汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器的智能控制

1、*汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器的智能控制袁慧彬 , 蔣開正 , 劉章棋 (四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系 , 四川 遂寧 629000 摘要 :分析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器的開度采用智能控制的必要性 , 并詳細(xì)闡述發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器智能控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) , 包括控制方式設(shè)計(jì) 、 模糊控制器設(shè)計(jì) 、 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等 。 關(guān)鍵詞 :發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng) ; 節(jié)溫器 ; 電子節(jié)溫器 ; 模糊控制系統(tǒng)中圖分類號(hào):TK413文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1000-6494(2009 03-0015-03Intelligence Control of Thermostat inAutomotive Engine C

2、ooling 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 its designs includ

3、ing control mode, fuzzy controller and structure of control system. Key words:engine cooling system; thermostat; electronic thermostat; fuzzy controller1概述汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器的作用是改變冷卻液的循環(huán)路線和流量 , 根據(jù)冷卻液溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)冷 卻強(qiáng)度 。 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度較低時(shí) , 節(jié)溫器閥關(guān) 閉 , 將冷卻液流向散熱器的通道關(guān)閉 , 使從發(fā)動(dòng)機(jī)缸 蓋流出來的冷卻液經(jīng)水泵入口直接流回發(fā)動(dòng)機(jī)缸體 水套 , 進(jìn)行小循環(huán) 。 這時(shí)由于冷卻液未流

4、經(jīng)散熱器 , 散熱量少 , 以便使冷卻液能迅速升溫 , 提高發(fā)動(dòng)機(jī)工 作性能和減少磨損 。 當(dāng)冷卻液溫度升高到一定時(shí) , 節(jié) 溫器閥開始打開 (并隨冷卻液溫度升高 , 開度越大 , 控制部分冷卻液進(jìn)入散熱器 , 并由散熱器經(jīng)水泵流 回發(fā)動(dòng)機(jī) 。 這時(shí)由于冷卻液流經(jīng)散熱器 , 散熱面積 大 , 散熱量多 , 冷卻強(qiáng)度較大 。 當(dāng)冷卻液溫度再升高 到一定時(shí) , 節(jié)溫器閥全開 , 從發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋流出來的冷 卻液全部進(jìn)入散熱器 , 這時(shí)冷卻強(qiáng)度達(dá)到最大 , 以防 止發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)高溫 , 保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在正常的溫度 范圍內(nèi) 。 目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)廣泛采用蠟式節(jié) 溫器 , 它是利用固態(tài)石蠟受熱熔化體積膨脹

5、的原理 來控制節(jié)溫器閥門的開度的 , 進(jìn)而控制冷卻液流經(jīng) 散熱的流量 , 實(shí)現(xiàn)冷卻強(qiáng)度的調(diào)節(jié) 。 從石蠟式節(jié)溫器的工作原理可知 , 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度變化時(shí) , 節(jié)溫 器的執(zhí)行動(dòng)作較緩慢 , 冷卻強(qiáng)度的調(diào)節(jié)未能根據(jù)發(fā) 動(dòng)機(jī)工作溫度的變化而適時(shí)變化 , 故存在響應(yīng)速度 慢 , 滯后時(shí)間長 , 誤差大 , 控制精度不高 , 不能保證發(fā) 動(dòng)機(jī)始終在最佳的溫度下工作 , 發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程 將出現(xiàn)高溫和低溫的情況 , 這將造成發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱損 失和磨損較嚴(yán)重 , 燃油消耗率增高 , 排放污染增大等 缺點(diǎn) 。針對(duì)這些缺點(diǎn) , 從靈敏性 、 可靠性以及發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng) 力性 、 經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)出發(fā) , 非常有必要將傳

6、統(tǒng)的 節(jié)溫器改為電子式節(jié)溫器 , 并采用先進(jìn)的控制方式 進(jìn)行控制 , 以實(shí)現(xiàn)節(jié)溫器能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度 的變化適時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié) , 保證發(fā)動(dòng) 機(jī)工作在最適宜的溫度下 , 達(dá)到提高汽車動(dòng)力性和 經(jīng)濟(jì)性 , 減小汽車的排放污染 , 從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源 , 保護(hù)環(huán)境和提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的目的 。2汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器的控制模式設(shè)計(jì)2.1模糊控制方式的確定與設(shè)計(jì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器的開度大小主要由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的高低決定 , 而發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫 度又受許多因素的影響 , 如發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷 、 汽車行駛 速度 、 外界的氣溫 、 散熱器結(jié)構(gòu)形式 、 散熱器的冷卻 液流量和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速等 。

