 0 7 阻( 女) 一1 l ( 女) x 。+ o 5 - 五( k ) 【6 0 一乙( ) x 。+ l ( 七) 】) + ( 1 一z ) l ( ) 该式将作为第七章的控制器模拟测试平台中的车厢温度调节的热力学模型。 8 第三章轿车空调智能温控系统的控制策略究 第三章轿车空调智能温控系统的控制策略研究 p i d 控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一，由于其算法简 单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。然而p i d 控制往往需要在 了解受控系统的函数特性才能得到有效的控制，对于那些很复杂，非线性的系统它 需要花太多时间进行拟合。“。 而近年来日益流行的模糊控制，其作为其中一种最广泛应用的智能控制技术， 具有鲁棒性好，不需要知道控制目标和对象的精确数学模型，适于具有大滞后和非 线性时变系统等优点，但容易因控制规则的粗糙而引起稳态误差。所以，对于空调 车厢采用单纯的模糊控制方法也很难达到满意的结果“。 本文提出将复合f u z z y p i d 控制这一新型的智能控制方法，应用到全合一空气 混合型的轿车空调系统的温度自动控制中。把模糊控制与p i d 控制两者结合起来后， 能扬长避短，既具有模糊控制的灵活、响应快和适应性强的优点，又具有p i d 控制 精度高，克服稳态误差能力强的特点”。其主要思想是：设计一种模糊控制器，当 系统处于过渡过程时采用模糊控制；进入稳态过程后，如有稳态误差则切换到p i d 控制。这样，当滞后和参数变化比较大及有干扰时，复合f u z z y p i d 控制方法仍能 取得较好的控制效果。 3 1 轿车空调智能温控系统的p i d 控制器的设计 在使用计算机来实现自动控制的系统中，p i d 控制算法也是应用十分广泛的一 种控制规律。这不仅是由于p i d 控制是连续系统理论中技术成熟、应用广泛的一种 方法，而且也是因为p i d 控制的参数整定方便、结构改变灵活、操作人员容易掌握， 对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果。在系统设计时由于各种原因很难得 到精确的数学模型，理论设计的控制器参数往往不得不依靠现场调试。p i d 控制正 具备了这种灵活性和适应性。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 3 1 1p i d 的控制作用 图3 一l 模拟p i d 控制系统原理图 f i g 3 一lp r i n c i p l ed i a g r a mo fa n a l o gp i dc o n t r o ls y s t e m p i d 控制器，即由比例、积分及微分三种控制规律组合成的控制器，如图3 1 所示。其作用是将给定值r ( t ) 与被控参数的实际输出值之差e ( t ) = r ( t ) 一y ( t ) 作为控 制器的输入，控制器按偏差比例加积分加微分形成控制量。 比例控制环节的作用是使输出u ( t ) 与输入偏差e ( t ) 成正比。因此，只要偏差e ( t ) 一出现，控制器立即产生控制作用，使被控参数朝着减少偏差的方向变化，具有控 制及时的特点。控制作用的强弱取决于比例系数k ，的大小。但比例控制会产生静态 偏差( 简称静差) ，静差是指控制过程稳定时，给定值与被控参数测量值之差。 为了消除比例控制的静差，可在比例控制的基础上加上积分环节。只要偏差e ( t ) 不为零，它将通过积分作用影响控制量u ( t ) ，以求减小偏差，直至偏差为零，控制 作用不再变化，系统达到稳定。 积分控制作用的加入，虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代价的。 为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差量做出即时反应 ( 即比例控制作用) ，而且还要对偏差量的变化做出反应，使偏差消灭在萌芽状态。 为了达到这一目的，在上述比例、积分控制的基础上加入微分环节，得到式( 3 1 ) 描 述的p i d 控制规律： 硼m ，卜+ 毒卅警j b ， 式中：e ( t ) 调节器输入函数，即给定量r 与输出量y ( t ) 的偏差； u ( t ) 调节器输出函数： 足。比例系数； l 积分时间常数； 第三章轿车空调智能温控系统的控制策略究 l 一一微分时间常数。 加入微分环节后，即使偏差很小，但只要出现变化的趋势，便马上产生一种控 制作用，以调整系统的输出，阻止偏差的变化，故微分控制作用也被称为“超前” 控制作用。故微分作用的加入将有助于减小超调、克服震荡，使系统趋于稳定。它 加快了系统的动作速度，缩短了调整时间，从而改善了系统的动态性能。 p i d 控制器，在阶跃信号的作用下，首先是比例和微分作用，使其控制作用加 强。然后再进行积分，直到最后消除静差为止。