汽车温度控制系统的研究与设计修改.docx

1、汽车温度控制系统的研究与设计修改摘 要随着国内汽车行业的高速发展，汽车空调越来越受到汽车制造商的重视。现在国产汽车的汽车温度控制系统普遍采用手动机械控制方式，大大落后于国际水平，限制了我国汽车工业的发展。本文针对实现汽车空调的自动控制的问题进行了一系列调研。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，把整个控制器分成六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

2、要求对控制系统的硬件进行设计，包括数据采集、人机通道的设计。根据模糊控制规则及输入、输出的接口要求对软件进行设计。关键词：汽车空调，模糊控制，温度控制AbstractAlong with the domestic automobile profession high speed development，theAutomobile air conditioning more and more receives the automobile manufacturer thevalue. Now the domestically produced automobile air conditionin

3、g controller generally uses the manual machinery control mode，falls behind greatly the international standard，has limited the automobile industry development .This article has conducted a series of research in view of the realization auto mobile air conditioning automatic control question. Use the f

4、uzzy control theory to carry on the intelligent control to the automobile air indoor temperature governing system. The fuzzy control method has the strong robustness，can precisely control in the vehicle the temperature，satisfies the human body comfortable request. This article through to automobile

5、air conditioning indoor temperature adjustment process analysis，according to the fuzzy control rule storehouse decomposition principle，divides into the entire controller more than six inputs lists output the fuzzy controller . (Hypothesis temperature and vehicle room temperature)carries on fuzzy pro

6、cessing to the input signal，established mixed the air throttle，the air blower rotational speed，the compressor and the hot water valve，the wind direction air throttle and inside and outside cyclic control fuzzy control rule. According to input，the output request has carried on the design to the contr

7、ol system hardware，including data acquisition，man-machine channel design .According to the fuzzy control rule and the input，the output connection request carries on the design to the software.Keywords: automobile air conditioning，fuzzy control，temperature control1 绪 论1.1 引言人类虽然掌握制冷技术已有120多年时间，但第一台汽车

8、空调装置直到1927年才出现。当时的汽车空调的内容仅仅是具备加热器及空气经过过滤的通风系统。直到1940年才由英国的帕卡德 （Packard）汽车公司首次提出了通过制冷方式使车室内空气凉爽的方法。第二次世界大战后，汽车空调开始了实质性的进展。直到如今，汽车空调作为提高汽车乘坐舒适性的一种重要手段已被广大汽车制造工作者及用户认可，人们逐渐认识到汽车装有空调的好处。完善的汽车空调系统可以对车内空气的温度、湿度、清洁度、风速、通风等进行自动调节，并使车内空气以一定速度和方向流动，给乘员提供一个良好的小气候，保证在各种外界气候和条件下使乘员都能处于一个舒适的空气环境之中，提高了乘坐舒适性，在空调环境中

9、司机能保持头脑清醒、提高工作效率、能减少疲劳和车祸的发生，使驾驶员保持清晰的视野，为安全驾驶提供基本保证。1988年，美国生产的汽车（包括轿车、卡车和其他车辆）就有90.3%装备了空调系统，到1993年上升到94%。我国在这方面起步较晚，从60年代初，才开始在红旗轿车上安装空调。但近年来发展速度很快，国内轿车上80%装有空调系统，在工程车、旅游车及城市公交车上也开始大量安装空调系统。对汽车空调系统进行优化控制，可以改善和提高其性能。由于微型计算机具有结构紧凑、工作可靠、功能强大、响应快速和价格低廉等优点，特别适宜于作为汽车计算机控制系统的控制器。计算机技术的发展也为汽车实现计算机控制提供了技术

10、支持和保证，汽车计算机控制己经成为汽车的一个主要发展方面。汽车实现计算机控制可以改善和提高汽车的控制质量。1.2 智能控制的发展趋势从温度控制系统的发展来看，以单片机为核心构成的微型温度控制系统调节装置已被国内外许多公司和单位作为研究对象，客观存在的硬件简单，软件丰富，能方便地实现现代化控制规律和多种功能，性能优良，运行、调试都非常方便，且生产成本低，可加快生产设备的更新换代，己开始受到重视和欢迎。加之近年来，单片机的性能不断提高，而且价格却逐年降低，所以单片机温度控制装置将具有广阔的发展和运用前景。1.3 研究项目开展的意义为了满足人们对轿车日益增长的舒适性需求，上海市曾做了个意向调查，据统

