发动机冷却液温度模糊控制系统的研究.pdf
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1、第3 8 卷第3 期 2 0 0 9 年5 月 电子科技大学学报 J o u r n a lo f U n i v e r s i t yo f E l e c t r o n i cS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo f C h i n a V b l 3 8N O 3 M a y 2 0 0 9 发动机冷却液温度模糊控制系统的研究 周翼翔1 ,黄大贵2 ( 1 四川职业技术学院汽车工程系四川遂宁6 2 9 0 0 0 ;2 电子科技大学机械电子学院成都6 1 0 0 5 4 ) 【摘要】提出了发动机冷却液温度的模糊控制方法,将冷却液温度进行模糊化,
2、根据实验建立了相应的模糊控制规则库; 应用M A T L A B 软件的模糊逻辑工具,计算分析得到了控制查询袁,建立了v Y , M o t o r o l a 单片;风M C 6 8 H C 9 0 8 L J l 2 为核心的硬件系 统,并对软件进行了设计试验表明,该方法只需对现有的发动机冷却系统进行较少的改进,便可较好地解决发动机的冷却 液温度难于准确控制的问题 关键词温度控制:冷却系统:发动机:模糊控制 中图分类号T N 2 2 3文献标识码A d o i :1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 1 0 5 4 8 2 0 0 9 0 3 0 3 7 S t u d
3、yo fF u z z yC o n t r o lS y s t e mf o rE n g i n eC o o l a n tT e m p e r a t u r e Z H O U Y i - x i a n gl ,a n dH U A N GD a - g u i 2 ( 1 D e p a r t m e n to f A u t o m o b i l eE n g i n e e r i n g , S i c h u a nV o c a t i o n a la n dT e c h n i c a lC o l l e g eS u i n i n gS i c h
4、u a n 6 2 9 0 0 0 ; 2 S c h o o lo f M e c h a t r o n i c sE n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t yo f E l e c t r o n i cS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo f C h i n aC h e n g d u6 1 0 0 5 4 ) A b s t r a c tAf u z z ym e t h o df o rc o n t r o l l i n gt h ee n g i n ec o o l a n tt e m
5、p e r a t u r ei sp r p o s e d T h ef u z z yr u l eb a s ei s c o r r e s p o n d i n g l ye s t a b l i s h e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a T h ec o n t r o lq u e r yt a b l ei sc r e a t e dt h r o u g hc o m p u t i n g a n da n a l y z i n gv i at h ef u z z yl o g i ct o o
6、 l si nM A T L A B T h eh a r d w a r es y s t e m ,c e n t e r i n go nM C 6 8 H C 9 0 8 L J12 ,i s c o n d u c t e d T h es o f t w a r ei sd e s i g n e da sw e l l T h et e s ti n d i c a t e st h a to n l yal i t t l ei m p r o v e m e n to ft h ec u r r e n te n g i n e c o o l i n gs y s t e
7、mC a nb e t t e rs o l v et h ep r o b l e mt h a ti ti sd i f f i c u l tt oa c c u r a t e l yc o n t r o lt h ee n g i n ec o o l a n tt e m p e r a t u r e K e yw o r d st e m p e r a t u r ec o n t r o l ;c o o l i n gs y s t e m ;e n g i n e ;f u z z yc o n t r o l 发动机工作时,冷却系统起到了维持其本身正 常工作温度的作
