發(fā)動機冷卻液溫度模糊控制系統(tǒng)的研究

1、第38卷 第3期 電 子 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報 V ol.38 No.3of University of Electronic Science and Technology of China May 2009 2009年5月 Journal發(fā)動機冷卻液溫度模糊控制系統(tǒng)的研究周翼翔1，黃大貴2(1. 四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系 四川 遂寧 629000; 2. 電子科技大學(xué)機械電子學(xué)院 成都 610054【摘要】提出了發(fā)動機冷卻液溫度的模糊控制方法，將冷卻液溫度進行模糊化，根據(jù)實驗建立了相應(yīng)的模糊控制規(guī)則庫；應(yīng)用MATLAB 軟件的模糊邏輯工具，計算分析得到了控制查詢表，建立了以Motorol

2、a 單片機MC68HC908LJ12為核心的硬件系統(tǒng)，并對軟件進行了設(shè)計。試驗表明，該方法只需對現(xiàn)有的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行較少的改進，便可較好地解決發(fā)動機的冷卻液溫度難于準(zhǔn)確控制的問題。關(guān) 鍵 詞 溫度控制; 冷卻系統(tǒng); 發(fā)動機; 模糊控制Study of Fuzzy Control System for Engine Coolant Temperature 1 2ZHOU Yi-xiang, and HUANG Da-gui(1. Department of Automobile Engineering, Sichuan Vocational and Technical College Sui

3、ning Sichuan 629000; 2. School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054Abstract A fuzzy method for controlling the engine coolant temperature is prposed. The fuzzy rule base iscorrespondingly established based on the experimental data. The

4、control query table is created through computing and analyzing via the fuzzy logic tools in MATLAB. The hardware system, centering on MC68HC908LJ12, is conducted. The software is designed as well. The test indicates that only a little improvement of the current engine cooling system can better solve

5、 the problem that it is difficult to accurately control the engine coolant temperature.Key words temperature control; cooling system; engine; fuzzy control加硅油離合器的冷卻系統(tǒng)和電動風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)3種，發(fā)動機工作時，冷卻系統(tǒng)起到了維持其本身正如圖1所示。 常工作溫度的作用。文獻1-7表明，發(fā)動機的冷卻液溫度高低對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放性能1.1 傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng) 和使用壽命均有較大的影響。通常認為冷卻液溫度該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1a 所示。無論冷

6、卻液溫度多高，在8090時，發(fā)動機具有較好的工作性能。然而，風(fēng)扇始終都在工作。如果發(fā)動機沒有達到正常的工文獻8認為每個發(fā)動機都有一個最佳的冷卻液溫作溫度，風(fēng)扇起到惡化工作條件的作用，不但造成度，在該溫度下，發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放性、能源浪費，而且使發(fā)動機較長時間處于低溫工作狀壽命等均能顯著地提高。因此，國內(nèi)外對冷卻系統(tǒng)態(tài)，嚴(yán)重影響動力性、經(jīng)濟性、使用壽命和排放性的控制進行了大量的研究，在傳統(tǒng)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)能。發(fā)動機溫度只能通過節(jié)溫器控制冷卻液是否經(jīng)9-1011-13、水泵轉(zhuǎn)速控制，的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對風(fēng)扇過散熱器來調(diào)控發(fā)動機工作溫度。由于節(jié)溫器為機開發(fā)研制了電動節(jié)溫器11，引入了計算機控制技

7、術(shù)械式，控制溫度的波動較大，使發(fā)動機不能在最佳14-15，其目的在于控制發(fā)動機冷卻液的溫度。但由的溫度下工作。于冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性，難于建立理想的數(shù)學(xué)模型和1.2 加硅油離合器的冷卻系統(tǒng)達到控制最佳冷卻液溫度的目的，尋求對冷卻系統(tǒng)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1b 所示。該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)冷的冷卻機理、控制和研究開發(fā)手段的改進是冷卻系卻系統(tǒng)風(fēng)扇不可控的缺點，利用硅油離合器的溫度統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢16-17。本文設(shè)計一個模糊控制系特性實現(xiàn)對風(fēng)扇的啟動和轉(zhuǎn)速調(diào)整，因此通過風(fēng)扇統(tǒng)，滿足了發(fā)動機最佳冷卻液溫度控制的要求。轉(zhuǎn)速和節(jié)溫器來調(diào)節(jié)發(fā)動機的工作溫度。但這種調(diào)1 現(xiàn)有的溫度控制系統(tǒng)及缺陷節(jié)溫度的波動范圍仍然較大，不能滿

