（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)論文）轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)的研究.pdf

摘要 摘要 轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)是一種用于實(shí)現(xiàn)車廂氣溫自動(dòng)調(diào)節(jié)的裝置，能夠使車 廂溫度快速準(zhǔn)確地達(dá)到乘客期望的舒適性要求。 本文對(duì)智能溫控系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)是針對(duì)我國(guó)國(guó)產(chǎn)轎車空調(diào)控制器多數(shù)使用手 動(dòng)機(jī)械控制方式而無(wú)法滿足乘客對(duì)乘車舒適性越來(lái)越高的要求，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó) 際水平的現(xiàn)狀而提出和開(kāi)展的。 為實(shí)現(xiàn)轎車空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的智能化和電子化，本文首先對(duì)轎車空調(diào)系統(tǒng) 總成結(jié)構(gòu)、轎車空調(diào)制冷加熱處理原理和車廂熱力學(xué)模型進(jìn)行分析，研究轎車空 調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理；再根據(jù)轎車空調(diào)溫度控制要求提出復(fù)合f u z z y p i d 智能 控制策略，同時(shí)設(shè)計(jì)該控制方法在轎車空調(diào)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用方案；其次采用 m a t l a b 軟件中的s i m u l i n k 工具箱對(duì)復(fù)合f u z z y p i d 控制策略進(jìn)行仿真研究以驗(yàn) 證其可行性和特點(diǎn)；再其次對(duì)智能溫控系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊和總體方案進(jìn)行硬件 電路設(shè)計(jì)和軟件程序編寫；最后，結(jié)合轎車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理，在p c 機(jī)上開(kāi)發(fā) 出基于v b 軟件的智能溫控系統(tǒng)的模擬測(cè)試平臺(tái)，并通過(guò)串口通訊的方式與智能溫 控器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，模擬在智能溫控系統(tǒng)控制下的車廂溫度變化情況。 通過(guò)測(cè)試與分析，表明本文開(kāi)發(fā)的智能溫控系統(tǒng)切實(shí)可行，工作性能達(dá)到預(yù) 期的設(shè)計(jì)要求。采用復(fù)合f u z z yp i d 控制策略對(duì)車廂溫度的調(diào)節(jié)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 和穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：轎車空調(diào)；智能控制策略：?jiǎn)纹瑱C(jī)；仿真模擬 妄重三些奎蘭三蘭堡圭蘭篁堡蘭 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 訌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 第一章緒論 1 1 課題背景與意義 第一章緒論 轎車空調(diào)作為一種舒適性空調(diào)，不僅是人民生活水平提高的標(biāo)志，也是提高轎 車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的重要手段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì) 轎車空調(diào)的溫度控制性能提出了更高的要求。 國(guó)外一些大轎車公司的高檔轎車上紛紛裝有全自動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)大部分 高檔轎車的空調(diào)控制器是進(jìn)口的，目前還沒(méi)有自主開(kāi)發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轎車 空調(diào)自動(dòng)控制器。總體來(lái)看，我國(guó)目前轎車空調(diào)系統(tǒng)的電子化程度較低，大多數(shù)仍 采用手動(dòng)控制或簡(jiǎn)單的位式控制。 手動(dòng)控制一方面會(huì)出現(xiàn)車內(nèi)溫度與乘員舒適要求相差很大，不能滿足舒適性和 節(jié)能性的要求；另一方面容易分散駕駛員的注意力，降低行車的安全性。手動(dòng)控制 已成為轎車空調(diào)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。 而國(guó)外一些高檔轎車上已經(jīng)配有全自動(dòng)轎車空調(diào)系統(tǒng)，并且對(duì)這些先進(jìn)的技術(shù) 率先申請(qǐng)了專利，對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行了保護(hù)，因此無(wú)法破解其核心技術(shù)，這樣就形成 了引進(jìn)一落后一一再引進(jìn)一一落后的惡性循環(huán)，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)轎車工業(yè)的發(fā) 展。隨著我國(guó)加入w t o 和全球貿(mào)易大市場(chǎng)的形成，國(guó)外先進(jìn)的轎車空調(diào)控制技術(shù) 對(duì)國(guó)內(nèi)轎車工業(yè)造成很大的沖擊和壓力，轎車工業(yè)又面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 我們只有自主開(kāi)發(fā)適合我國(guó)交通、氣候的轎車車空調(diào)全自動(dòng)控制器，形成具有 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，制訂出轎車空調(diào)控制器的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能提高我國(guó)轎車工業(yè)整 體水平，否則就會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)中失敗，因而加緊轎車空調(diào)全自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究勢(shì)在必 行。 目前，我國(guó)轎車保有量已超過(guò)1 2 0 0 萬(wàn)輛，轎車年產(chǎn)量約1 1 0 萬(wàn)輛，轎車空調(diào)市 場(chǎng)有著廣闊前景。而現(xiàn)在進(jìn)口轎車空調(diào)控制器的價(jià)格較高，而實(shí)際的生產(chǎn)成本較低， 隨著人民生活水平的提高和轎車工業(yè)的發(fā)展，全自動(dòng)控制的空調(diào)轎車由于具有較好 的舒適性和節(jié)能性以及方便駕駛員操作等優(yōu)點(diǎn)將會(huì)越來(lái)越受到人們喜愛(ài)，因而我們 必須不失時(shí)機(jī)地抓住這個(gè)機(jī)遇，自主開(kāi)發(fā)研制先進(jìn)的轎車空調(diào)控制系統(tǒng)，不僅會(huì)產(chǎn) 1 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩+ 學(xué)位論文 生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，轎車工業(yè)的發(fā)展都具有促進(jìn)作用。 