因此，采用p i d 控制器，无论从静 态、还是从动态的角度来说，控制品质都得到了很好的改善。因而p i d 控制器成为 一种应用最为广泛的控制器。 在工业控制中，模拟p i d 控制器有电动、气动、液压等多种形式。它们都是由 硬件来实现p i d 控制规律的。自从电子计算机进入控制领域以来，用计算机软件来 实现p i d 控制算法不仅成为可能，而且提供了更大的灵活性，从而得到广泛的应用。 3 1 2 数字p i d 控制算法 在连续控制系统中，模拟调节器最常用的控制规律是p i d 控制，其控制规律如 式( 3 1 ) 所示。因为式( 3 1 ) 表示的调节器的输入函数及输出函数均为模拟量，所以计 算机是无法对其进行直接运算的。为此，必须进行离散化处理。离散方法如下： 取t 为采样周期，k 为采样序号( k = 0 ，l ，2 ，3 i ) ，因采样周期t 相对于信号变 化的周期是很小的，这样可以用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，即： 拈丁塾 出( f )e ( k ) 一e ( 一1 ) 西r 于是式( 3 1 ) 可写成： “c t ，= k ，e c t ，+ 毒薹；e i 丁+ 丁j ! ! ! 半 p z ， 1 ff = 0 1 式中：u ( k ) 采样时刻k 时的输出值5 e ( k ) 采样时刻k 时的偏差值； e ( k 一1 ) 采样时刻k l 时的偏差值。 广东工业大学工学硕士学位论文 式f 3 2 ) 中的输出量u ( k ) 为全量输出。它对应于被控对象的执行机构每次采样时 刻应达到的位置，因此，式( 3 2 ) 称为p i d 位置控制离散化算式。 应当指出的是，按式( 3 2 ) 计算u ( k ) 时，输出值与过去所有状态有关，计算时要 对e ( k ) 进行累加，计算机运算工作量大、占用内存多，而且，因为计算机输出的u ( k ) 是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u ( k ) 的大幅度变化会引起执行机构 位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造 成重大的生产事故，因而产生了增量式控制的控制算法。所谓增量式是指数字控制 器的输出值只是控制量的增量u ( k ) ： “( 七) = “( 七) 一“( 七一1 ) 瑙，叫) + 和) 粤胁2 毗- 1 ) 州) ( 3 s ) t = k t 时的控制量为：u ( k ) = u ( k 1 ) + u ( k ) f 3 4 1 由式( 3 3 ) 可以看出控制增量u ( k ) 的计算非常简单，只需要把t = ( k 一1 ) t 和 t = ( k 一2 ) t 的历史数据e ( k 1 ) 和e ( k 一2 ) 保存起来即可。u ( k ) 计算简单，即使需要位 置输出也可用式( 3 4 ) 计算u ( k ) 。增量式控制虽然只作了一点改进，却带来了不少 优点。因此，在实际控制时，增量式算法比位置式算法应用更为广泛。 式( 3 3 ) 可以表示为： “扯) = a e 伍) + b e 眯一1 ) + c p 忙一2 ) 其中：a 咆( ，弓+ 和曰喝( + 孕) c 喝等 又因为积分系数k ，= k ，t t 。，微分系数k d - k ，t 。t ，故系数a 、b 和c 也可表示如下： a = k p + k 1 + k d ；b = 2 k d k i ：c = k d 3 2 轿车空调智能温控系统的模糊控制器设计 自动控制包括传统的控制技术和智能控制技术，智能控制是控制理论发展的高 级阶段。由于人体舒适感的模糊性和轿车空调系统的复杂性，人们难于建立关于轿 车空调自动控制的控制目标和控制对象精确的数学模型。这样，以精确数学模型为 必要条件的传统控制理论应用于轿车空调系统存在许多不能解决的问题。而模糊控 第三章轿车空调智能温控系统的控制策略究 制作为一种最广泛应用智能的控制技术之一，具有不需要知道控制目标和对象的精 确数学模型，适于具有大滞后和非线性时变系统等优点而被人们广泛关注。 3 2 1 模糊控制理论基础 1 模糊控制系统基本原理在实际生产过程中，有经验的操作人员，虽然不懂 被控对象或被控过程的数学模型，却能凭借经验采取相应的决策，很好地完成控制 过程。这里人的经验可以用一系列的具有模糊性的语言来表达，这就是模糊条件语 句。再用模糊推理对系统的实时输入状态观测量进行处理，则可产生相应的控制决 策，这就是模糊控制。 最基本的模糊控制系统结构如图3 2 所示。从图中可以看出，它和传统的控制 系统结构没有多大区别，只是用模糊控制器取代传统的数字控制器。在模糊控制系 统中，模糊控制器的作用在于通过电子计算机，根据精确量转化而来的模糊输入信 息，按照语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，将其转化为精确量，对 被控对象进行控制作用。 