8、用。文献【1 7 】表明,发动机的冷却 液温度高低对发动机的动力性、经济性、排放性能 和使用寿命均有较大的影响。通常认为冷却液温度 在8 0 9 0 时,发动机具有较好的工作性能。然而, 文献【8 】认为每个发动机都有一个最佳的冷却液温 度,在该温度下,发动机动力性、经济性、排放性、 寿命等均能显著地提高。因此,国内外对冷却系统 的控制进行了大量的研究,在传统发动机冷却系统 的基础上,实现了对风扇 9 - 1 0 1 、水泵【l 】- B 1 转速控制, 开发研制了电动节温器【l ,引入了计算机控制技术 1 4 - 1 5 ,其目的在于控制发动机冷却液的温度。但由 于冷却系统的复杂性,难于建立
9、理想的数学模型和 达到控制最佳冷却液温度的目的,寻求对冷却系统 的冷却机理、控制和研究开发手段的改进是冷却系 统发展的必然趋势B 6 - 1 7 。本文设计一个模糊控制系 统,满足了发动机最佳冷却液温度控制的要求。 1 现有的温度控制系统及缺陷 目前冷却液温度控制系统有传统的冷却系统、 加硅油离合器的冷却系统和电动风扇冷却系统3 种, 如图l 所示。 1 1 传统的冷却系统 该系统结构如图1 a 所示。无论冷却液温度多高, 风扇始终都在工作。如果发动机没有达到正常的工 作温度,风扇起到恶化工作条件的作用,不但造成 能源浪费,而且使发动机较长时间处于低温工作状 态,严重影响动力性、经济性、使用寿
10、命和排放性 能。发动机温度只能通过节温器控制冷却液是否经 过散热器来调控发动机工作温度。由于节温器为机 械式,控制温度的波动较大,使发动机不能在最佳 的温度下工作。 1 2 加硅油离合器的冷却系统 该系统结构如图l b 所示。该系统改变了传统冷 却系统风扇不可控的缺点,利用硅油离合器的温度 特性实现对风扇的启动和转速调整,因此通过风扇 转速和节温器来调节发动机的工作温度。但这种调 节温度的波动范围仍然较大,不能满足发动机最佳 工作温度的需要。 收稿日期:2 0 0 8 0 4 2 3 :修回日期:2 0 0 8 1 0 2 0 基金项目:国家自然科学基金( 6 0 5 7 2 0 0 7 )
11、:教育部博士点基金( 2 0 0 4 0 6 1 4 0 0 4 ) 四川省教育厅科研基金( 2 0 0 6 C 0 6 3 ) 作者简介:周翼翔( 1 9 6 4 一) ,男,副教授,主要从事汽车检测、智能控制系统等方面的研究 万方数据 4 7 2 电子科技大学学报 第3 8 卷 加硅油离合器的冷却系统 电风扇开关控制器 C 电动风局的冷却系统 图1 常用的3 种冷却系统 1 3 电动风扇的冷却系统 该系统结构如图1 c 所示,它是在传统的冷却系 统基础上,将机械式风扇改为一个或一组电风扇来 对温度进行控制,风扇常采用有级或无级转速调整。 与上两种系统相比,它的可控性有所提高,但仍然 克服不
12、了冷却液温度调节波动太大的缺点,达不到 最佳控制发动机工作温度的目的。 2 基于模糊控制的冷却液温度的控制 系统 发动机冷却系统对冷却液温度影响的因素很 多,有发动机工况、车辆行驶状态、地域、天气状 态等,这些因素往往都是随机的,很难用准确的数 学模型来描述。为了达到较准确地控制冷却液温度 的目的,采用模糊控制能较好地满足控制系统的要 求。基于模糊控制的发动机冷却液温度控制系统如 图2 所示。 图2 基于模糊控制的冷却液温度控制系统 2 1 系统控制过程 当冷却液温度超过最佳冷却液温度A 且阀位置 检测电阻小于最大值( 位置电阻最大时,冷却液只进 行大循环) 时,电动比例阀模糊控制系统启动,实
13、现 最佳冷却液温度调节控制。当其冷却液温度超过几 且阀位置检测电阻等于最大电阻值时,电动比例阀 模糊控制系统停止工作,此时电动比例阀处于关闭 冷却系统小循环状态,冷却液经过冷却水箱,进行 大循环,启动第一风扇模糊控制调速系统实现最佳 冷却液温度的调节控制。当其冷却液温度超过丁、阀 位置检测电阻等于电阻最大值、且第一风扇调速器 的位置电阻最大时,则电动比例阀、第一风扇调节 控制停止,启动第二风扇进行冷却液最佳温度的模 糊控制,此时冷却液进行大循环,第一风扇全速转 动,第二风扇在控制系统的控制下工作。 2 2 控制系统的模糊控制器设计 冷却液温度的模糊控制系统 i S - 1 9 如图3 所示。
14、给定温度 图3 冷却液温度的模糊控制系统框图 2 2 1 输入输出论域 整个温度控制采用温度和温度变化率为输入, 以电动比例流量阀的位置和电风扇调速器位置为输 出,实现双输入单输出的模糊控制。 温度偏差E :将其离散为1 3 个点,即论域为 “, 一5 ,o ,一3 ,之,一l ,0 ,+ 1 ,+ 2 ,+ 3 ,+ 4 ,+ 5 ,+ 6 ) ;偏差语 言变量取7 个,用符号表示为 N B ,N M ,N S ,Z ,P S , P M ,P B 。 温度偏差变化率D e :将其离散为1 3 个点,即论 域为 一6 ,一5 ,- - 4 ,- 3 ,一2 ,- 1 ,0 ,+ l ,+ 2
15、 ,+ 3 ,+ 4 ,+ 5 , + 6 ) ;偏差语言变量取7 个,用符号表示为 N B ,N M , N S ,Z ,P S ,P M , P B 。 输出矾将其离散为1 5 个点,即论域为 一7 ,- 6 , 一5 ,4 ,一3 ,2 ,一l ,O ,+ l ,+ 2 ,+ 3 ,+ 4 ,+ 5 ,+ 6 ,+ 7 ,输出 语言变量取7 个,用符号表示为 r , r a ,N M ,N S ,Z ,P S , P M ,P B 。 2 2 2 隶属度的确定 偏差E 、偏差变化率眈、输出,1 拘语言变量模糊 划分如图4 所示。 疆园 习雪。匿慝 万方数据 第3 期周翼翔等:发动机冷却液