8、足發(fā)動機最佳工作溫度的需要。目前冷卻液溫度控制系統(tǒng)有傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)、收稿日期： 2008 04 23；修回日期：2008 10 20基金項目：國家自然科學(xué)基金(60572007；教育部博士點基金(20040614004；四川省教育廳科研基金(2006C063 作者簡介：周翼翔 (1964 ，男，副教授，主要從事汽車檢測、智能控制系統(tǒng)等方面的研究.472 電 子 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報 第38卷 圖1 常用的3種冷卻系統(tǒng)1.3 電動風(fēng)扇的冷卻系統(tǒng)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1c 所示，它是在傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將機械式風(fēng)扇改為一個或一組電風(fēng)扇來對溫度進行控制，風(fēng)扇常采用有級或無級轉(zhuǎn)速調(diào)整。與上兩種系統(tǒng)相比，

9、它的可控性有所提高，但仍然克服不了冷卻液溫度調(diào)節(jié)波動太大的缺點，達不到最佳控制發(fā)動機工作溫度的目的。2 基于模糊控制的冷卻液溫度的控制系統(tǒng)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)對冷卻液溫度影響的因素很多，有發(fā)動機工況、車輛行駛狀態(tài)、地域、天氣狀態(tài)等，這些因素往往都是隨機的，很難用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述。為了達到較準(zhǔn)確地控制冷卻液溫度的目的，采用模糊控制能較好地滿足控制系統(tǒng)的要求?；谀：刂频陌l(fā)動機冷卻液溫度控制系統(tǒng)如圖2所示。 圖2 基于模糊控制的冷卻液溫度控制系統(tǒng)2.1 系統(tǒng)控制過程當(dāng)冷卻液溫度超過最佳冷卻液溫度T 、且閥位置檢測電阻小于最大值(位置電阻最大時，冷卻液只進行大循環(huán) 時，電動比例閥模糊控制系統(tǒng)啟動，實

10、現(xiàn)最佳冷卻液溫度調(diào)節(jié)控制。當(dāng)其冷卻液溫度超過T 、且閥位置檢測電阻等于最大電阻值時，電動比例閥模糊控制系統(tǒng)停止工作，此時電動比例閥處于關(guān)閉冷卻系統(tǒng)小循環(huán)狀態(tài)，冷卻液經(jīng)過冷卻水箱，進行大循環(huán)，啟動第一風(fēng)扇模糊控制調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)最佳冷卻液溫度的調(diào)節(jié)控制。當(dāng)其冷卻液溫度超過T 、閥位置檢測電阻等于電阻最大值、且第一風(fēng)扇調(diào)速器的位置電阻最大時，則電動比例閥、第一風(fēng)扇調(diào)節(jié)控制停止，啟動第二風(fēng)扇進行冷卻液最佳溫度的模糊控制，此時冷卻液進行大循環(huán)，第一風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動，第二風(fēng)扇在控制系統(tǒng)的控制下工作。 2.2 控制系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計冷卻液溫度的模糊控制系統(tǒng)18-19如圖3所示。圖3 冷卻液溫度的模糊控制系統(tǒng)框圖

11、整個溫度控制采用溫度和溫度變化率為輸入，以電動比例流量閥的位置和電風(fēng)扇調(diào)速器位置為輸出，實現(xiàn)雙輸入單輸出的模糊控制。溫度偏差E ：將其離散為13個點，即論域為6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6；偏差語言變量取7個，用符號表示為NB, NM, NS, Z, PS,PM, PB。溫度偏差變化率D e ：將其離散為13個點，即論域為6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3, +4, +5,+6；偏差語言變量取7個，用符號表示為NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB。輸出U ：將其離散為15個點，即論域為7, 6,

12、5, 4, 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7，輸出語言變量取7個，用符號表示為NB, NM, NS, Z, PS,PM, PB。偏差E 、偏差變化率D e 、輸出U 的語言變量模糊劃分如圖4所示。第3期 周翼翔 等: 發(fā)動機冷卻液溫度模糊控制系統(tǒng)的研究 473 此，偏差E 、偏差變化率D e 按均勻模糊劃分，而控制變量U 按非均勻模糊劃分。 a. 偏差E 的模糊劃分根據(jù)溫度控制的特點，如果偏差大、且偏差變化率大，則控制作用應(yīng)強，因此，E 、D e 、U 之間是一此為雙輸入單輸出系統(tǒng)。種蘊涵關(guān)系R ，且R =ED e U ，通過對冷卻液溫度調(diào)節(jié)的初步試

13、驗，確定其控制規(guī)則如表1所示。表1 冷卻液溫度模糊控制的控制規(guī)則b. 偏差變化率D e 的模糊劃分ED ePB PMPS Z NS NMNBPB PB PB PB PB PM PS Z PM PB PB PM PM PS PS Z PS PMZ PMPMPM PS PS Z ZPS PS Z NS NS NMNMc. 輸出U 的模糊劃分NS Z Z NS NS NM NM NMZ NS NS NM NM NB NB圖4 模糊劃分NB Z NS NM NB NB NB NB模糊變量的隸屬度函數(shù)形狀越瘦，相鄰模糊變量交點的隸屬度值越低，控制作用越強，靈敏度越高。對于冷卻液溫度的控制，希望在誤差較大