本課題是對(duì)一汽集團(tuán)紅旗汽車的全合一空氣混合型的轎車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研 的基礎(chǔ)上，結(jié)合紅旗汽車自身的特點(diǎn)，通過(guò)控制策略仿真和軟硬件系統(tǒng)模擬試驗(yàn)的 手段，對(duì)轎車空調(diào)智能控制方法進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)出轎車空調(diào)全自動(dòng)控制系統(tǒng)中的 核心部分智能溫控系統(tǒng)。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和分析 我國(guó)現(xiàn)有主要轎車空調(diào)生產(chǎn)廠家多家，其中絕大部分是引進(jìn)國(guó)外技術(shù)生產(chǎn)線和 生產(chǎn)設(shè)備，還有些是中外合資企業(yè)，國(guó)內(nèi)汽車空調(diào)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)特別在自動(dòng)控 制方面與國(guó)外的差距很大，由于沒(méi)有掌握核心技術(shù)，導(dǎo)致產(chǎn)品缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，難以滿 足整車企業(yè)的系統(tǒng)化、模塊化采購(gòu)。 另外在溫度控制方法方面，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為p i d 控制等傳統(tǒng)控制理論更適合于 對(duì)線性系統(tǒng)的控制；而模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論適用于描述非線性系統(tǒng)。對(duì)模糊 理論與傳統(tǒng)控制理論的關(guān)系學(xué)術(shù)界進(jìn)行了很多的討論。 1 2 1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外一些大汽車公司的汽車空調(diào)系統(tǒng)代表了全自動(dòng)空調(diào)的最高水平。目前，美 國(guó)，歐洲，日本等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車公司已經(jīng)相繼開(kāi)發(fā)出各自的自動(dòng)空調(diào)系 統(tǒng)2 州。 通用汽車公司某型轎車車身計(jì)算機(jī)模塊( b c m ) 控制的空調(diào)系統(tǒng)是較典型自動(dòng)空 調(diào)系統(tǒng)。高模塊監(jiān)視高壓管路、低壓管路的溫度以及蓄壓罐的壓力發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫 等信號(hào)。如果系統(tǒng)不在設(shè)定的范圍內(nèi)工作，b c m 將壓縮機(jī)電磁離合器脫離。該系統(tǒng) 用一個(gè)雙向電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)混合風(fēng)門開(kāi)度，并用5 個(gè)操縱機(jī)構(gòu)分別控制各個(gè)模式風(fēng)門和 加熱器熱水閥，還用功率模塊控制鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)駕駛員輸入的溫度、車室內(nèi) 外溫度及制冷劑低壓管路溫度，b c m 計(jì)算出氣流分送模式，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及混合風(fēng)門 開(kāi)度，然后進(jìn)行相應(yīng)的控制。 而克萊斯勒公司的某些轎車空調(diào)還以占空比的方式對(duì)壓縮機(jī)離合器進(jìn)行控制 “1 。日本豐田某型轎車自動(dòng)空調(diào)監(jiān)測(cè)車內(nèi)外溫度、蒸發(fā)器溫度、冷卻水水箱溫度以 2 第一章緒論 及陽(yáng)光輻射強(qiáng)度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等參量，通過(guò)控制壓縮機(jī)磁吸、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度混合 風(fēng)門、新風(fēng)風(fēng)門和模式風(fēng)門的伺服電機(jī)，進(jìn)行車室溫度調(diào)節(jié)。自動(dòng)功能下該空調(diào) e c u ( 電子控制單元) 首先計(jì)算送風(fēng)溫度，并根據(jù)送風(fēng)溫度控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、混合風(fēng)門 開(kāi)度、壓縮機(jī)啟停及送風(fēng)模式“3 。 模糊控制在國(guó)外發(fā)展非常迅速，在i 阻e 上有關(guān)于模糊系統(tǒng)的?？叶ㄆ谂e 行模糊系統(tǒng)協(xié)會(huì)國(guó)際會(huì)議。在歐美、日本等地，模糊控制理論迅速應(yīng)用到了商業(yè)產(chǎn) 品中去，其中就包括日本把模糊控制成功應(yīng)用到地鐵和各種家電產(chǎn)品的實(shí)例”1 。 現(xiàn)在在國(guó)外的模糊控制理論研究基本上在每個(gè)領(lǐng)域上都取得了成功，當(dāng)中包括 工業(yè)溫度控制”，大型空調(diào)系統(tǒng)控制”兒”1 和電冰箱溫度等。在多輸入輸出非線性 系統(tǒng)領(lǐng)域取得了驕人的成功，突破了傳統(tǒng)控制方法的局限“。 1 2 2 國(guó)內(nèi)研究狀況 從市場(chǎng)占有情況看，由于目前大多數(shù)轎車空調(diào)生產(chǎn)未上規(guī)模，加上總類繁多， 國(guó)內(nèi)轎車空調(diào)銷售市場(chǎng)僅為幾家所壟斷。比較而言，國(guó)內(nèi)的汽車空調(diào)控制要稍遜一 些。廣州標(biāo)致汽車空調(diào)的電子控制系統(tǒng)根據(jù)車內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、蒸發(fā)器溫度、送 風(fēng)溫度及人為設(shè)定值、通過(guò)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī)離合器開(kāi)合及熱水閥大小來(lái)進(jìn)行 溫度調(diào)節(jié)。奧迪1 0 0 汽車的空調(diào)系統(tǒng)模式風(fēng)門是手控的，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由繼電器控制， 壓縮機(jī)離合根據(jù)蒸發(fā)器溫度控制。奧拓汽車空調(diào)就更為簡(jiǎn)單，沒(méi)有舒適性控制用的 傳感器，對(duì)室溫靠人為控制。另外一些形式的汽車空調(diào)還未產(chǎn)品化。有人認(rèn)為光線 的入射角會(huì)對(duì)熱負(fù)荷影響很大，而對(duì)此制定了一套相適應(yīng)的控制策略。也有這種研 究如何通過(guò)計(jì)算確定送風(fēng)量、送風(fēng)溫度的分布是很不均勻的，并且均勻分布的溫度 場(chǎng)也會(huì)由于人的舒適感不同而產(chǎn)生舒適性差異。