11、计，约有45%以上的有购车欲望的人希望购买20至25万元左右的汽车，由此可发现，人们对汽车的要求已不再是简单的代步工具，而是一种享受，体现了人们对舒适性的追求。空调是最能体现汽车舒适性的装置之一。汽车空调能在任何气候和行驶条件下，改善驾驶员的工作劳动条件和提高乘客的舒适性。现代化的汽车空调就是能将车室内空间的环境调整到对人体最适宜的状态，创造良好的劳动条件和工作环境，以提高司机的精神状态，确保行车安全。创造良好的车内环境，保护乘员的身体健康。由于汽车空调的调节对象是车内的人，故偏重于舒适性的要求。虽然，从第一台汽车空调的发明至今已有几十年的历史，但由于汽车空调控制系统时变、非线性、大干扰，因此

12、在舒适性上还跟不上人们的需求。就国外来说，仍在不断为提高汽车空调的舒适性做大量的研究。虽然目前国外汽车空调控制技术领先于我们，但在汽车空调的模糊控制技术上，国外也还处于研究状态。 其次，对汽车温度控制系统的研究是市场激烈竞争的必然产物。自1886年汽车发明后一百多年来，汽车工业经过汽车技术，生产方式的几次大飞跃，己成为人类文明的基本要素和国民经济支柱产业。当今世界，汽车工业的迅速发展和汽车保有量的高速增长，极大程度上为人类活动提供了方便。由于汽车业固有的特点和科学技术的不断进步，汽车工业出现了技术集约化、生产集中化、市场国际化、组织集团化的趋势。全球市场竞争空前激烈，而市场竞争的实质就是汽车技

13、术的竞争。汽车空调技术是提高汽车市场竞争的重要手段。而优化汽车空调控制系统是提高汽车空调技术含量的重要保障。目前，汽车空调不仅作为改善工作条件、提高汽车效率、提高汽车安全性重要手段，更重要的是提高汽车档次、提高市场竞争力。再次，对汽车温度控制系统的研究是我国汽车工业发展的要求。由于我国汽车行业起步较晚，汽车空调控制还停留在国外六、七十年代的水平，系统大多采用简单的温度控制，如桑塔纳、桑2000型、捷达、夏利、奥拓等空调系统使用继电器控制，人机界面则还是由拔杆、手动阀门、旋钮等机械装置组成。自主开发的计算机空调控制系统仍是空白，为项目的开展提供了广阔的市场空间。另外，由于汽车空调工况瞬变性和系统

14、的非线性，使得系统数学模型的建立极为困难而难以实施或难以获得满意的效果。作为一种智能控制，模糊控制不需要知道控制对象的具体数学模型，就能实现对系统的控制，并对参数的变化具有较强的适应性，所以对于汽车空调这类时变、非线性、大干扰系统的控制，具有很大的优势。国内外已有将模糊控制技术用于家用空调器成功的例子，但有关汽车空调模糊控制的研究还处于起步阶段。最后，计算机控制系统（嵌入式）的发展提供技术支撑，计算机技术的发展是汽车实现计算机控制的技术支持和保证。汽车的计算机控制已成为汽车一个重要发展方向，汽车实现计算机控制不仅可改善和提高汽车控制质量，还可扩展汽车内容。目前，汽车许多系统实现了计算机控制，如

15、动力性、经济性、安全性、可靠性，这为此设计实施的可行性提供保障。1.4 汽车空调的特点及其控制系统的难点与一般建筑空调相比，汽车空调具有其特殊性。首先，汽车是个移动物体，外界气候条件变化大，车外热负荷变化大，以至于难以确定标准的车外设计参数。其次，由于汽车车室内乘员密度大，人体热量大，要求的制冷能力大，汽车开启空调与乘员进入车内往往是同一时刻，乘客要求一进入车室，在很短的时间内就享受到空调效果。而汽车车身（包括座椅等）在开空调之前的蓄热量（或蓄冷量）是很大的。这几种因素导致汽车空调所要求的负荷大，要求降温（或升温）迅速。因此，汽车空调机组的制冷（或采暖）能力应该比房间空调大的多。另外，汽车是高

16、速移动的物体，与外界对流热交换量大，而且车身隔热困难，玻璃门窗所占面积又大，车室内得热量（或失热量）大。如果汽车长时间直接暴露在太阳下（或风雪下），进入车室的热负荷（或冷负荷）比一般房间要大得多。夏季汽车长时间停在烈日下，车内温度会上升到50。C以上。汽车的使用环境非常严酷，这些环境因素往往造成汽车电子装置的性能恶化，甚至不能完成规定的功能或损坏，出现可靠性故障。因此与一般控制系统相比，汽车空调控制系统对其可靠性有着特殊的要求。（一）要满足温度、湿度环境的要求。汽车外部的环境温度最高为50。C，最低为-40。C，但汽车内的工作环境却因部件的位置不同而相差极大。（二）要满足振动冲击环境要求。汽车

17、零部件必须承受由不良路面引起的较大的振动和冲击。（三）要满足电气环境要求。汽车电源波动和瞬时过电压等将形成较坏的电气环境。1.5 课题的提出与毕业设计内容本课题的提出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，本课题的研究和设计内容为:（一）通过对汽车空调的工作原理和空调总体的结构分析，设计了以SPCE061A为核心的单片机控制系统，并对控制器硬件电路部分做了设计。（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

