汽车发动机冷却系统节温器的智能控制概要.docx

1、汽车发动机冷却系统节温器的智能控制概要*汽车发动机冷却系统节温器的智能控制袁慧彬 , 蒋开正 , 刘章棋 (四川职业技术学院 汽车工程系 , 四川 遂宁 629000 摘要 :分析汽车发动机冷却系统节温器的开度采用智能控制的必要性 , 并详细阐述发动机冷却系统节温器智能控制 系统的设计 , 包括控制方式设计 、 模糊控制器设计 、 控制系统结构设计等 。 关键词 :发动机冷却系统 ; 节温器 ; 电子节温器 ; 模糊控制系统中图分类号:TK413文献标识码:B 文章编号:1000-6494(2009 03-0015-03Intelligence Control of Thermostat in

2、Automotive Engine Cooling SystemYUAN Hui-bin, JIANG Kai-zheng, LIU Zhang-qi(AutomotiveEngineering Dept., Sichuan Vocational College, Suining 629000, ChinaAbstract:This paper analyzes the necessity of intelligent opening control of thermostat in automotive engine cooling system and expounds in detail

3、 its designs including control mode, fuzzy controller and structure of control system. Key words:engine cooling system; thermostat; electronic thermostat; fuzzy controller1概述汽车发动机冷却系统节温器的作用是改变冷却液的循环路线和流量 , 根据冷却液温度自动调节冷 却强度 。 当发动机冷却液温度较低时 , 节温器阀关 闭 , 将冷却液流向散热器的通道关闭 , 使从发动机缸 盖流出来的冷却液经水泵入口直接流回发动机缸体 水套

4、, 进行小循环 。 这时由于冷却液未流经散热器 , 散热量少 , 以便使冷却液能迅速升温 , 提高发动机工 作性能和减少磨损 。 当冷却液温度升高到一定时 , 节 温器阀开始打开 (并随冷却液温度升高 , 开度越大 , 控制部分冷却液进入散热器 , 并由散热器经水泵流 回发动机 。 这时由于冷却液流经散热器 , 散热面积 大 , 散热量多 , 冷却强度较大 。 当冷却液温度再升高 到一定时 , 节温器阀全开 , 从发动机缸盖流出来的冷 却液全部进入散热器 , 这时冷却强度达到最大 , 以防 止发动机出现高温 , 保证发动机工作在正常的温度 范围内 。 目前汽车发动机冷却系统广泛采用蜡式节 温器

5、 , 它是利用固态石蜡受热熔化体积膨胀的原理 来控制节温器阀门的开度的 , 进而控制冷却液流经 散热的流量 , 实现冷却强度的调节 。 从石蜡式节温器的工作原理可知 , 当发动机冷却液温度变化时 , 节温 器的执行动作较缓慢 , 冷却强度的调节未能根据发 动机工作温度的变化而适时变化 , 故存在响应速度 慢 , 滞后时间长 , 误差大 , 控制精度不高 , 不能保证发 动机始终在最佳的温度下工作 , 发动机在工作过程 将出现高温和低温的情况 , 这将造成发动机传热损 失和磨损较严重 , 燃油消耗率增高 , 排放污染增大等 缺点 。针对这些缺点 , 从灵敏性 、 可靠性以及发动机动 力性 、 经

6、济性和环境保护出发 , 非常有必要将传统的 节温器改为电子式节温器 , 并采用先进的控制方式 进行控制 , 以实现节温器能根据发动机冷却液温度 的变化适时对发动机冷却强度进行调节 , 保证发动 机工作在最适宜的温度下 , 达到提高汽车动力性和 经济性 , 减小汽车的排放污染 , 从而实现节约能源 , 保护环境和提高发动机寿命的目的 。2汽车发动机冷却系统节温器的控制模式设计2.1模糊控制方式的确定与设计汽车发动机冷却系统节温器的开度大小主要由发动机冷却液温度的高低决定 , 而发动机冷却液温 度又受许多因素的影响 , 如发动机的负荷 、 汽车行驶 速度 、 外界的气温 、 散热器结构形式 、 散

7、热器的冷却 液流量和风扇的转速等 。 这些影响因素大多是不断 变化的 , 且与发动机冷却液温度呈非线性关系 。 因此作者简介 :袁慧彬 (1971-, 男 , 四川遂宁人 , 讲师 , 主要从 事汽车发动机设计 。收稿日期 :2009-01-31内燃机Internal Combustion Engines第 3期 2009年 6月No. 3Jun. 2009内燃机 2009年 6月发动机冷却液温度与节温器的开度之间的关系很难 用数学方程进行准确描述 。 且发动机的水温的升高 和降低是一个缓慢变化和大滞后过程 。 因此对节温 器的开度控制 , 采用常规的 PID 控制 , 系统模型难以 建立 ,