對(duì)此有人研究針對(duì)前排、后排車座 的雙蒸發(fā)器運(yùn)行情況，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。還有人針對(duì)司機(jī)和乘客的個(gè)體舒適性用 不同出口進(jìn)行控制。通過(guò)控制壓縮機(jī)啟停來(lái)控制車廂內(nèi)溫度也需進(jìn)行相應(yīng)的控制才 能達(dá)到更優(yōu)“。 國(guó)內(nèi)8 0 年代就參加到模糊控制領(lǐng)域的研究討論當(dāng)中“，到了9 0 年代和最近幾 年，已經(jīng)在模糊控制等智能控制領(lǐng)域得到了較成熟的發(fā)展。在理論研究方面國(guó)內(nèi)研 究涉及了基于傳統(tǒng)p i d 的模糊控制“，基于神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)模糊控制“6 3 和時(shí)空混沌的 自適應(yīng)模糊控制“7 1 等?？梢哉f(shuō)國(guó)內(nèi)的理論研究己經(jīng)朝縱深發(fā)展，理論體系也比較完 3 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 善。 而在實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域，模糊控制在近幾年幾乎涉及到各個(gè)重、輕工業(yè)領(lǐng)域。在空 調(diào)制冷系統(tǒng)“”“，溫度控制系統(tǒng)“”和各種家庭小電器中都可以看見(jiàn)用模糊控制方 法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化處理的應(yīng)用文章?！啊?國(guó)內(nèi)汽車空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)如何利用電子技術(shù)提升傳統(tǒng)空調(diào)產(chǎn)品的技術(shù)含量走上 專業(yè)化、規(guī)?；?jīng)營(yíng)之路，將成為我國(guó)未來(lái)幾年汽車空調(diào)業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。 1 3 本論文的研究?jī)?nèi)容 針對(duì)我國(guó)國(guó)產(chǎn)轎車空調(diào)控制器多數(shù)使用手動(dòng)機(jī)械控制方式的現(xiàn)狀，本課題的研 究?jī)?nèi)容主要是圍繞如何實(shí)現(xiàn)轎車空調(diào)溫度控制器電子化和智能化而展開(kāi)的。研究?jī)?nèi) 容概括如下： 1 通過(guò)對(duì)轎車空調(diào)系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)、轎車空調(diào)制冷加熱處理原理和車廂熱力學(xué) 模型的調(diào)研和分析，研究轎車空調(diào)系統(tǒng)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，根據(jù)汽車空調(diào)溫度控制的 特定情況提出復(fù)合f u z z y p i d 智能控制策略，并闡述該控制方法在轎車空調(diào)系統(tǒng) 中的具體實(shí)施。 3 采用m a t l a b 軟件中的s i m u l i n k 工具箱分別對(duì)單一p i d 控制、單一模糊控 制和復(fù)合f u z z y p i d 控制三種控制策略在轎車空調(diào)溫控系統(tǒng)中進(jìn)行仿真研究，通 過(guò)三種情況下的車廂溫度變化過(guò)程的仿真、分析和比較，選擇最優(yōu)的控制策略。 4 研究并設(shè)計(jì)轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)的各個(gè)硬件功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)方案， 并最終設(shè)計(jì)出整個(gè)智能溫控系統(tǒng)的硬件電路。 5 研究轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊的具體軟件算法和程序設(shè)計(jì)。 6 完成溫控系統(tǒng)的軟硬設(shè)計(jì)后，結(jié)合轎車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理，研究在p c 機(jī)上利用v b 開(kāi)發(fā)智能溫控系統(tǒng)的模擬測(cè)試平臺(tái)，并通過(guò)串口通訊的方式與智能溫 控器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，模擬在智能溫控系統(tǒng)控制下的車廂溫度變化情況，以測(cè)試智 能溫控器的實(shí)際工作性能是否達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。 4 第二章轎車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理 第二章轎車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理 2 1 轎車空調(diào)基本原理 空調(diào)的基本功能是通過(guò)調(diào)節(jié)空氣的三度，即溫度、潔凈度與濕度，從而使室內(nèi) 空氣環(huán)境達(dá)到人體的舒適度要求。目前，一般轎車空調(diào)系統(tǒng)采用采暖系統(tǒng)、制冷系 統(tǒng)和風(fēng)道系統(tǒng)三部分?！睂?shí)現(xiàn)對(duì)車廂空氣的溫度調(diào)節(jié)。而高級(jí)轎車空調(diào)還包括對(duì)車廂 內(nèi)空氣凈化、控制二氧化碳含量和控制空氣濕度等高級(jí)功能。 轎車空調(diào)制冷系統(tǒng)采用的是蒸汽壓縮式制冷循環(huán)，主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨 脹閥、蒸發(fā)器等組成。制冷劑在制冷系統(tǒng)中周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)，就可以使車內(nèi)的 溫度維持在舒適的狀態(tài)。壓縮機(jī)由壓縮機(jī)電磁閥控制，所以當(dāng)空調(diào)要制冷時(shí)，壓縮 機(jī)電磁閥必須吸合。 采暖系統(tǒng)是由暖風(fēng)散熱器、暖水閥和風(fēng)機(jī)組成。由于轎車行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生大 量熱量，一般小型轎車空調(diào)都采用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱采暖。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水通過(guò)暖水閥進(jìn)入 暖風(fēng)散熱器，從而升高通過(guò)暖風(fēng)散熱器的空氣。所以，當(dāng)空調(diào)要進(jìn)行加熱時(shí)，必須 開(kāi)啟暖水閻。 2 2 轎車空調(diào)總成的結(jié)構(gòu) 本文以一汽紅旗明仕系列車型的轎車空調(diào)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，其空調(diào)總成是采 用冷暖完全合一型，其風(fēng)道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式如圖2 1 所示“。 