7、這些影響因素大多是不斷 變化的 , 且與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度呈非線性關(guān)系 。 因此作者簡介 :袁慧彬 (1971-, 男 , 四川遂寧人 , 講師 , 主要從 事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 。收稿日期 :2009-01-31內(nèi)燃機(jī)Internal Combustion Engines第 3期 2009年 6月No. 3Jun. 2009內(nèi)燃機(jī) 2009年 6月發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度與節(jié)溫器的開度之間的關(guān)系很難 用數(shù)學(xué)方程進(jìn)行準(zhǔn)確描述 。 且發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫的升高 和降低是一個(gè)緩慢變化和大滯后過程 。 因此對(duì)節(jié)溫 器的開度控制 , 采用常規(guī)的 PID 控制 , 系統(tǒng)模型難以 建立 , 且控制效果也不好 。 由于模糊控制是

8、模仿人工 控制活動(dòng)中人腦的模糊概念和成功的控制策略 , 運(yùn) 用模糊邏輯推理 , 把人工控制策略用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) , 其 具有不依賴系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型 , 對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變 化不敏感的特點(diǎn) , 因此節(jié)溫器的開度控制采用模糊 控制 , 將達(dá)到令人滿意的效果 , 故發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié) 溫器的開度控制采用模糊控制方式 。節(jié)溫器開度的模糊控制設(shè)計(jì)見圖 1。 為確保系 統(tǒng)在不同工作條件下 , 始終處于最佳工作狀態(tài) , 并使 系統(tǒng)的控制更加精細(xì) 、 更加穩(wěn)定 , 系統(tǒng)采用溫度偏差 及其變化率作為輸入?yún)?shù) , 輸出參數(shù)為節(jié)溫器的開 度 , 并實(shí)行閉環(huán)反饋控制 。2.2模糊控制器設(shè)計(jì)模糊算法的種類很多 , 但由于被控對(duì)

9、象的狀況不同 , 實(shí)現(xiàn)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 。 在此控制系統(tǒng)中采用 直接查表法將能達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo) , 這種模糊算 法結(jié)構(gòu)簡單 , 響應(yīng)速度快 , 資源開支少 。2.2.1溫度偏差 e 、 偏差變化率 e 的確定在實(shí)際系統(tǒng)中偏差 e 、 偏差變化率 e 按下式計(jì)算 :e (nT = T (nT -R (T (1 e (nT =e (nT -e (n -1 T (2式中 , n 為第 n 次取樣 ; T 為溫度取樣周期 , 通常 取 T =615s ; T (nT 為 nT 時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)實(shí) 際溫度 ; R (T 為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度

10、目標(biāo)值 。 2.2.2輸入 、 輸出變量論域輸入變量溫度偏差 e 、 偏差變化 e 和輸出變量 U 的變化范圍通過實(shí)驗(yàn)確定 , 設(shè)它們分別為 X 、 Y 、 Z 。 將 e /X , e /Y 在論域劃分 13級(jí) , 即 -6,-5,-4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5,+6。 偏差語言變量取七個(gè) , 即 負(fù)大 , 負(fù)中 , 負(fù)小 , 零 , 正小 , 正中 , 正大 , 用符號(hào) 表示為 NB , NM , NS , Z , PS , PM , PB 。 從而獲得偏差 E 及偏差變化 E 論域值 。將 u /Z 在論域劃分 15級(jí) , 即 -7, -6,

11、-5, -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7。 輸出語言變量 取七個(gè) , 負(fù)大 , 負(fù)中 , 負(fù)小 , 零 , 正小 , 正中 , 正大 ,即NB , NM , NS , Z , PS , PM , PB , 論 域 為 -6,-5,-4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5,+6。 偏差語言變量取七個(gè) , 即 負(fù)大 , 負(fù)中 , 負(fù)小 , 零 , 正小 , 正中 , 正大 , 用符號(hào) 表示為 NB , NM , NS , Z , PS , PM , PB 。 2.2.3隸屬度確定隸屬函數(shù)有鐘形 、 梯形 、

12、 三角形等形狀 , 一般認(rèn)為 鐘形最好 , 但難于計(jì)算 , 三角形次之 , 最后是梯形 。 在 這里 , 為了計(jì)算方便 , 選用的是三角形隸屬函數(shù) 。2.2.3.1變量偏差 E 和偏差變化率 E 隸屬度的確定變量偏差 E 和偏差變化率 E 隸屬度采用圖 2所示的等腰三角形曲線確定隸屬度 , 圖中 1、 2為 變量偏差 E 和偏差變化率 E 隸屬度 。 模糊變量的隸屬度函數(shù)形狀越瘦 , 相鄰模糊變量的交點(diǎn)的隸屬 度值越低 。2.2.3.2輸出變量 U 隸屬度的確定輸出 U 采用圖 3所示的等腰三角形曲線確定隸屬度 , 圖中 3為變量 U 隸屬度 。 模糊變量的隸屬 度函數(shù)形狀越瘦 , 相鄰模糊變