模糊控制器清晰量“ 图3 2 模糊控制系统结构图 f i g 3 2f r a m e w o r kd i a g r a mo ff u z z yc o n t r o ls y s t e m 一般说来，模糊控制器有三个主要的功能模块。 ( 1 ) 模糊化将变量的实际变化范围化分成若干等级，这些等级的全体成为变量 的论域。在这个论域上定义相应的语言变量值。将实际变化范围内的输入值转换成 论域范围内的有关等级值的过程称为模糊化过程。 ( 2 ) 模糊控制推理及控制规则模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，手 动控制过程一般是通过对被控对象( 过程) 的一些观测，操作者再根据己有的经验和 技术知识，进行综合分析并做出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使 系统达到预期的目标。可以采用微机完成这个任务，从而代替人的手动控制，实现 广东工业大学工学硕士学位论文 所谓的模糊自动控制。利用语言归纳手动控制策略的过程，实际上就是建立模糊控 制器的控制规则的过程。也就是说，这些手动控制规则的经验总结就成了模糊控制 规则，并用模糊条件语句来表述。 ( 3 ) 精确化模糊控制器的推理结果是模糊量，由于模糊量是一个模糊子集，而 实际被控对象所需的控制信号是精确值，所以模糊控制器的推理输出是不能直接用 作实际控制的，为了从推理结果中取得用于控制的精确量，需要对模糊推理结果进 行一定的处理。对模糊量进行处理，求取一个能恰当的反映模糊量的精确值的过程 称为精确化。有时也称为反模糊化，也称之为模糊决策或模糊判决。模糊量的精确 化有很多方法，其中较常用的主要有以下几种：最大隶属度法、中位数法和面积重 止p 法。 2 模糊控制的特点模糊控制不用建立数学模型，模糊控制获得巨大成功的主 要原因在于它具有如下一些突出特点： 1 ) 适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以求 得，只根据实际系统的输入输出结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对 系统进行实时控制。 2 ) 模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性的 表达，构成了被控对象的模糊模型。 3 ) 模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。该系统尤其 适用于非线性，时变，滞后系统的控制。 4 ) 抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。 正因为模糊控制有这么多优于现代控制的特点，本课题中温度的控制在系统处 于过渡过程时采用了模糊控制技术，轿车空调温度控制系统的控制执行机构是混合 风门，控制目标是使车内温度达到设定的温度。 3 2 2 模糊控制器的设计 轿车空调的温度模糊推理如图3 3 所示 1 4 第三章轿车空调智能温控系统的控制策略究 图3 3 温度模糊推理 f i g 3 3t e m p e r a t u r ef u z z y1 0 9 i c 1 模糊控制器的结构设计3 模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输 入变量和输出变量。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，即输入变量个数越多， 控制越精细。但维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法实现相当困难。 所以本系统中选用两维模糊控制器。由于温度偏差变化率即能反映外界环境对温度 的影响，同时也反映车厢内人员的状态和变动情况，又考虑到系统的动态特性，装 置的实施等因素，所以选定温度的偏差及温度偏差变化率为模糊控制器的输入变。 输入变量为温度偏差e 和偏差变化率e c ，输出变量为控制量u ，即混合风门的开度， 风门开度越大，经过加热器的风就越多，温度就上升得越快。 2 精确量的模糊化精确量模糊化就是把物理量的精确值转换成语言变量值。 在以人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p l ，p m ，p s ，o ，n s ，n m ，n l 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p o ，n 0 表示之。 在轿车空调智能温控系统中，温度偏差为温度设定值和温度测量值之差。我国 南北温差大，同地冬夏温差也十分大，在一个典型的温带海洋性气候的沿海城市， 一年气温将在一1 0 3 0 之间徘徊。而按照医学研究结果，人感受的最佳环境温度 为2 4 l 。本文把温度设定值的范围定为1 5 到2 8 ，定义温度偏差e 的论域为 一2 0 ，2 0 ，温度偏差变化率e c 的论域为 一4 ，4 ，风门电机的输出量u 的论域为 0 ，1 0 0 ( o 表示最大制冷，1 0 0 表示最大采暖) 。