18、测采用高精度的集成温度传感器AD590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。第二章 汽车空调系统工作原理2.1汽车空调系统的原理2.1.1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、控制二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。如图2.1为汽车空调制冷循环图。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

19、器（包括蒸风机）组成。其制冷原理是利用液态制冷剂吸热产生冷效应。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，制冷剂加热在定压下气化。由于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空气中热量，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，变成高于车外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，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大量热量，一般小型汽车

20、空调都采用发动机余热采暖。发动机冷却水通过暖水流入暖风散热器，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。2.1.2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。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

21、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，也就直接影响到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口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，压缩抓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池阀控制，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

22、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。第三章 车室温度模糊控制的设计3.1模糊控制的产生及其特点模糊逻辑是模糊数学的一个分支学科，它是英文“Fuzzy Logic”，的中文译意，是指模糊数学诞生之后而产生的一种新的逻辑系统。1965年，美国加州大学的自动控制理论家L.A.Zadeh提出了模糊集合论，从而开创了模糊逻辑的历史。模糊逻辑和二

23、值逻辑不同，它是一种连续逻辑。在模糊逻辑中，逻辑值可以取0、1区间中的任何数。因此，模糊逻辑是二值逻辑的扩展，而二值逻辑是模糊逻辑的特殊情况。模糊控制就是将模糊数学的方法应用于控制过程中，使控制过程能够模拟人的思维、语言和行为的模糊性，它以模糊控制规则实现控制，模糊规则是根据人们在控制过程中的经验形成的。模糊控制的特点是不需要知道控制对象的具体数学模型，就能实现对系统的控制，并对参数的变化具有较强的适应性，模糊控制既可以进行简单控制，也可以进行复杂的非线性控制。采用模糊逻辑控制不仅可以缩短控制程序，甚至可以完成以前必须由硬件才能完成的工作。模糊控制的特点如下：（一）模糊控制是以人对被控系统的控

24、制经验为依据而设计控制器的，故无须知道被控系统的数学模型。（二）模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊思维是人类智能活动的体现。因此，它是一种反映人类智慧思维的智能控制。（三）模糊控制的核心是控制规律，这些规则是以人类语言表达的，例如“室温较高，则冷气鼓风机转速较高，风门开度较大”，这是汽车车室温度控制的控制规则。很明显，易为一般人所接受和理解。（四）容易构造。如果用微型机系统或单片机来构造模糊控制系统，其结构和一般数学控制系统无异，模糊控制方法是用软件实现的。如果用模糊单片机构造模糊控制系统则更为方便，基本上只要给模

25、糊单片机设置好数据就可以了。（五）适应性好。模糊控制系统无论被控对象是线性还是非线性的，都能执行有效的控制，具有良好的适应性。3.2模糊控制与单片机模糊控制是现存的三种智能控制(即人工智能、模糊控制、神经网络)中最具现实价值的控制方法。人工智能的方法是建立在传统逻辑的基础上，它目前处于各种困境而实际进展十分缓慢，神经网络由于权系数学习的实时性尚是一个十分难以解决的问题，理论上的进步和技术上的实用仍有较大的距离。本文中的控制方法选择模糊控制，其原因在于：一、被控对象的复杂性汽车空调及车室温度的控制比较复杂，因此在实际中很难用数学模型来描述然而，这种复杂对象用模糊规则表示则是简便和容易的事。实际上

26、，用模糊规则表示各种非线性和不确定性正是模糊控制的长处。二、模糊控制的易用性由于模糊控制可以先用一个粗糙的控制规则库进行控制，然后再通过自组织的寻优过程产生优化的控制规则库，最终取得优良的控制效果。模糊控制是基于控制规则库的，而规则库的组织过程可以用对控制表的校正过程来实现，从而使模糊控制有良好的易用性。特别需要提出的是:模糊控制对系统的参数变化是不敏感的，这一点有着特别的优势。三、物理基础的可实现性目前，由于微型机的发展，特别是单片机的诞生，给模糊控制提供了最基本的物理基础。这种物理基础使得系统能组成体积小而环境适应性好的结构。更重要的是，以这种物理基础加上对应的软件就能实现实质的模糊系统。

27、软件可以适宜地描述隶属函数、控制规则，并执行有关模糊推理过程。这就使模糊控制这样一种技术形式转化为一种物理的控制系统。微型机的单片化之后产生了单片机，并因其体积小，外围接口齐全等原因广泛的应用于各种移动的自动化设备及家用电器中。3.3模糊控制的基本原理对于一个系统而言，模糊控制在控制系统中所表现的具体形式是模糊控制器。模糊控制从系统结构角度讲，是以模糊控制器取代的数字控制器。这种结构和传统的控制结构完全一样。从校正的眼光看，这是一种偏差校正方式。模糊控制的系统结构如图3.1所示。对于模糊控制来说，其核心在于模糊控制器，模糊控制的机理是通过模糊控制器来实现的。模糊控制器的思想来自人类在生产实践中