1 車外進(jìn)風(fēng)：2 車內(nèi)進(jìn)風(fēng)：3 內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門；4 鼓風(fēng)機(jī)；5 混合風(fēng)門；6 制冷蒸發(fā)器 7 暖風(fēng)散熱器；8 風(fēng)向風(fēng)門；9 除霜風(fēng)門；l o 下吹風(fēng)l ；1 1 前吹風(fēng)口 圖2 1 全合一型轎車空調(diào)結(jié)構(gòu) 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 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門由內(nèi)外循環(huán)電磁閥控制，當(dāng)內(nèi)外循環(huán)電磁閥閉合時(shí)，轎車空調(diào)處 于內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候只有車內(nèi)回風(fēng)能夠進(jìn)入空調(diào)風(fēng)道。反之，當(dāng)內(nèi)外循環(huán)電磁 閥開(kāi)時(shí)，空調(diào)處于外循環(huán)狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候不僅僅車內(nèi)回風(fēng)能夠進(jìn)入空調(diào)風(fēng)道，車外 空氣也進(jìn)入空調(diào)風(fēng)道，也就制冷( 加熱) 處理前空氣是車內(nèi)回風(fēng)和車外新鮮空氣的混 合氣體。 鼓風(fēng)機(jī)由鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊電路控制，其作用是推動(dòng)空氣在空調(diào)風(fēng)道里流動(dòng)，在 全合一型空調(diào)中，它同時(shí)也起到了制冷蒸發(fā)器和暖風(fēng)散熱器的風(fēng)扇的作用。所以鼓 風(fēng)機(jī)的快慢直接影響制冷蒸發(fā)器和暖風(fēng)散熱器的對(duì)流散熱快慢，也就直接影響到了 車內(nèi)空氣的調(diào)節(jié)速度。 制冷蒸發(fā)器連接制冷壓縮機(jī)，壓縮機(jī)由壓縮機(jī)電磁閥控制。當(dāng)壓縮機(jī)電磁閥吸 合，壓縮機(jī)開(kāi)始工作，蒸發(fā)器就能從流過(guò)的空氣中吸取熱量，從而使空氣降溫。 暖風(fēng)散熱器由暖水電磁閥控制，當(dāng)暖水電磁閥吸合，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水流過(guò)暖風(fēng)散 熱器，這樣就可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱經(jīng)行熱交換，將經(jīng)過(guò)散熱器的空氣加熱。 混合風(fēng)門開(kāi)度由混合風(fēng)門電機(jī)控制?；旌巷L(fēng)門負(fù)責(zé)控制空氣經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器和暖風(fēng) 散熱器的量，也就是控制經(jīng)過(guò)兩種處理空氣的混合程度。 風(fēng)向風(fēng)門由風(fēng)向風(fēng)門電機(jī)控制。風(fēng)向風(fēng)門可以控制空調(diào)出風(fēng)口的出風(fēng)方式，也 就是控制經(jīng)過(guò)處理的空氣從除霜風(fēng)口、下吹風(fēng)口和前吹風(fēng)口吹出。 綜上所述，整個(gè)轎車空調(diào)控制系統(tǒng)可以通過(guò)六個(gè)受控裝置來(lái)控制，它們分別是 內(nèi)外循環(huán)電磁閥、鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊、混合風(fēng)門電機(jī)、壓縮機(jī)電磁閥、暖水電磁閥和 風(fēng)向風(fēng)門電機(jī)。 2 3 轎車空調(diào)制冷加熱處理的原理 本文所研究的轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)是針對(duì)使用全合一空氣混合型的轎車空 調(diào)系統(tǒng)，該類型空調(diào)系統(tǒng)的制冷與加熱使用一套溫度控制系統(tǒng)，其通過(guò)混合風(fēng)門的 開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)冷熱空氣的混合。 混合風(fēng)門是全合一空氣混合型轎車空調(diào)系統(tǒng)最重要的溫度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其作用是 將一定量空氣按不同比例分配后分別流經(jīng)制冷蒸發(fā)器和暖風(fēng)散熱器，然后再混合， 從而調(diào)節(jié)出風(fēng)溫度。假設(shè)空氣為理想氣體，根據(jù)熱力學(xué)定律和交換散熱理論得出空 調(diào)輸出空氣與吸入空氣熱量差q 。為。“： 6 第二章轎車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理 q 。= q 。+ q = x 。k 。k 瓦+ x k k 瓦 ( 2 1 ) 式中：q ，一一制冷蒸發(fā)器的交換熱( k j ) ； q 暖風(fēng)散熱器交換熱( k j ) ； x 代表制冷蒸發(fā)器的開(kāi)關(guān)( o 或者1 ) ； x 。代表暖風(fēng)散熱器的開(kāi)關(guān)( 0 或者1 ) ； k 一一制冷蒸發(fā)器熱交換系數(shù)( 約為o 7 ) ； 墨。暖風(fēng)散熱器熱交換系數(shù)( 約為o 5 ) ； v 經(jīng)過(guò)制冷蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換的氣體體積( m 3 ) ； k 經(jīng)過(guò)暖風(fēng)散熱器進(jìn)行熱交換的氣體體積( m 3 ) ； t 制冷蒸發(fā)器溫度( 約為o 攝氏度) 與處理前空氣溫度l 的差值； 瓦一一暖風(fēng)散熱器溫度( 約為6 0 攝氏度) 與處理前空氣溫度0 的差值。 把空調(diào)對(duì)空氣的處理看成理想的熱交換器，將車廂內(nèi)一部分空氣吸入，然后經(jīng) 過(guò)熱交換后從排風(fēng)口排出相同體積的空氣，則可以得到： q ，= p k c ，吒一l ) = p v ，s ，f c ，時(shí)一l ) ( 2 - 2 ) 式中：丁，一一出風(fēng)口空氣溫度( k ) 5 f 經(jīng)過(guò)的時(shí)間( s ) ； l 一一車廂內(nèi)空氣溫度( k ) ； c 。一一空氣比熱容( 理想狀態(tài)下1 0 0 3 k j k g k ) ； v ，空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速( 范圍約為o 6 2 2 m s ) ； s ，一一鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口面積( 約為3 1 4 o 1 5 $ o 1 5 = o 0 7 m 2 ) ； y 。一一經(jīng)過(guò)空調(diào)處理的空氣體積( k g m 3 ) 。 k = k + k = ( 1 一丑) 匕+ a y ， ( 2 3 ) 其中五為進(jìn)行加熱處理的空氣的比例，理想情況下正比于混合風(fēng)門開(kāi)度。 根據(jù)( 2 1 ) 式、( 2 2 ) 式和( 2 3 ) 式得出出風(fēng)口空氣溫度d 與混合風(fēng)門開(kāi)度五、車廂 溫度l 、冷蒸發(fā)器的開(kāi)關(guān)x 。和暖風(fēng)散熱器的開(kāi)關(guān)x 。的關(guān)系： 丁，= 0 7 ( 1 一a ) ( 0 一l ) x 。