發(fā)動機冷卻液溫度模糊控制系統的研究

1、第38卷 第3期 電 子 科 技 大 學 學 報 V ol.38 No.3of University of Electronic Science and Technology of China May 2009 2009年5月 Journal發(fā)動機冷卻液溫度模糊控制系統的研究周翼翔1，黃大貴2(1. 四川職業(yè)技術學院汽車工程系 四川 遂寧 629000; 2. 電子科技大學機械電子學院 成都 610054【摘要】提出了發(fā)動機冷卻液溫度的模糊控制方法，將冷卻液溫度進行模糊化，根據實驗建立了相應的模糊控制規(guī)則庫；應用MATLAB 軟件的模糊邏輯工具，計算分析得到了控制查詢表，建立了以Motorol

2、a 單片機MC68HC908LJ12為核心的硬件系統，并對軟件進行了設計。試驗表明，該方法只需對現有的發(fā)動機冷卻系統進行較少的改進，便可較好地解決發(fā)動機的冷卻液溫度難于準確控制的問題。關 鍵 詞 溫度控制; 冷卻系統; 發(fā)動機; 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和電動風扇冷卻系統3種，發(fā)動機工作時，冷卻系統起到了維持其本身正如圖1所示。 常工作溫度的作用。文獻1-7表明，發(fā)動機的冷卻液溫度高低對發(fā)動機的動力性、經濟性、排放性能1.1 傳統的冷卻系統 和使用壽命均有較大的影響。通常認為冷卻液溫度該系統結構如圖1a 所示。無論冷

6、卻液溫度多高，在8090時，發(fā)動機具有較好的工作性能。然而，風扇始終都在工作。如果發(fā)動機沒有達到正常的工文獻8認為每個發(fā)動機都有一個最佳的冷卻液溫作溫度，風扇起到惡化工作條件的作用，不但造成度，在該溫度下，發(fā)動機動力性、經濟性、排放性、能源浪費，而且使發(fā)動機較長時間處于低溫工作狀壽命等均能顯著地提高。因此，國內外對冷卻系統態(tài)，嚴重影響動力性、經濟性、使用壽命和排放性的控制進行了大量的研究，在傳統發(fā)動機冷卻系統能。發(fā)動機溫度只能通過節(jié)溫器控制冷卻液是否經9-1011-13、水泵轉速控制，的基礎上，實現了對風扇過散熱器來調控發(fā)動機工作溫度。由于節(jié)溫器為機開發(fā)研制了電動節(jié)溫器11，引入了計算機控制技

7、術械式，控制溫度的波動較大，使發(fā)動機不能在最佳14-15，其目的在于控制發(fā)動機冷卻液的溫度。但由的溫度下工作。于冷卻系統的復雜性，難于建立理想的數學模型和1.2 加硅油離合器的冷卻系統達到控制最佳冷卻液溫度的目的，尋求對冷卻系統該系統結構如圖1b 所示。該系統改變了傳統冷的冷卻機理、控制和研究開發(fā)手段的改進是冷卻系卻系統風扇不可控的缺點，利用硅油離合器的溫度統發(fā)展的必然趨勢16-17。本文設計一個模糊控制系特性實現對風扇的啟動和轉速調整，因此通過風扇統，滿足了發(fā)動機最佳冷卻液溫度控制的要求。轉速和節(jié)溫器來調節(jié)發(fā)動機的工作溫度。但這種調1 現有的溫度控制系統及缺陷節(jié)溫度的波動范圍仍然較大，不能滿

8、足發(fā)動機最佳工作溫度的需要。目前冷卻液溫度控制系統有傳統的冷卻系統、收稿日期： 2008 04 23；修回日期：2008 10 20基金項目：國家自然科學基金(60572007；教育部博士點基金(20040614004；四川省教育廳科研基金(2006C063 作者簡介：周翼翔 (1964 ，男，副教授，主要從事汽車檢測、智能控制系統等方面的研究.472 電 子 科 技 大 學 學 報 第38卷 圖1 常用的3種冷卻系統1.3 電動風扇的冷卻系統該系統結構如圖1c 所示，它是在傳統的冷卻系統基礎上，將機械式風扇改為一個或一組電風扇來對溫度進行控制，風扇常采用有級或無級轉速調整。與上兩種系統相比，

9、它的可控性有所提高，但仍然克服不了冷卻液溫度調節(jié)波動太大的缺點，達不到最佳控制發(fā)動機工作溫度的目的。2 基于模糊控制的冷卻液溫度的控制系統發(fā)動機冷卻系統對冷卻液溫度影響的因素很多，有發(fā)動機工況、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的，很難用準確的數學模型來描述。為了達到較準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的要求?；谀：刂频陌l(fā)動機冷卻液溫度控制系統如圖2所示。 圖2 基于模糊控制的冷卻液溫度控制系統2.1 系統控制過程當冷卻液溫度超過最佳冷卻液溫度T 、且閥位置檢測電阻小于最大值(位置電阻最大時，冷卻液只進行大循環(huán) 時，電動比例閥模糊控制系統啟動，實