8、 且控制效果也不好 。 由于模糊控制是模仿人工 控制活动中人脑的模糊概念和成功的控制策略 , 运 用模糊逻辑推理 , 把人工控制策略用计算机实现 , 其 具有不依赖系统的精确数学模型 , 对系统参数的变 化不敏感的特点 , 因此节温器的开度控制采用模糊 控制 , 将达到令人满意的效果 , 故发动机冷却系统节 温器的开度控制采用模糊控制方式 。节温器开度的模糊控制设计见图 1。 为确保系 统在不同工作条件下 , 始终处于最佳工作状态 , 并使 系统的控制更加精细 、 更加稳定 , 系统采用温度偏差 及其变化率作为输入参数 , 输出参数为节温器的开 度 , 并实行闭环反馈控制 。2.2模糊控制器设

9、计模糊算法的种类很多 , 但由于被控对象的状况不同 , 实现的硬件方法不同 , 控制精度 、 要求不同 , 所 采用的模糊算法也各不相同 。 在此控制系统中采用 直接查表法将能达到预期的控制目标 , 这种模糊算 法结构简单 , 响应速度快 , 资源开支少 。2.2.1温度偏差 e 、 偏差变化率 e 的确定在实际系统中偏差 e 、 偏差变化率 e 按下式计算 :e (nT = T (nT -R (T (1 e (nT =e (nT -e (n -1 T (2式中 , n 为第 n 次取样 ; T 为温度取样周期 , 通常 取 T =615s ; T (nT 为 nT 时刻发动机冷却系统实 际温

10、度 ; R (T 为发动机冷却系统温度目标值 。 2.2.2输入 、 输出变量论域输入变量温度偏差 e 、 偏差变化 e 和输出变量 U 的变化范围通过实验确定 , 设它们分别为 X 、 Y 、 Z 。 将 e /X , e /Y 在论域划分 13级 , 即 -6,-5,-4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5,+6。 偏差语言变量取七个 , 即 负大 , 负中 , 负小 , 零 , 正小 , 正中 , 正大 , 用符号 表示为 NB , NM , NS , Z , PS , PM , PB 。 从而获得偏差 E 及偏差变化 E 论域值 。将 u /Z 在论域

11、划分 15级 , 即 -7, -6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7。 输出语言变量 取七个 , 负大 , 负中 , 负小 , 零 , 正小 , 正中 , 正大 ,即NB , NM , NS , Z , PS , PM , PB , 论 域 为 -6,-5,-4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5,+6。 偏差语言变量取七个 , 即 负大 , 负中 , 负小 , 零 , 正小 , 正中 , 正大 , 用符号 表示为 NB , NM , NS , Z , PS , PM , PB 。 2.2.3

12、隶属度确定隶属函数有钟形 、 梯形 、 三角形等形状 , 一般认为 钟形最好 , 但难于计算 , 三角形次之 , 最后是梯形 。 在 这里 , 为了计算方便 , 选用的是三角形隶属函数 。2.2.3.1变量偏差 E 和偏差变化率 E 隶属度的确定变量偏差 E 和偏差变化率 E 隶属度采用图 2所示的等腰三角形曲线确定隶属度 , 图中 1、 2为 变量偏差 E 和偏差变化率 E 隶属度 。 模糊变量的隶属度函数形状越瘦 , 相邻模糊变量的交点的隶属 度值越低 。2.2.3.2输出变量 U 隶属度的确定输出 U 采用图 3所示的等腰三角形曲线确定隶属度 , 图中 3为变量 U 隶属度 。 模糊变量

13、的隶属 度函数形状越瘦 , 相邻模糊变量的交点的隶属度值 越低 。2.2.4模糊控制规则库的建立根据发动机冷却系统最佳的温度的控制特点 ,如果偏差大且偏差变化率大 , 则控制作用加强 , 如果 偏差小且偏差变化率小 , 则控制作用减弱 , 因此建立 如下控制规则集 , 见表 1。此控制规则集是实践经验的总结 , 它是由若干图 1节温器开度模糊控制系统给定温度 R +-e e d/dt模 糊 控 制 器 节温器开度 u发动 机冷却系 统冷却液温度图 3输出 U 模糊划分表 1控制规则表E U E PB PM PS Z NS NM NB PB NB NB NB NM NB PM PB PM NB

14、NB NS NM NM PM PB PS NB NM NS NS NS PM PB Z NB NM NS Z PS PM PB NS NB NM NS PS PS PM PB NM NB NM NM PM PS PB PB NBNBNMNBPMPBPBPB图 2偏差 E 或偏差变体率 E 模糊划分1(2 NB NM NS ZPS PM PB-6-5-4-3-2-10123456E (E 3NBNMNSZPSPMPB-7-6-5-4-3-2-101234567U16前各项初始化 。4结论笔者研制的以 AVR32位单片机为核心基于串行总线的内燃机工况参数检测系统 , 可对所在工程 装备内燃机的压力