+ 0 5 丑( 6 0 一l ) x + l( 2 4 ) 7 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2 4 轎車車廂的熱力學(xué)分析 將空調(diào)車廂看作一個(gè)定容定壓控?zé)嵯到y(tǒng)，這里僅考慮轎車空調(diào)對(duì)氣體的熱交換 處理，而不考慮轎車車廂熱力學(xué)模型的其他方面的影響( 即暫時(shí)不考慮由車廂縫隙 和換氣系統(tǒng)縫隙進(jìn)入的新風(fēng)熱、車身壁面?zhèn)魅霟?、日照輻射影響傳入熱和人體發(fā)熱 ，l 個(gè)方面對(duì)車廂內(nèi)熱平衡的影響) ，假設(shè)空氣為理想氣體，忽略氣體的動(dòng)量和勢(shì)能， 根據(jù)熱力學(xué)第一定律得到以下方程： q ，= m = p c ，l( 2 5 ) 式中：m 車廂內(nèi)空氣質(zhì)量； 幽車廂空氣焓值的變化( k j 垤) ； 車廂總體積( 轎車估計(jì)為3 1 5 $ 1 5 = 6 7 5 m 3 ) ； p 空氣密度( 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為l - 2 2 5 垤m 3 ) ； l 車廂內(nèi)空氣溫度變化( k ) 。 l = 乙( t + 1 ) 一l ( 女)( 2 6 ) 式中：k 一一采樣序號(hào) l ( t ) 一一k f 時(shí)刻的車廂內(nèi)空氣溫度( k ) ； l ( + 1 ) ( 女+ 1 ) 出時(shí)刻的車廂內(nèi)空氣溫度( 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) 七血時(shí)刻的出風(fēng)口空氣溫度( k ) ； 設(shè)：蘭蘭，模擬測(cè)試時(shí)作為常數(shù)處理，則有 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 ) - 血時(shí)刻的車廂空氣溫度l ( k + 1 ) 和- m 時(shí)的 車廂空氣溫度l ( 女) 以及混合風(fēng)門的開(kāi)度參數(shù)五( 七) 的關(guān)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 ( ) 該式將作為第七章的控制器模擬測(cè)試平臺(tái)中的車廂溫度調(diào)節(jié)的熱力學(xué)模型。 8 第三章轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)的控制策略究 第三章轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)的控制策略研究 p i d 控制是最早發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用經(jīng)典控制理論的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn) 單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制。然而p i d 控制往往需要在 了解受控系統(tǒng)的函數(shù)特性才能得到有效的控制，對(duì)于那些很復(fù)雜，非線性的系統(tǒng)它 需要花太多時(shí)間進(jìn)行擬合。“。 而近年來(lái)日益流行的模糊控制，其作為其中一種最廣泛應(yīng)用的智能控制技術(shù)， 具有魯棒性好，不需要知道控制目標(biāo)和對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，適于具有大滯后和非 線性時(shí)變系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，但容易因控制規(guī)則的粗糙而引起穩(wěn)態(tài)誤差。所以，對(duì)于空調(diào) 車廂采用單純的模糊控制方法也很難達(dá)到滿意的結(jié)果“。 本文提出將復(fù)合f u z z y p i d 控制這一新型的智能控制方法，應(yīng)用到全合一空氣 混合型的轎車空調(diào)系統(tǒng)的溫度自動(dòng)控制中。把模糊控制與p i d 控制兩者結(jié)合起來(lái)后， 能揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制的靈活、響應(yīng)快和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有p i d 控制 精度高，克服穩(wěn)態(tài)誤差能力強(qiáng)的特點(diǎn)”。其主要思想是：設(shè)計(jì)一種模糊控制器，當(dāng) 系統(tǒng)處于過(guò)渡過(guò)程時(shí)采用模糊控制；進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過(guò)程后，如有穩(wěn)態(tài)誤差則切換到p i d 控制。這樣，當(dāng)滯后和參數(shù)變化比較大及有干擾時(shí)，復(fù)合f u z z y p i d 控制方法仍能 取得較好的控制效果。 3 1 轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)的p i d 控制器的設(shè)計(jì) 在使用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)中，p i d 控制算法也是應(yīng)用十分廣泛的一 種控制規(guī)律。這不僅是由于p i d 控制是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種 方法，而且也是因?yàn)閜 i d 控制的參數(shù)整定方便、結(jié)構(gòu)改變靈活、操作人員容易掌握， 對(duì)于大多數(shù)控制對(duì)象都能獲得滿意的控制效果。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)由于各種原因很難得 到精確的數(shù)學(xué)模型，理論設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)往往不得不依靠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。p i d 控制正 具備了這種靈活性和適應(yīng)性。 9 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1 1p i d 的控制作用 圖3 一l 模擬p i d 控制系統(tǒng)原理圖 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、積分及微分三種控制規(guī)律組合成的控制器，如圖3 1 所示。其作用是將給定值r ( t ) 與被控參數(shù)的實(shí)際輸出值之差e ( t ) = r ( t ) 一y ( t ) 作為控 制器的輸入，控制器按偏差比例加積分加微分形成控制量。 比例控制環(huán)節(jié)的作用是使輸出u ( t ) 與輸入偏差e ( t ) 成正比。因此，只要偏差e ( t ) 一出現(xiàn)，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使被控參數(shù)朝著減少偏差的方向變化，具有控 制及時(shí)的特點(diǎn)?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)k ，的大小。但比例控制會(huì)產(chǎn)生靜態(tài) 偏差( 簡(jiǎn)稱靜差) ，靜差是指控制過(guò)程穩(wěn)定時(shí)，給定值與被控參數(shù)測(cè)量值之差。 為了消除比例控制的靜差，可在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分環(huán)節(jié)。