14、時靈敏度提高，而在給定值附近控制應(yīng)較平緩溫和，因根據(jù)模糊推理理論，通過MATLAB 軟件，本文采用重心法計算得到清晰量，如表2所示，系統(tǒng)采用查表法進行實際過程控制。表2 冷卻液溫度模糊控制(決策 清晰量E65 6.3 6.2 6.2 4.7 3.8 2.9 2.9 1.84 6.3 6.1 6.2 4.7 3.8 2.9 2.13 6.3 4.7 4.7 4.7 3.8 2.9 2.02 6.3 4.7 3.8 3.9 3.8 2.9 2.0D e1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 6.3 4.7 3.9 2.9 2.9 1.86.3 4.7 3.8 2.94.7 3.7 2.9 2.

15、93.8 2.9 2.1 2.02.9 2.9 2.0 0.92.1 2.0 2.1 0.90.9 0 0.9 0 0.9 0 0.9 0-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +66.3 6.2 6.3 4.7 3.8 3.9 3.8 1.82.1 2.0 2.0 0.9 0 0 00.9 0 0 0 0.9 1.8 1.80.9 0 0.9 2.1 2.1 2.1 3.0 4.10.9 0 0 0 0.9 1.9 3.0 3.0 3.0 3.0 4.10 0 0 0.9 2.1 2.1 2.1 3.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.1 0 0.9 0.9

16、 0.9 2.0 3.0 3.0 3.0 4.0 4.8 4.8 4.8 4.8 0 0.9 2.1 2.1 2.1 3.0 4.0 4.0 4.1 4.8 6.3 6.3 6.4 0 0.9 2.1 3.0 3.0 3.7 4.7 4.8 4.8 4.8 6.2 6.2 6.2 0 0.9 2.1 3.0 4.1 4.7 6.2 6.2 6.3 6.3 6.3 6.3 6.32.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件系統(tǒng)如圖5所示。傳感器主要有冷卻液溫度傳感器、電動比例流量閥位置傳感器、風(fēng)扇1調(diào)速器位置傳感器、風(fēng)扇2調(diào)速器位置傳感器和發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器。除發(fā)動機轉(zhuǎn)速采用磁電式傳感器外，其余均采用電阻型。執(zhí)行

17、器主要有電動比例流量閥、風(fēng)扇啟動執(zhí)行器、風(fēng)扇調(diào)速執(zhí)行器。除風(fēng)扇調(diào)速執(zhí)行474 電 子 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報 第38卷器采用電動機外，其余為繼電器。系統(tǒng)控制器采用抗干擾能力較強的Motorola 單片機MC68HC908 LJ 12，它具有4個8位輸入輸出端口、且含有6個10位的A/D轉(zhuǎn)換端口，資源足夠，便于試驗和改進使用。 圖5 冷卻液溫度模糊控制硬件系統(tǒng)2.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計根據(jù)冷卻液控制系統(tǒng)工作的要求，控制系統(tǒng)要在不同的溫度條件下進行調(diào)節(jié)，或啟動不同的冷卻裝置，以維持最佳的冷卻液溫度。設(shè)最佳溫度為T ，電動比例流量閥最大位置為S ，風(fēng)扇1調(diào)速器最大位置S 1，風(fēng)扇2調(diào)速器最大位置S 2

18、，發(fā)動機轉(zhuǎn)速N ，則控制軟件的控制流程如圖6所示。 圖6 冷卻液溫度模糊控制的流程軟件3 試驗結(jié)果本文將該系統(tǒng)裝在轎車上試驗，設(shè)定控制溫度為90、環(huán)境溫度為15時，測得的溫度情況如表3所示。冷卻液溫度可控制在90±4的范圍內(nèi)。表3 控制系統(tǒng)裝車試驗冷卻液溫度測試結(jié)果時間/m 0 2 4 6 810 12 14 16 1820溫度/1887948893 90 91 93 9189904 結(jié) 束 語控制規(guī)則應(yīng)通過大量的試驗進行修正，以提高控制精度。執(zhí)行器應(yīng)進行改進或優(yōu)選，以利于提高精度，降低成本。冷卻液溫度對發(fā)動機性能有較大的影響，通過試驗均可確定發(fā)動機的最佳冷卻液溫度，利用該控制系統(tǒng)可

19、控制發(fā)動機的最佳冷卻液溫度，提高其動力性、經(jīng)濟性、排放性和使用壽命，具有一定的應(yīng)用價值。參 考 文 獻1 張鐵柱, 張洪信. 水冷柴油機冷卻液最佳工作溫度的試驗研究J. 內(nèi)燃機學(xué)報, 2002, 20(4: 377-380.3 MATTEO L D I. New and advanced cooling system concept for small carsC/Vehicle Thermal Management Systems, VTMS 6. Edmunds, Suffolk: Professional Engineering Pub Ltd, 2003: 685-694. 4 COR

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