基于模糊PID的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻控制系統(tǒng)研究

于奔淼

摘要：文章對(duì)模糊PID控制的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了論述。該系統(tǒng)采用模糊推理方法在線修正PID控制器的參數(shù)，通過PID控制策略實(shí)現(xiàn)冷卻溫度控制。文章給出了單片機(jī)核心和外圍驅(qū)動(dòng)電路原理圖，完成了硬件系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；冷卻控制系統(tǒng)；模糊PID；單片機(jī)；PID控制器 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP273 文章編號(hào)：1009-2374（2016）28-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.010

1 概述

1.1 課題研究的背景

近些年來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的壯大，人民生活水平的不斷提升，人們對(duì)于汽車需求不斷增加。但是相比掌握汽車制造業(yè)高技術(shù)和實(shí)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的制造水平還很低，這表現(xiàn)在基礎(chǔ)制造和新穎設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。因此，本項(xiàng)目研制成功，將加強(qiáng)我國(guó)自主創(chuàng)新的研發(fā)能力，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，減少不必要的能源消耗，從而提升我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

汽車電動(dòng)式冷卻風(fēng)扇的提出要追溯到20世紀(jì)80年代初，由美國(guó)專利文件提出，它將皮帶驅(qū)動(dòng)的冷卻風(fēng)扇改造成電動(dòng)冷卻風(fēng)扇，這種發(fā)明可以使發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)工作溫度變化來控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。最近幾年，以單片機(jī)為核心對(duì)不同的輸入信號(hào)進(jìn)行分析，分別對(duì)大循環(huán)和小循環(huán)狀態(tài)進(jìn)行不同處理，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻智能控制系統(tǒng)中，采用多級(jí)聯(lián)合智能控制系統(tǒng)將節(jié)溫器、保溫簾和冷卻風(fēng)扇進(jìn)行聯(lián)結(jié)。

2 PID與模糊控制理論基礎(chǔ)

2.1 數(shù)字PID控制算法

現(xiàn)今PID控制器成為當(dāng)前工業(yè)控制的主流，它以調(diào)整方便、簡(jiǎn)單、工作可靠、穩(wěn)定性好受到廣泛應(yīng)用。為了達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)對(duì)溫度控制的要求，我們需要找到一個(gè)合適的控制算法。傳統(tǒng)的PID控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定簡(jiǎn)單方便，被大規(guī)模運(yùn)用到工業(yè)控制中。PID控制中實(shí)際應(yīng)用一個(gè)為PI，另一個(gè)為PD控制，其次為PID控制，PID控制系統(tǒng)的誤差，控制量是利用比例、積分、微分計(jì)算進(jìn)行控制的。PID模塊的溫度控制精度主要受P、I、D這三個(gè)參數(shù)影響，其中P代表比例、I代表積分、D代表微分。

2.2 模糊控制的基本理論

模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。設(shè)計(jì)者將熟練的操作人員的豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)收集起來，通過這些熟練經(jīng)驗(yàn)采取合理精確的策略控制一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。如果將這些熟練操作員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言表達(dá)出來，總結(jié)出一種定性的、不精確的控制規(guī)則。如果用模糊數(shù)學(xué)將這種定性的，不精確的控制規(guī)則定量化就轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，形成模糊控制理論。

模糊控制器對(duì)噪聲具有較強(qiáng)的抑制能力，而且對(duì)時(shí)滯、非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力，并且無須建立精確的數(shù)學(xué)模型。采用模糊控制與PID控制相結(jié)合，不僅能夠提升模糊控制精確度，同時(shí)還能彌補(bǔ)PID控制器需要精確控制對(duì)象的不足。

模糊PID控制是根據(jù)PID控制器的三個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差的變化ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行時(shí)不斷檢測(cè)e及ec，通過事先確定的關(guān)系，利用模糊推理的方法，在線修改PID控制器的三個(gè)參數(shù)，讓PID參數(shù)可自整定。