只要偏差e ( t ) 不為零，它將通過(guò)積分作用影響控制量u ( t ) ，以求減小偏差，直至偏差為零，控制 作用不再變化，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。 積分控制作用的加入，雖然可以消除靜差，但它是以降低響應(yīng)速度為代價(jià)的。 為了加快控制過(guò)程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不但對(duì)偏差量做出即時(shí)反應(yīng) ( 即比例控制作用) ，而且還要對(duì)偏差量的變化做出反應(yīng)，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)。 為了達(dá)到這一目的，在上述比例、積分控制的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，得到式( 3 1 ) 描 述的p i d 控制規(guī)律： 硼m ，卜+ 毒卅警j b ， 式中：e ( t ) 調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量r 與輸出量y ( t ) 的偏差； u ( t ) 調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)： 足。比例系數(shù)； l 積分時(shí)間常數(shù)； 第三章轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)的控制策略究 l 一一微分時(shí)間常數(shù)。 加入微分環(huán)節(jié)后，即使偏差很小，但只要出現(xiàn)變化的趨勢(shì)，便馬上產(chǎn)生一種控 制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化，故微分控制作用也被稱為“超前” 控制作用。故微分作用的加入將有助于減小超調(diào)、克服震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它 加快了系統(tǒng)的動(dòng)作速度，縮短了調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 p i d 控制器，在階躍信號(hào)的作用下，首先是比例和微分作用，使其控制作用加 強(qiáng)。然后再進(jìn)行積分，直到最后消除靜差為止。因此，采用p i d 控制器，無(wú)論從靜 態(tài)、還是從動(dòng)態(tài)的角度來(lái)說(shuō)，控制品質(zhì)都得到了很好的改善。因而p i d 控制器成為 一種應(yīng)用最為廣泛的控制器。 在工業(yè)控制中，模擬p i d 控制器有電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等多種形式。它們都是由 硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)p i d 控制規(guī)律的。自從電子計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來(lái)，用計(jì)算機(jī)軟件來(lái) 實(shí)現(xiàn)p i d 控制算法不僅成為可能，而且提供了更大的靈活性，從而得到廣泛的應(yīng)用。 3 1 2 數(shù)字p i d 控制算法 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是p i d 控制，其控制規(guī)律如 式( 3 1 ) 所示。因?yàn)槭? 3 1 ) 表示的調(diào)節(jié)器的輸入函數(shù)及輸出函數(shù)均為模擬量，所以計(jì) 算機(jī)是無(wú)法對(duì)其進(jìn)行直接運(yùn)算的。為此，必須進(jìn)行離散化處理。離散方法如下： 取t 為采樣周期，k 為采樣序號(hào)( k = 0 ，l ，2 ，3 i ) ，因采樣周期t 相對(duì)于信號(hào)變 化的周期是很小的，這樣可以用求和的形式代替積分，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 ) 可寫成： “c t ，= k ，e c t ，+ 毒薹；e i 丁+ 丁j ! ! ! 半 p z ， 1 ff = 0 1 式中：u ( k ) 采樣時(shí)刻k 時(shí)的輸出值5 e ( k ) 采樣時(shí)刻k 時(shí)的偏差值； e ( k 一1 ) 采樣時(shí)刻k l 時(shí)的偏差值。 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 式f 3 2 ) 中的輸出量u ( k ) 為全量輸出。它對(duì)應(yīng)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí) 刻應(yīng)達(dá)到的位置，因此，式( 3 2 ) 稱為p i d 位置控制離散化算式。 應(yīng)當(dāng)指出的是，按式( 3 2 ) 計(jì)算u ( k ) 時(shí)，輸出值與過(guò)去所有狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要 對(duì)e ( k ) 進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大、占用內(nèi)存多，而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的u ( k ) 是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u ( k ) 的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，還可能造 成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式控制的控制算法。所謂增量式是指數(shù)字控制 器的輸出值只是控制量的增量u ( k ) ： “( 七) = “( 七) 一“( 七一1 ) 瑙，叫) + 和) 粵脅2 毗- 1 ) 州) ( 3 s ) t = k t 時(shí)的控制量為：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 ) 的計(jì)算非常簡(jiǎn)單，只需要把t = ( k 一1 ) t 和 t = ( k 一2 ) t 的歷史數(shù)據(jù)e ( k 1 ) 和e ( k 一2 ) 保存起來(lái)即可。u ( k ) 計(jì)算簡(jiǎn)單，即使需要位 置輸出也可用式( 3 4 ) 計(jì)算u ( k ) 。增量式控制雖然只作了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來(lái)了不少 優(yōu)點(diǎn)。因此，在實(shí)際控制時(shí)，增量式算法比位置式算法應(yīng)用更為廣泛。 式( 3 3 ) 可以表示為： “扯) = a e 伍) + b e 瞇一1 ) + c p 忙一2 ) 其中：a 咆( ，弓+ 和曰喝( + 孕) c 喝等 又因?yàn)榉e分系數(shù)k ，= k ，t t 。，微分系數(shù)k d - k ，t 。t ，故系數(shù)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 轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計(jì) 自動(dòng)控制包括傳統(tǒng)的控制技術(shù)和智能控制技術(shù)，智能控制是控制理論發(fā)展的高 級(jí)階段。