16、温度模糊控制系统的研究 4 7 3 掀灯 -6-5_4_3-2-10 l234 5 6占 a 偏差占的模糊划分 汀。 _ 6 - 51 4 - 3 吨一l0123456 1 9 , b 偏差变化率D t 的模糊划分 P SP MP B 、徽黼厂 _ 7 _ 6 弓_ 4 弓- 2 - 101234567 ( J c 输出( ,的模糊划分 图4 模糊划分 此,偏差E 、偏差变化率D 。按均匀模糊划分,而控制 变量溅非均匀模糊划分。 2 2 3 模糊控制规则库的建立 根据温度控制的特点,如果偏差大、且偏差变化 率大,则控制作用应强,因此,E 、D e 、己,之间是一 种蕴涵关系R ,且R = -
17、E D 。U , 此为双输入单输出系统。 通过对冷却液温度调节的初步试验,确定其控制规 则如表l 所示。 表l 冷却液温度模糊控制的控制规则 模糊变量的隶属度函数形状越瘦,相邻模糊变 量交点的隶属度值越低,控制作用越强,灵敏度越 根据模糊推理理论,通过M A l L A B 软件,本文 高。对于冷却液温度的控制,希望在误差较大时灵 采用重心法计算得到清晰量,如表2 所示,系统采用 敏度提高,而在给定值附近控制应较平缓温和,因 查表法进行实际过程控制。 表2 冷却液温度模糊控制( 决策) 清晰量 2 3 控制系统硬件设计 硬件系统如图5 所示。传感器主要有冷却液温度 传感器、电动比例流量阀位置传
18、感器、风扇1 调速器 位置传感器、风扇2 调速器位置传感器和发动机转速 传感器。除发动机转速采用磁电式传感器外,其余 均采用电阻型。执行器主要有电动比例流量阀、风 扇启动执行器、风扇调速执行器。除风扇调速执行 器采用电动机外,其余为继电器。系统控制器采用 万方数据 4 7 4 电子科技大学学报 第3 8 卷 抗干扰能力较强的M o t o r o l a 单片机M C 6 8 H C 9 0 8L J 1 2 ,它具有4 个8 位输入输出端口、且含有6 个1 0 位的 A D 转换端口,资源足够,便于试验和改进使用。 l 冷却液温度传感器卜 叫电动比例阀控制执行器组 I 电动比例阀位置传感器卜
19、 单片机 l 风扇I 调速位置传感器卜M C 6 8 H C一风扇1 控制执行器组 9 0 8 U 1 2 I 风扇2 调速位置传感器卜 l 发动机转速传感器卜 叫风扇2 控制执行器组 图5 冷却液温度模糊控制硬件系统 2 4 控制系统软件设计 根据冷却液控制系统工作的要求,控制系统要 在不同的温度条件下进行调节,或启动不同的冷却 装置,以维持最佳的冷却液温度。设最佳温度为乃 电动比例流量阀最大位置为S ,风扇1 调速器最大位 置,风扇2 调速器最大位置,发动机转速,则 控制软件的控制流程如图6 所示。 图6 冷却液温度模糊控制的流程软件 3 试验结果 本文将该系统装在轿车上试验,设定控制温度
20、 为9 0 、环境温度为1 5 时,测得的温度情况如表3 所示。冷却液温度可控制在9 0 士4 的范围内。 表3 控制系统装车试验冷却液温度测试结果 4 结束语 控制规则应通过大量的试验进行修正,以提高 控制精度。执行器应进行改进或优选,以利于提高 精度,降低成本。 冷却液温度对发动机性能有较大的影响,通过 试验均可确定发动机的最佳冷却液温度,利用该控 制系统可控制发动机的最佳冷却液温度,提高其动 力性、经济性、排放性和使用寿命,具有一定的应 用价值。 参考文献 【l 】张铁柱,张洪信水冷柴油机冷却液最佳工作温度的试 验研究【J 1 内燃机学报,2 0 0 2 ,2 0 ( 4 ) :3 7
21、7 3 8 0 Z H A N GT i e - z h u ,Z H A N GH o n g - x i n T e s tr e s e a r c ho nw a t e r c o o l e dd i e s e le n g i n e so p t i m u mw o r kt e m p e r a t u r e J T r a n s a c t i o n so f C s i c e ,2 0 0 2 ,2 0 ( 4 ) :3 7 7 - 3 8 0 r 2 1C H A L G R E NRD ,P A R K E RG1 3 IO N E R 人e ta 1
22、A c o n t r o l l e dE G Rc o o l i n gs y s t e mf o rh e a v y - d u t yd i e s e l a p p l i c a t i o n su s i n gt h e v e h i c l e e n g i n ec o o l i n gs y s t e m s i m u l a t i o n C O L 2 0 0 2 - 0 3 0 4 h t t p :w w w s a e o r g t e c h n i - c a l p a p e r s 2 0 0 2 - 0 1 - 0 0 7 6
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