最終它還是一個(gè)PID控制器，但是因?yàn)閰?shù)可自動(dòng)調(diào)整的緣故，所以也能解決不少一般的非線性問題，但是假如系統(tǒng)的非線性、不確定性很嚴(yán)重時(shí)，模糊PID的控制效果就會(huì)不理想。而且模糊PID控制的規(guī)則還是較復(fù)雜的，隸屬度函數(shù)的選定也得靠經(jīng)驗(yàn)。

優(yōu)點(diǎn)就是可以自動(dòng)調(diào)整PID的參數(shù)，對(duì)于一般的不確定系統(tǒng)可以使用。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用智能控制技術(shù)，首先溫度傳感器將采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將采集來的溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后送入到微處理器中進(jìn)行計(jì)算，模糊推理，PID運(yùn)算后得出此溫度時(shí)風(fēng)扇需要的轉(zhuǎn)速，輸出PWM信號(hào)來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境溫度的目的。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)為核心和模糊PID為控制算法的控制策略，在設(shè)計(jì)中有采用程序，AD、DA轉(zhuǎn)換程序，模糊PID控制算法，延時(shí)等程序。

在軟件設(shè)計(jì)中，為了避免程序運(yùn)行出現(xiàn)問題，將程序初始化，然后根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置，在定時(shí)器程序中，編輯定時(shí)器的子函數(shù)，這個(gè)子函數(shù)包括溫度采集命令，AD轉(zhuǎn)換命令和最重要的模糊PID控制算法，最后系統(tǒng)將控制量進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)來控制驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。其中模糊PID算法的設(shè)計(jì)很重要，在模糊PID算法中，首先要定義E和EC的范圍，根據(jù)模糊控制的規(guī)則將Kp、Ki、Kd模糊化，根據(jù)模糊規(guī)則對(duì)其進(jìn)行模糊推理，最后轉(zhuǎn)換為真實(shí)值作為PID控制參數(shù)的修正值，經(jīng)PID算法算出控制量u。

4 結(jié)語(yǔ)

本課題圍繞以AT89S51單片機(jī)為控制核心的冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇的電子智能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)展開，通過散熱風(fēng)扇的作用下來實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證了汽車在預(yù)熱、過熱及正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，有效地節(jié)約能源消耗。本課題從系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過自制實(shí)驗(yàn)板對(duì)研究成果進(jìn)行了有效論證。主要完成內(nèi)容如下：

4.1 基于單片機(jī)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1.1 ADC0809與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)潔。在設(shè)計(jì)之初，考慮到溫度采集速率不高和成本的問題，采用了ADC0809芯片與單片機(jī)直接相連的做法，不經(jīng)過地址鎖存器。這樣至少可以節(jié)約地址鎖存器和或非門兩塊芯片，只是軟件在控制時(shí)序方面要復(fù)雜些。

4.1.2 程序調(diào)試摒棄以往直接在硬件平臺(tái)上調(diào)試程序，而是先使用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真，再移植到硬件平臺(tái)上調(diào)試，這樣可以有效地提高系統(tǒng)的開發(fā)速度，節(jié)約成本，提高效率。

4.1.3 解決了硬件資源不足，產(chǎn)生PWM信號(hào)頻率低，中斷會(huì)給軟件設(shè)計(jì)帶來的種種困難，最終較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)初的功能要求。

4.2 控制過程實(shí)現(xiàn)智能化

以溫度傳感器測(cè)得散熱器內(nèi)冷卻水的溫度，微控制系統(tǒng)根據(jù)溫度數(shù)值進(jìn)行PID運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)輸出，驅(qū)動(dòng)散熱風(fēng)扇和冷卻水泵，保證冷卻系統(tǒng)水溫處于適于發(fā)動(dòng)機(jī)工作的溫度。在控制策略上，采用模糊PID控制，可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)PID更好的控制效果和控制精度，解決了汽車發(fā)動(dòng)運(yùn)行過程的負(fù)荷的不確定性，從而難于精確控制問題。

由于時(shí)間及本人能力有限，只在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了此功能，希望在以后的工作中，進(jìn)一步完善系統(tǒng)的功能，同時(shí)還要進(jìn)行工程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。如果在國(guó)內(nèi)各種車輛上采用這種智能控制裝置，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常可觀，具有很好的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）