由于人體舒適感的模糊性和轎車空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性，人們難于建立關(guān)于轎 車空調(diào)自動(dòng)控制的控制目標(biāo)和控制對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型。這樣，以精確數(shù)學(xué)模型為 必要條件的傳統(tǒng)控制理論應(yīng)用于轎車空調(diào)系統(tǒng)存在許多不能解決的問(wèn)題。而模糊控 第三章轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)的控制策略究 制作為一種最廣泛應(yīng)用智能的控制技術(shù)之一，具有不需要知道控制目標(biāo)和對(duì)象的精 確數(shù)學(xué)模型，適于具有大滯后和非線性時(shí)變系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)而被人們廣泛關(guān)注。 3 2 1 模糊控制理論基礎(chǔ) 1 模糊控制系統(tǒng)基本原理在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，雖然不懂 被控對(duì)象或被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，卻能憑借經(jīng)驗(yàn)采取相應(yīng)的決策，很好地完成控制 過(guò)程。這里人的經(jīng)驗(yàn)可以用一系列的具有模糊性的語(yǔ)言來(lái)表達(dá)，這就是模糊條件語(yǔ) 句。再用模糊推理對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)觀測(cè)量進(jìn)行處理，則可產(chǎn)生相應(yīng)的控制決 策，這就是模糊控制。 最基本的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 2 所示。從圖中可以看出，它和傳統(tǒng)的控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒(méi)有多大區(qū)別，只是用模糊控制器取代傳統(tǒng)的數(shù)字控制器。在模糊控制系 統(tǒng)中，模糊控制器的作用在于通過(guò)電子計(jì)算機(jī)，根據(jù)精確量轉(zhuǎn)化而來(lái)的模糊輸入信 息，按照語(yǔ)言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，給出模糊輸出判決，將其轉(zhuǎn)化為精確量，對(duì) 被控對(duì)象進(jìn)行控制作用。 模糊控制器清晰量“ 圖3 2 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 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 一般說(shuō)來(lái)，模糊控制器有三個(gè)主要的功能模塊。 ( 1 ) 模糊化將變量的實(shí)際變化范圍化分成若干等級(jí)，這些等級(jí)的全體成為變量 的論域。在這個(gè)論域上定義相應(yīng)的語(yǔ)言變量值。將實(shí)際變化范圍內(nèi)的輸入值轉(zhuǎn)換成 論域范圍內(nèi)的有關(guān)等級(jí)值的過(guò)程稱為模糊化過(guò)程。 ( 2 ) 模糊控制推理及控制規(guī)則模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略，手 動(dòng)控制過(guò)程一般是通過(guò)對(duì)被控對(duì)象( 過(guò)程) 的一些觀測(cè)，操作者再根據(jù)己有的經(jīng)驗(yàn)和 技術(shù)知識(shí)，進(jìn)行綜合分析并做出控制決策，調(diào)整加到被控對(duì)象的控制作用，從而使 系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)?？梢圆捎梦C(jī)完成這個(gè)任務(wù)，從而代替人的手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn) 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 所謂的模糊自動(dòng)控制。利用語(yǔ)言歸納手動(dòng)控制策略的過(guò)程，實(shí)際上就是建立模糊控 制器的控制規(guī)則的過(guò)程。也就是說(shuō)，這些手動(dòng)控制規(guī)則的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)就成了模糊控制 規(guī)則，并用模糊條件語(yǔ)句來(lái)表述。 ( 3 ) 精確化模糊控制器的推理結(jié)果是模糊量，由于模糊量是一個(gè)模糊子集，而 實(shí)際被控對(duì)象所需的控制信號(hào)是精確值，所以模糊控制器的推理輸出是不能直接用 作實(shí)際控制的，為了從推理結(jié)果中取得用于控制的精確量，需要對(duì)模糊推理結(jié)果進(jìn) 行一定的處理。對(duì)模糊量進(jìn)行處理，求取一個(gè)能恰當(dāng)?shù)姆从衬：康木_值的過(guò)程 稱為精確化。有時(shí)也稱為反模糊化，也稱之為模糊決策或模糊判決。模糊量的精確 化有很多方法，其中較常用的主要有以下幾種：最大隸屬度法、中位數(shù)法和面積重 止p 法。 2 模糊控制的特點(diǎn)模糊控制不用建立數(shù)學(xué)模型，模糊控制獲得巨大成功的主 要原因在于它具有如下一些突出特點(diǎn)： 1 ) 適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不很清楚或難以求 得，只根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場(chǎng)操作人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就可對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 2 ) 模糊控制是一種語(yǔ)言變量控制器，其控制規(guī)則只用語(yǔ)言變量的形式定性的 表達(dá)，構(gòu)成了被控對(duì)象的模糊模型。 3 ) 模糊控制實(shí)際上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。該系統(tǒng)尤其 適用于非線性，時(shí)變，滯后系統(tǒng)的控制。 4 ) 抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。 正因?yàn)槟：刂朴羞@么多優(yōu)于現(xiàn)代控制的特點(diǎn)，本課題中溫度的控制在系統(tǒng)處 于過(guò)渡過(guò)程時(shí)采用了模糊控制技術(shù)，轎車空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)是混合 風(fēng)門，控制目標(biāo)是使車內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的溫度。 3 2 2 模糊控制器的設(shè)計(jì) 轎車空調(diào)的溫度模糊推理如圖3 3 所示 1 4 第三章轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)的控制策略究 圖3 3 溫度模糊推理 f i g 3 3t e m p e r a t u r ef u z z y1 0 9 i c 1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確定模糊控制器的輸 入變量和輸出變量。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，即輸入變量個(gè)數(shù)越多， 控制越精細(xì)。