对e ，e c 和u 的模糊状态e ，e c 和u 的整数论域分别定义如下： e 和e c 的论域为：卜4 ，一3 ，一2 ，一1 ，o ，l ，2 ，3 ，4 ) 广东工业大学工学硕士学位论文 u 的论域为： 一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一1 ，0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 因此，量化因子k e = 4 2 0 = o 2 ，k e c = 4 4 = 1 ，k u = 1 1 0 = o 1 。 下面把物理量的精确值转换成语言变量值，一股对语言变量分5 到1 0 档，整数 论域为档级数的1 5 到2 倍。如果档级过少，语言变量值过于粗糙，对控制的质量有 不良影响。如果档级过多，则语言变量过细，关系矩阵过大，占用内存太多。针对 轿车空调温度控制模糊控制器，将e ，e c 和u 的模糊语言定义如下： e 和e c 的模糊集均为： n b ，n s ，z e ，p s ，p b ： u 的模糊集为： n b ，n m ，n s ，n 0 ，p o ，p s ，p m ，p b ) 。 隶属度函数的建立有一定的原则，模糊控制过程对于语言变量值的隶属度函数 形状并不敏感，只是对隶属度函数的范围有一定的敏感，所以在控制中选用三角形 或梯形的隶属函数是较为合适的，因为有利于计算隶属度。 3 模糊控制规则的确定本系统采用i fa ia n db it h e nc i 为模糊控制规则， 其中a i 为温差e 的模糊子集，b i 为温差变化率e c 的模糊子集，c i 为风门开度增量u 的模糊子集。 根据车厢温度变化的参数特点和现场实际操作经验及专家的知识理论，总结出 表3 一l 所示的模糊控制规则表。 表3 1 模糊控制规则表 t a b l e 3 一lf u z z yc o n t r o lr u l et a b l e 毒迭 n b n s0p s p b n bn bn | v |n s00 n sn 卜1n h00p s 0n s n s0p s p m p s n s 0 p h p bp b p b0p s p m p b p b 建立模糊控制规则的基本思想：当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误 差为主，而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出 发点。以误差为正大时，误差变化为正大为例，这时误差有增大的趋势，为尽快消 第三章轿车空调智能温控系统的控制策略究 除己有的正大误差并抑制误差变大，所以控制量取正大，即使风门开度达到最大， 增加通过加热器的风量。 4 模糊量的精确化为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量u 转换 为精确量u ，即对模糊量进行清晰化处理。模糊量的精确化也就是求取模糊控制表。 求取模糊控制表必须把输入的所有情况都考虑到，下面以系统输入偏差e 的论域值 为1 ，偏差变化率e c 的论域值为2 为例来介绍怎样确定模糊输出量u 。 偏差e 为l ，偏差变化率e c 为2 时，如图3 4 的隶属度函数所示，对于偏差量有： u ，( 1 ) = 0 2u ，。( 1 ) = 0 4 其余模糊集的隶属度都为0 。 第条规咧 。爪 。- 2 、钐钐形杉黝k e 。24 1234 第= 条 鼎j 尺弋i。l 门 1l 黝 12。 e 。!4 。345 ” 图3 4 模糊推理过程 f i g 3 4t h ep r o d u c e ro ff u z z yl o g i c 对于输入的偏差变化率，有u ，。( 2 ) = 1 其余的模糊集的隶属度都为o 。 根据z e ：和p s 。在模糊状态控制表里可查得u = p m ，同理，由p s 。和p s 。可查出u = p b ， 即对于当前输入值，有两条控制规则是有效的： i fe = z ea n de c = p st h e nu = p m i fe = p sa n de c = p st h e nu = p b 由以上控制规则，再根据l a z a d e h 的模糊推理算法，得出实现模糊推理过程 如下： 首先取第一条规则中两个前件的隶属度的最小值，对后件的模糊集求截集，见 图4 7 的阴影部分，则对于该控制规则求得的控制量的模糊截集有： u ，。( 1 ，2 ) = m i n ( o 2 ，1 ) = o 2 1 7 广东工业大学工学硕上学位论文 然后再取第二条规则两个前件的隶属度的最小值，对其后件的模糊集求截集 见图3 4 的阴影部分，则对于第二条规则所求得的控制量的模糊截集有： u ，。( 1 ，2 ) = mi n ( o 4 ，1 ) = o 4 ，4o- z1u1zj4b 图3 5 输出模糊量 f i g 3 5f u z z yc