10、現最佳冷卻液溫度調節(jié)控制。當其冷卻液溫度超過T 、且閥位置檢測電阻等于最大電阻值時，電動比例閥模糊控制系統停止工作，此時電動比例閥處于關閉冷卻系統小循環(huán)狀態(tài)，冷卻液經過冷卻水箱，進行大循環(huán)，啟動第一風扇模糊控制調速系統實現最佳冷卻液溫度的調節(jié)控制。當其冷卻液溫度超過T 、閥位置檢測電阻等于電阻最大值、且第一風扇調速器的位置電阻最大時，則電動比例閥、第一風扇調節(jié)控制停止，啟動第二風扇進行冷卻液最佳溫度的模糊控制，此時冷卻液進行大循環(huán)，第一風扇全速轉動，第二風扇在控制系統的控制下工作。 2.2 控制系統的模糊控制器設計冷卻液溫度的模糊控制系統18-19如圖3所示。圖3 冷卻液溫度的模糊控制系統框圖

11、整個溫度控制采用溫度和溫度變化率為輸入，以電動比例流量閥的位置和電風扇調速器位置為輸出，實現雙輸入單輸出的模糊控制。溫度偏差E ：將其離散為13個點，即論域為6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6；偏差語言變量取7個，用符號表示為NB, NM, NS, Z, PS,PM, PB。溫度偏差變化率D e ：將其離散為13個點，即論域為6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3, +4, +5,+6；偏差語言變量取7個，用符號表示為NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB。輸出U ：將其離散為15個點，即論域為7, 6,

12、5, 4, 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7，輸出語言變量取7個，用符號表示為NB, NM, NS, Z, PS,PM, PB。偏差E 、偏差變化率D e 、輸出U 的語言變量模糊劃分如圖4所示。第3期 周翼翔 等: 發(fā)動機冷卻液溫度模糊控制系統的研究 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 的模糊劃分根據溫度控制的特點，如果偏差大、且偏差變化率大，則控制作用應強，因此，E 、D e 、U 之間是一此為雙輸入單輸出系統。種蘊涵關系R ，且R =ED e U ，通過對冷卻液溫度調節(jié)的初步試

13、驗，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形狀越瘦，相鄰模糊變量交點的隸屬度值越低，控制作用越強，靈敏度越高。對于冷卻液溫度的控制，希望在誤差較大

14、時靈敏度提高，而在給定值附近控制應較平緩溫和，因根據模糊推理理論，通過MATLAB 軟件，本文采用重心法計算得到清晰量，如表2所示，系統采用查表法進行實際過程控制。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 控制系統硬件設計硬件系統如圖5所示。傳感器主要有冷卻液溫度傳感器、電動比例流量閥位置傳感器、風扇1調速器位置傳感器、風扇2調速器位置傳感器和發(fā)動機轉速傳感器。除發(fā)動機轉速采用磁電式傳感器外，其余均采用電阻型。執(zhí)行

17、器主要有電動比例流量閥、風扇啟動執(zhí)行器、風扇調速執(zhí)行器。除風扇調速執(zhí)行474 電 子 科 技 大 學 學 報 第38卷器采用電動機外，其余為繼電器。系統控制器采用抗干擾能力較強的Motorola 單片機MC68HC908 LJ 12，它具有4個8位輸入輸出端口、且含有6個10位的A/D轉換端口，資源足夠，便于試驗和改進使用。 圖5 冷卻液溫度模糊控制硬件系統2.4 控制系統軟件設計根據冷卻液控制系統工作的要求，控制系統要在不同的溫度條件下進行調節(jié)，或啟動不同的冷卻裝置，以維持最佳的冷卻液溫度。設最佳溫度為T ，電動比例流量閥最大位置為S ，風扇1調速器最大位置S 1，風扇2調速器最大位置S 2

18、，發(fā)動機轉速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 試驗結果本文將該系統裝在轎車上試驗，設定控制溫度為90、環(huán)境溫度為15時，測得的溫度情況如表3所示。冷卻液溫度可控制在90±4的范圍內。表3 控制系統裝車試驗冷卻液溫度測試結果時間/m 0 2 4 6 810 12 14 16 1820溫度/1887948893 90 91 93 9189904 結 束 語控制規(guī)則應通過大量的試驗進行修正，以提高控制精度。執(zhí)行器應進行改進或優(yōu)選，以利于提高精度，降低成本。冷卻液溫度對發(fā)動機性能有較大的影響，通過試驗均可確定發(fā)動機的最佳冷卻液溫度，利用該控制系統可

19、控制發(fā)動機的最佳冷卻液溫度，提高其動力性、經濟性、排放性和使用壽命，具有一定的應用價值。參 考 文 獻1 張鐵柱, 張洪信. 水冷柴油機冷卻液最佳工作溫度的試驗研究J. 內燃機學報, 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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