發(fā)動(dòng)機(jī)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(bào) V ol.38 No.3of University of Electronic Science and Technology of China May 2009 2009年5月 Journal發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械電子學(xué)院 成都 610054【摘要】提出了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的模糊控制方法，將冷卻液溫度進(jìn)行模糊化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)建立了相應(yīng)的模糊控制規(guī)則庫(kù)；應(yīng)用MATLAB 軟件的模糊邏輯工具，計(jì)算分析得到了控制查詢表，建立了以Motorol

2、a 單片機(jī)MC68HC908LJ12為核心的硬件系統(tǒng)，并對(duì)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明，該方法只需對(duì)現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行較少的改進(jìn)，便可較好地解決發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度難于準(zhǔn)確控制的問(wèn)題。關(guān) 鍵 詞 溫度控制; 冷卻系統(tǒng); 發(fā)動(dòng)機(jī); 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(dòng)風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)3種，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，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(xiàn)1-7表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度高低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(rèn)為冷卻液溫度該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1a 所示。無(wú)論冷

6、卻液溫度多高，在8090時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)沒(méi)有達(dá)到正常的工文獻(xiàn)8認(rèn)為每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)都有一個(gè)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(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性、能源浪費(fèi)，而且使發(fā)動(dòng)機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間處于低溫工作狀壽命等均能顯著地提高。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)冷卻系統(tǒng)態(tài)，嚴(yán)重影響動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、使用壽命和排放性的控制進(jìn)行了大量的研究，在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)能。發(fā)動(dòng)機(jī)溫度只能通過(guò)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(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)扇過(guò)散熱器來(lái)調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度。由于節(jié)溫器為機(jī)開(kāi)發(fā)研制了電動(dòng)節(jié)溫器11，引入了計(jì)算機(jī)控制技

7、術(shù)械式，控制溫度的波動(dòng)較大，使發(fā)動(dòng)機(jī)不能在最佳14-15，其目的在于控制發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)到控制最佳冷卻液溫度的目的，尋求對(duì)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(jī)理、控制和研究開(kāi)發(fā)手段的改進(jìn)是冷卻系卻系統(tǒng)風(fēng)扇不可控的缺點(diǎn)，利用硅油離合器的溫度統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)16-17。本文設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制系特性實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速調(diào)整，因此通過(guò)風(fēng)扇統(tǒng)，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)最佳冷卻液溫度控制的要求。轉(zhuǎn)速和節(jié)溫器來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)范圍仍然較大，不能滿

8、足發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(60572007；教育部博士點(diǎn)基金(20040614004；四川省教育廳科研基金(2006C063 作者簡(jiǎn)介：周翼翔 (1964 ，男，副教授，主要從事汽車檢測(cè)、智能控制系統(tǒng)等方面的研究.472 電 子 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第38卷 圖1 常用的3種冷卻系統(tǒng)1.3 電動(dòng)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(jī)械式風(fēng)扇改為一個(gè)或一組電風(fēng)扇來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，風(fēng)扇常采用有級(jí)或無(wú)級(jí)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(dòng)太大的缺點(diǎn)，達(dá)不到最佳控制發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)對(duì)冷卻液溫度影響的因素很多，有發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的，很難用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。為了達(dá)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。基于模糊控制的發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)程當(dāng)冷卻液溫度超過(guò)最佳冷卻液溫度T 、且閥位置檢測(cè)電阻小于最大值(位置電阻最大時(shí)，冷卻液只進(jìn)行大循環(huán) 時(shí)，電動(dòng)比例閥模糊控制系統(tǒng)啟動(dòng)，實(shí)

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(guò)T 、且閥位置檢測(cè)電阻等于最大電阻值時(shí)，電動(dòng)比例閥模糊控制系統(tǒng)停止工作，此時(shí)電動(dòng)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(guò)冷卻水箱，進(jìn)行大循環(huán)，啟動(dòng)第一風(fēng)扇模糊控制調(diào)速系統(tǒng)實(shí)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(guò)T 、閥位置檢測(cè)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(shí)，則電動(dòng)比例閥、第一風(fēng)扇調(diào)節(jié)控制停止，啟動(dòng)第二風(fēng)扇進(jìn)行冷卻液最佳溫度的模糊控制，此時(shí)冷卻液進(jìn)行大循環(huán)，第一風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)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(gè)溫度控制采用溫度和溫度變化率為輸入，以電動(dòng)比例流量閥的位置和電風(fēng)扇調(diào)速器位置為輸出，實(shí)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(gè)點(diǎn)，即論域?yàn)?, 5, 4, 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6；偏差語(yǔ)言變量取7個(gè)，用符號(hào)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(gè)點(diǎn)，即論域?yàn)?, 5, 4, 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3, +4, +5,+6；偏差語(yǔ)言變量取7個(gè)，用符號(hào)表示為NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB。輸出U ：將其離散為15個(gè)點(diǎn)，即論域?yàn)?, 6,

12、5, 4, 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7，輸出語(yǔ)言變量取7個(gè)，用符號(hào)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(yǔ)言變量模糊劃分如圖4所示。第3期 周翼翔 等: 發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，如果偏差大、且偏差變化率大，則控制作用應(yīng)強(qiáng)，因此，E 、D e 、U 之間是一此為雙輸入單輸出系統(tǒng)。種蘊(yùn)涵關(guān)系R ，且R =ED e U ，通過(guò)對(duì)冷卻液溫度調(diào)節(jié)的初步試

13、驗(yàn)，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(diǎn)的隸屬度值越低，控制作用越強(qiáng)，靈敏度越高。對(duì)于冷卻液溫度的控制，希望在誤差較大

14、時(shí)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(guò)MATLAB 軟件，本文采用重心法計(jì)算得到清晰量，如表2所示，系統(tǒng)采用查表法進(jìn)行實(shí)際過(guò)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(jì)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(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器。除發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)比例流量閥、風(fēng)扇啟動(dòng)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(bào) 第38卷器采用電動(dòng)機(jī)外，其余為繼電器。系統(tǒng)控制器采用抗干擾能力較強(qiáng)的Motorola 單片機(jī)MC68HC908 LJ 12，它具有4個(gè)8位輸入輸出端口、且含有6個(gè)10位的A/D轉(zhuǎn)換端口，資源足夠，便于試驗(yàn)和改進(jìn)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(jì)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(jìn)行調(diào)節(jié)，或啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)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(yàn)結(jié)果本文將該系統(tǒng)裝在轎車上試驗(yàn)，設(shè)定控制溫度為90、環(huán)境溫度為15時(shí)，測(cè)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(yàn)冷卻液溫度測(cè)試結(jié)果時(shí)間/m 0 2 4 6 810 12 14 16 1820溫度/1887948893 90 91 93 9189904 結(jié) 束 語(yǔ)控制規(guī)則應(yīng)通過(guò)大量的試驗(yàn)進(jìn)行修正，以提高控制精度。執(zhí)行器應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)選，以利于提高精度，降低成本。冷卻液溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有較大的影響，通過(guò)試驗(yàn)均可確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳冷卻液溫度，利用該控制系統(tǒng)可

19、控制發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳冷卻液溫度，提高其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性和使用壽命，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。參 考 文 獻(xiàn)1 張鐵柱, 張洪信. 水冷柴油機(jī)冷卻液最佳工作溫度的試驗(yàn)研究J. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 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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