28、对被控对象的控制。人的经验是一系列含有语言变量值的条件语句和规则，而模糊集合理论能十分恰当地表达具有模糊性的语言变量和条件语句。很明显，把人的经验用模糊条件语句表示，然后，用模糊集合理论对语言变量定量化，再用模糊推理对系统的实时输入状态进行处理，产生相应的控制决策。这无疑是一种新颖的方法。这样就产生了模糊控制器。模糊控制器显然要有下述功能。一、模糊化接口功能被控制对象的状态都是精确量，必须把被控制对象有关状态的精确量转换为相应的模糊量。模糊化接口应完成如下有关工作：（一）检测须输入的精确量。（二）执行标度处理，把输入量的范围变换成相应的论域范围，以便计算机能执行处理。（三）进行模糊化，把输入数

29、据转换成恰当的语言值，即模糊量。二、存储知识库能把用于模糊控制的知识库存储在内部，以供知识推理时使用。知识库由数据库和语言控制规则库组成。语言控制规则库即是模糊控制规则库，数据库即是隶属函数集，也即模糊量集。三、决策功能决策功能是模糊控制器的中心功能。这种决策是模糊决策，它模拟人类的决策能力。模糊决策是基于模糊概念和模糊控制作用的，而模糊控制作用采用模糊蕴含和推理规则实现的。决策功能包括如下作用：（一）定义模糊蕴含的意义；（二）对条件语句中的连词“and”和“else”等进行意义确定；（三）对合成操作算子进行定义；（四）模糊推理的意义。四、反模糊接口功能反模糊接口的作用是把模糊控制器执行决策后

30、产生的模糊控制量转换成合适的精确控制量。反模糊接口要完成下面的工作：（一）标度处理一把输出量的范围转换到相应的论域范围中；（二）反模糊化一把模糊控制器推断出的模糊控制量转换成精确控制量。根据模糊控制器的功能，其结构如图3-2所示。从图中可以看出它由模糊化接口、推理机、反模糊化接口和知识库组成。知识库存储模糊控制器中的模糊量以及模糊控制规则。知识库向模糊化接口提供模糊量的隶属函数形态，从而使模糊化接口在接收到外部的精确量输入之后，能够将其转换成相对应的模糊量及隶属度。知识库也向反模糊化接口提供模糊量的隶属函数形态，反模糊化接口则根据输出的模糊量及隶属度，转换成与之对应的精确量。同时，知识库向推理

31、机提供数据，由推理机执行推理过程，从而从输入的模糊量推断出输出模糊量。3.4汽车全自动空调的模糊控制策略汽车全自动空调控制系统是对汽车空调实现的自动控制，其控制方法可以使用模糊控制系统。对于本文的应用例子，可以把全自动控制是看成是一个多传感器输入，六个控制量输出的控制系统。当控制系统选择使用模糊控制器时，根据模糊控制规则库的分解原则，可以把整个控制器分成六个多输入单输出的模糊控制器。对于多个输出传感器，在温度控制过程中最重要的就是车内温度传感器，它直接反映了受控对象的状态。可以预想只要保证车室内温度传感器就可以实现基本的控制。下面就对只使用室内温度传感器实现模糊控制进行研究。3.4.1混合风门

32、的模糊控制混合风门是控制空调冷暖风混合程度的控制机构，它直接实现空调系统从暖到冷的控制，所以这是空调最重要的受控量之一。下面讨论将使用Mamdani型推理器对于混合风门进行模糊控制。首先可将空调设定温度与车内传感器测得温度的温度误差值作为第一个输入量，再将该误差值的变化值作为第二个输入量。温度误差值(以后简称误差值)是空调设定温度减去车内温度的值，其输入范围定为-7，7，对于更大的误差都视为边界值处理。误差变化值(以后简称变化值)表示每隔二十秒误差值变化的大小，它的输入范围限定为-3，3，对于其它值也视为边界值处理。混合风门模糊控制的输出值为混合风门的档位，输出范围为1，5，档位1表示最大制冷，档位5是最大加热，其它档位分别对应不同的混合度。由于使用Mamdani型推理器，输入输出都使用模糊集合表示，可将各个输入输出都分为5个模糊集合。这里使用高斯函数作为全部输入输出的隶属度函数，是因为高斯函数接近人类模糊思维的方式。高斯函数的均值代表了该模糊集合的典型值，例如误差值输入量的模糊集合NB代表了负极大，物理意义是设定值远远小