15、 、 温度 、 转速等工况参数进行检 测 , 将这些参数上传至上位主控计算机 , 进行故障诊 断和故障的趋势分析等处理 , 供操作维修人员了解 掌握内燃机的工作状态 。 系统采用单片微机和串行 总线模块技术设计 , 具有实时性好 , 控制精度高等特 点 。 其实现方法不但可用于常见的其他串行总线状 态监测与故障诊断系统设计 , 也适用于一般单片机与机械设备状态监测应用系统的开发 , 具有广泛的 应用前景 。参考文献 1Bitcode, Inc. 王成明译 .BC7281A -128段 LED 显示及 64键键盘控制芯片 M.北京 :电子工业出版社 , 2001.2徐英 , 王超 , 姜印平 .

16、 热电阻测温电路设计 J.工业仪表与自动化装置 , 2000, (4:20-22.3潘伟 , 王汉功 . 工程装备液压系统在线状态监测 J.维修论坛 , 2004, (7:32-34.4王宏强 , 杨江天 , 赵明元 . 基于 CAN 总线的车载机车轴承监测系统 J.铁道机车车辆 , 2004, 24(4:31-33.5赵丁选 , 马铸 , 杨力夫 , 等 . 工程车辆液力机械传动系统的动力性分析 J.中国机械工程 , 2001, 12(8:948-950.(上接第 14页 模糊条件语句组成 , 如 E =PB , 则不论 De 为何值 , 都 应该使 E 迅速上升 , 故 U =NB ; 如

17、 E =0, De =PS , 则取U =NS , 以消除偏差 。 上述这些原则是既要消除偏差 ,又要防止超调和振荡 。再依据模糊控制规则表 , 采用模糊推理方法 , 得 出模糊的输出结果 , 最后进行反模糊化处理 (在这里 使用的是重心法 , 得到模糊控制输出参数的精确 值 , 建立控制表 。 在控制过程中 , 采用查表法来精确 控制膨胀阀的开度 。2.3汽车发动机冷却系统节温器控制系统结构设计 2.3.1系统组成发动机冷却系统节温器电子控制系统结构设计 见图 4。 该控制系统由传感器 、 ECU(电子控制单元 、 执行器组成 。 传感器为温度传感器 , 是采用负温度系 数的热敏电阻式 ,

18、用以检测发动机冷却系统冷却液 温度 。 电子控制单元的核心元件采用单片机 , 以对传 感器检测到的信号进行分析处理 , 输出控制信号 。 执 行器为电子节温器 , 由步进电机和阀体部件组成 , 转 子部件封闭在阀体外罩内 , 步进电机转子的旋转 , 通 过减速机构 , 带动旋转阀门转动 , 控制阀口的通流面积 , 控制冷却液的流量 。2.3.2系统工作原理工作时 , 温度传感器将发动机冷却系统温度检测出送入给控制器 , 控制器将信号进行分析计算后 , 得出节温器的最佳开度 , 随后输出指令控制电子节 温器的步进电机 , 将阀开到需要的位置 , 控制好流经 散热器的冷却液流量 , 调节好冷却强度

19、 , 以保持发动 机在最佳温度下工作 。3结论将汽车发动机冷却系统传统的节温器改进为电子节温器并采用模糊控制方式进行控制 , 在控制过 程中 , 控制器根据传感器直接检测出的冷却温度 , 经 分析处理 , 实时控制电子节温器的开度 , 具有响应速 度快 , 控制准确的优点 , 能保证发动机工作在最适宜 的温度下 , 能提高汽车动力性和经济性 , 减小汽车的 排放污染 , 实现节约能源和保护环境 。参考文献 1庄继德 . 汽车电子控制系统工程 M.北京 :北京理工大学出版社 ,1998.2李洪兴 , 王加银 . 模糊控制系统建模 J.中国科学 ,2002,(9.3诸静 . 模糊控制原理与应用 M

20、.北京 :机械工业出版社 ,1995. 4李世勇 . 模糊控制 、 神经控制和智能控制论 M.哈尔滨 :哈尔滨工业大学出版社 ,1996. 5卢广锋 , 郭新民 . 汽车冷却系统 水 温 对 发 动 机 性 能 影 响 J.山东内燃机 ,2002,(3.6冷 玉 福 , 发 动 机 冷 却 系 统 自 动 控 制 装 置 的 开 发 J.汽 车 电器 ,2002,(12.7翟丽 , 郭新民 . 汽车发动机冷却 系 统 的 智 能 控 制 J.汽 车 电器 ,2001, (1:14-15.图 4汽车发动机冷却节温器电子控制系统结构图!散热器水温传感器发动机水泵电子节温器ECU袁慧彬等 :汽车发动机冷却系统节温器的智能控制第 3期 17