汽车发动机冷却系统节温器的智能控制概要.docx
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汽车发动机冷却系统节温器的智能控制概要
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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（200903-0015-03
IntelligenceControlofThermostatin
AutomotiveEngineCoolingSystem
YUANHui-bin,JIANGKai-zheng,LIUZhang-qi
（AutomotiveEngineeringDept.,SichuanVocationalCollege,Suining629000,China
Abstract:
Thispaperanalyzesthenecessityofintelligentopeningcontrolofthermostatinautomotiveenginecoolingsystemandexpoundsindetailitsdesignsincludingcontrolmode,fuzzycontrollerandstructureofcontrolsystem.Keywords:
enginecoolingsystem;thermostat;electronicthermostat;fuzzycontroller
1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,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,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
InternalCombustionEngines
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,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-1T]（2式中,n为第n次取样;T为温度取样周期,通常取T=6~15s;△T（nT为nT时刻发动机冷却系统实际温度;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μ1、μ2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μ3为变量U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。
2.2.4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
△ed/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
EU△EPBPMPSZNSNMNBPBNBNBNBNMNBPMPBPMNBNBNSNMNMPMPBPSNBNMNSNSNSPMPBZNBNMNSZPSPMPBNSNBNMNSPSPSPMPBNMNBNMNMPMPSPBPBNB
NB
NM
NB
PM
PB
PB
PB
图2
偏差E或偏差变体率△E模糊划分
μ1（μ2NBNMNSZ
PSPMPB
-6-5-4-3-2-10123456E（ΔE
μ3
NB
NM
NS
Z
PS
PM
PB
-7-6-5-4-3-2-1012
34567
U
16··
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、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]
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（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,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,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]
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14-15.
图4
汽车发动机冷却节温器电子控制系统结构图
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散热器
水温传感器
发动机
水泵
电子节温器
ECU
袁慧彬等:
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第3期17··
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