但維數(shù)過(guò)高，模糊控制規(guī)則變得過(guò)于復(fù)雜，控制算法實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。 所以本系統(tǒng)中選用兩維模糊控制器。由于溫度偏差變化率即能反映外界環(huán)境對(duì)溫度 的影響，同時(shí)也反映車廂內(nèi)人員的狀態(tài)和變動(dòng)情況，又考慮到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，裝 置的實(shí)施等因素，所以選定溫度的偏差及溫度偏差變化率為模糊控制器的輸入變。 輸入變量為溫度偏差e 和偏差變化率e c ，輸出變量為控制量u ，即混合風(fēng)門的開(kāi)度， 風(fēng)門開(kāi)度越大，經(jīng)過(guò)加熱器的風(fēng)就越多，溫度就上升得越快。 2 精確量的模糊化精確量模糊化就是把物理量的精確值轉(zhuǎn)換成語(yǔ)言變量值。 在以人的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的模糊控制中，一般將模糊控制器的輸入輸出變量的狀態(tài) 劃分為“正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大”七個(gè)檔次來(lái)描述，分別用英 文字母p l ，p m ，p s ，o ，n s ，n m ，n l 表示之。對(duì)于系統(tǒng)偏差，描述其狀態(tài)時(shí)，還常 把“零”分為“正零”和“負(fù)零”，分別用p o ，n 0 表示之。 在轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)中，溫度偏差為溫度設(shè)定值和溫度測(cè)量值之差。我國(guó) 南北溫差大，同地冬夏溫差也十分大，在一個(gè)典型的溫帶海洋性氣候的沿海城市， 一年氣溫將在一1 0 3 0 之間徘徊。而按照醫(yī)學(xué)研究結(jié)果，人感受的最佳環(huán)境溫度 為2 4 l 。本文把溫度設(shè)定值的范圍定為1 5 到2 8 ，定義溫度偏差e 的論域?yàn)?一2 0 ，2 0 ，溫度偏差變化率e c 的論域?yàn)?一4 ，4 ，風(fēng)門電機(jī)的輸出量u 的論域?yàn)?0 ，1 0 0 ( o 表示最大制冷，1 0 0 表示最大采暖) 。對(duì)e ，e c 和u 的模糊狀態(tài)e ，e c 和u 的整數(shù)論域分別定義如下： e 和e c 的論域?yàn)椋翰? ，一3 ，一2 ，一1 ，o ，l ，2 ，3 ，4 ) 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 u 的論域?yàn)椋?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 。 下面把物理量的精確值轉(zhuǎn)換成語(yǔ)言變量值，一股對(duì)語(yǔ)言變量分5 到1 0 檔，整數(shù) 論域?yàn)闄n級(jí)數(shù)的1 5 到2 倍。如果檔級(jí)過(guò)少，語(yǔ)言變量值過(guò)于粗糙，對(duì)控制的質(zhì)量有 不良影響。如果檔級(jí)過(guò)多，則語(yǔ)言變量過(guò)細(xì)，關(guān)系矩陣過(guò)大，占用內(nèi)存太多。針對(duì) 轎車空調(diào)溫度控制模糊控制器，將e ，e c 和u 的模糊語(yǔ)言定義如下： e 和e c 的模糊集均為： n b ，n s ，z e ，p s ，p b ： u 的模糊集為： n b ，n m ，n s ，n 0 ，p o ，p s ，p m ，p b ) 。 隸屬度函數(shù)的建立有一定的原則，模糊控制過(guò)程對(duì)于語(yǔ)言變量值的隸屬度函數(shù) 形狀并不敏感，只是對(duì)隸屬度函數(shù)的范圍有一定的敏感，所以在控制中選用三角形 或梯形的隸屬函數(shù)是較為合適的，因?yàn)橛欣谟?jì)算隸屬度。 3 模糊控制規(guī)則的確定本系統(tǒng)采用i fa ia n db it h e nc i 為模糊控制規(guī)則， 其中a i 為溫差e 的模糊子集，b i 為溫差變化率e c 的模糊子集，c i 為風(fēng)門開(kāi)度增量u 的模糊子集。 根據(jù)車廂溫度變化的參數(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)及專家的知識(shí)理論，總結(jié)出 表3 一l 所示的模糊控制規(guī)則表。 表3 1 模糊控制規(guī)則表 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 建立模糊控制規(guī)則的基本思想：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤 差為主，而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出 發(fā)點(diǎn)。以誤差為正大時(shí)，誤差變化為正大為例，這時(shí)誤差有增大的趨勢(shì)，為盡快消 第三章轎車空調(diào)智能溫控系統(tǒng)的控制策略究 除己有的正大誤差并抑制誤差變大，所以控制量取正大，即使風(fēng)門開(kāi)度達(dá)到最大， 增加通過(guò)加熱器的風(fēng)量。 4 模糊量的精確化為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，還需要將模糊量u 轉(zhuǎn)換 為精確量u ，即對(duì)模糊量進(jìn)行清晰化處理。模糊量的精確化也就是求取模糊控制表。 求取模糊控制表必須把輸入的所有情況都考慮到，下面以系統(tǒng)輸入偏差e 的論域值 為1 ，偏差變化率e c 的論域值為2 為例來(lái)介紹怎樣確定模糊輸出量u 。 偏差e 為l ，偏差變化率e c 為2 時(shí)，如圖3 4 的隸屬度函數(shù)所示，對(duì)于偏差量有： u ，( 1 ) = 0 2u ，。( 1 ) = 0 4 其余模糊集的隸屬度都為0 。 第條規(guī)咧 。爪 。- 2 、釤釤形杉黝k e 。24 1234 第= 條 鼎j 尺弋i。l 門 1l 黝 12。 e 。!4 。345 ” 圖3 4 模糊推理過(guò)程 f i g 3 4t h ep r o d u c e ro ff u z z yl o g i c 對(duì)于輸入的偏差變化率，有u ，。( 2 ) = 1 其余的模糊集的隸屬度都為o 。 根據(jù)z e ：和p s 。在模糊狀態(tài)控制表里可查得u = p m ，同理，由p s 。和p s ?？刹槌鰑 = p b ， 即對(duì)于當(dāng)前輸入值，有兩條控制規(guī)則是有效的： 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 由以上控制規(guī)則，再根據(jù)l a z a d e h 的模糊推理算法，得出實(shí)現(xiàn)模糊推理過(guò)程 如下： 首先取第一條規(guī)則中兩個(gè)前件的隸屬度的最小值，對(duì)后件的模糊集求截集，見(jiàn) 圖4 7 的陰影部分，則對(duì)于該控制規(guī)則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 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩上學(xué)位論文 然后再取第二條規(guī)則兩個(gè)前件的隸屬度的最小值，對(duì)其后件的模糊集求截集 見(jiàn)圖3 4 的陰影部分，則對(duì)于第二條規(guī)則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 圖3 5 輸出模糊量 f i g 3 5f u z z yc