13、量的交點(diǎn)的隸屬度值 越低 。2.2.4模糊控制規(guī)則庫的建立根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)最佳的溫度的控制特點(diǎn) ,如果偏差大且偏差變化率大 , 則控制作用加強(qiáng) , 如果 偏差小且偏差變化率小 , 則控制作用減弱 , 因此建立 如下控制規(guī)則集 , 見表 1。此控制規(guī)則集是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié) , 它是由若干圖 1節(jié)溫器開度模糊控制系統(tǒng)給定溫度 R +-e e d/dt模 糊 控 制 器 節(jié)溫器開度 u發(fā)動(dòng) 機(jī)冷卻系 統(tǒng)冷卻液溫度圖 3輸出 U 模糊劃分表 1控制規(guī)則表E U E PB PM PS Z NS NM NB PB NB NB NB NM NB PM PB PM NB NB NS NM NM PM PB P

14、S 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圖 2偏差 E 或偏差變體率 E 模糊劃分1(2 NB NM NS ZPS PM PB-6-5-4-3-2-10123456E (E 3NBNMNSZPSPMPB-7-6-5-4-3-2-101234567U16前各項(xiàng)初始化 。4結(jié)論筆者研制的以 AVR32位單片機(jī)為核心基于串行總線的內(nèi)燃機(jī)工況參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng) , 可對(duì)所在工程 裝備內(nèi)燃機(jī)的壓力 、 溫度 、 轉(zhuǎn)速等工況參數(shù)進(jìn)行檢

15、測(cè) , 將這些參數(shù)上傳至上位主控計(jì)算機(jī) , 進(jìn)行故障診 斷和故障的趨勢(shì)分析等處理 , 供操作維修人員了解 掌握內(nèi)燃機(jī)的工作狀態(tài) 。 系統(tǒng)采用單片微機(jī)和串行 總線模塊技術(shù)設(shè)計(jì) , 具有實(shí)時(shí)性好 , 控制精度高等特 點(diǎn) 。 其實(shí)現(xiàn)方法不但可用于常見的其他串行總線狀 態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì) , 也適用于一般單片機(jī)與機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā) , 具有廣泛的 應(yīng)用前景 。參考文獻(xiàn) 1Bitcode, Inc. 王成明譯 .BC7281A -128段 LED 顯示及 64鍵鍵盤控制芯片 M.北京 :電子工業(yè)出版社 , 2001.2徐英 , 王超 , 姜印平 . 熱電阻測(cè)溫電路設(shè)計(jì) J.工業(yè)儀表與自

16、動(dòng)化裝置 , 2000, (4:20-22.3潘偉 , 王漢功 . 工程裝備液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè) J.維修論壇 , 2004, (7:32-34.4王宏強(qiáng) , 楊江天 , 趙明元 . 基于 CAN 總線的車載機(jī)車軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng) J.鐵道機(jī)車車輛 , 2004, 24(4:31-33.5趙丁選 , 馬鑄 , 楊力夫 , 等 . 工程車輛液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性分析 J.中國機(jī)械工程 , 2001, 12(8:948-950.(上接第 14頁 模糊條件語句組成 , 如 E =PB , 則不論 De 為何值 , 都 應(yīng)該使 E 迅速上升 , 故 U =NB ; 如 E =0, De =PS , 則取U

17、 =NS , 以消除偏差 。 上述這些原則是既要消除偏差 ,又要防止超調(diào)和振蕩 。再依據(jù)模糊控制規(guī)則表 , 采用模糊推理方法 , 得 出模糊的輸出結(jié)果 , 最后進(jìn)行反模糊化處理 (在這里 使用的是重心法 , 得到模糊控制輸出參數(shù)的精確 值 , 建立控制表 。 在控制過程中 , 采用查表法來精確 控制膨脹閥的開度 。2.3汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1系統(tǒng)組成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 見圖 4。 該控制系統(tǒng)由傳感器 、 ECU(電子控制單元 、 執(zhí)行器組成 。 傳感器為溫度傳感器 , 是采用負(fù)溫度系 數(shù)的熱敏電阻式 , 用以檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻液 溫度 。

18、 電子控制單元的核心元件采用單片機(jī) , 以對(duì)傳 感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行分析處理 , 輸出控制信號(hào) 。 執(zhí) 行器為電子節(jié)溫器 , 由步進(jìn)電機(jī)和閥體部件組成 , 轉(zhuǎn) 子部件封閉在閥體外罩內(nèi) , 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn) , 通 過減速機(jī)構(gòu) , 帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥門轉(zhuǎn)動(dòng) , 控制閥口的通流面積 , 控制冷卻液的流量 。2.3.2系統(tǒng)工作原理工作時(shí) , 溫度傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度檢測(cè)出送入給控制器 , 控制器將信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算后 , 得出節(jié)溫器的最佳開度 , 隨后輸出指令控制電子節(jié) 溫器的步進(jìn)電機(jī) , 將閥開到需要的位置 , 控制好流經(jīng) 散熱器的冷卻液流量 , 調(diào)節(jié)好冷卻強(qiáng)度 , 以保持發(fā)動(dòng) 機(jī)在最佳溫度下工作 。