模糊PID控制的電子節溫器對油耗的影響

李軍，武磊，隗寒冰，蘇飚

模糊PID控制的電子節溫器對油耗的影響

李軍a，b，武磊a，隗寒冰a，b，蘇飚a

(重慶交通大學a.機電與車輛工程學院;b.重慶市城市軌道交通車輛系統集成與控制重點實驗室，重慶400074)

針對傳統內燃機水溫控制系統不能準確、快速、穩定地調節發動機水溫的問題，在Simulink環境下設計了模糊控制器，建立了基于模糊比例-積分-微分(PID)控制的冷卻水系統的仿真模型，對使用模糊PID控制的電子節溫器與傳統機械節溫器進行油耗對比試驗。仿真及試驗結果顯示:采用模糊PID控制系統比傳統PID控制效果更佳，能減少水溫的超調及系統調控的時間。使用模糊PID控制的電子節溫器能提高發動機工作時的水溫且能有效控制水溫的波動，減少風扇開啟時間。發動機水溫升高能降低發動機的油耗，在新歐洲行駛循環(NEDC)工況下，其節油效率為0.7%;低速小負荷穩態工況下，其節油效率最高可達4.7%。

電子節溫器;模糊PID;節油效率;發動機;水溫

0 引言

發動機的冷卻系統主要由冷卻水套、風扇、水泵、散熱器和節溫器等構成。電子節溫器是在機械節溫器的基礎上發展而來的，主要有電控旋轉滑塊式節溫器、三通比例閥式節溫器和電加熱蠟式節溫器3種。隨著節能減排法規的日趨苛刻，電子節溫器已成為低排放、低能耗冷卻系統的發展需求。

文獻［1－2］采用比例-積分(proportion-integral，PI)對電子節溫器進行控制，試驗結果表明:采用PI控制能使水溫在目標溫度下波動較小，但大負荷時水溫波動較大。文獻［3］采用無反饋負荷控制策略，部分負荷時節溫器不加熱，主閥門部分開啟，全負荷時才根據傳感器信號計算加載電壓。文獻［4］基于模糊比例-積分-微分(proportion-integral-differential，PID)控制使用三通閥代替節溫器，并在Simulink環境下進行了仿真，減少了水溫波動及系統調控的時間。文獻［5］指出發動機水溫升高具有一定的節油潛力，小負荷下水溫從85℃升到105℃時，油耗可降低2%左右。

從安全性方面考慮，現在廣泛使用的是由機械蠟式節溫器升級而成的電加熱蠟式節溫器。但目前針對電子節溫器控制方面的研究，主要采用的還是PID控制，幾乎沒有使用先進控制方法控制電子節溫器的報道。針對中國越來越嚴格的排放及油耗法規的要求，從發動機冷卻需求控制的靈敏性、可靠性以及發動機的動力性、經濟性、環保等多方面考慮，選取一種較為合適的電子節溫器控制策略顯得越來越重要［6－7］。

1 電子節溫器控制策略

1.1 控制邏輯

汽車發動機通過傳感器采集的信號來判斷發動機目前所處的工況，通過其工況可在電子控制單元(electronic control unit，ECU)內部計算出發動機的最佳工作溫度，該溫度為電子節溫器控制的目標溫度。目標溫度的設定主要依據以下原則:當發動機處于低速小負荷時，設置較高的目標溫度，提高低速低負荷時的工作溫度，降低油耗與排放;當發動機處于高速大負荷時，設置較低的目標溫度，使發動機處于較低的工作溫度，減少爆震的發生，以提高發動機的性能，增大發動機的扭矩輸出。

表1 電子節溫器的基本參數

所使用的電子節溫器的基本參數如表1所示，其控制邏輯如圖1所示。當目標溫度確定后，通過目標水溫與目標負荷計算出電子節溫器的初始占空比，同時以目標水溫與發動機實際水溫的差值作為輸入，采用模糊PID控制對初始占空比信號進行修正。目標水溫與實際水溫的差值是反映發動機冷卻需求的一個重要參數。當差值大于0時，表示此時無冷卻需求，會輸出一個負的占空比修正信號對初始占空比進行修正;當差值小于0時，表示此時有冷卻需求，會輸出一個正的占空比修正信號對初始占空比進行修正。通過對實際占空比的調節，控制冷卻液流量，調整發動機運行溫度。

1.2 模糊控制器設計

圖1 電子節溫器的控制邏輯

模糊PID控制的目的就是找出PID的3個參數(kp、ki、kd)與溫差E和溫差變化率Ec之間的模糊關系，在運行時實時輸入E和Ec，根據所制定的模糊控制規則對3個參數進行實時調整，滿足不同E和Ec時kp、ki、kd的不同要求。取輸入(E和Ec)以及輸出(kp、ki、kd)的模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，集合中元素的定義分別為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大［8－10］。

控制規則是模糊控制器的核心。根據經驗推理，將大量成功的控制策略經整理、加工提煉后，用輸入、輸出變量的模糊狀態加以描述，就得到了控制規則。

根據被控對象在控制過程中不同的溫差E以及溫差變化率Ec，制定的模糊控制規則為:

(Ⅰ)當溫差E較大時，為了加快響應速度，可以取較大的kp;為了避免由于開始時偏差E的瞬時變大可能出現的微分過飽和而使控制作用超出許可范圍，kd取中等;為了防止水溫出現較大的超調，產生積分飽和，通常去掉積分作用，即取ki=0。

(Ⅱ)當溫差E和溫差變化率Ec處于中等大小時，為使水溫具有較小的超調，kp應取小一些;ki取值要適當;kd的取值對系統響應的影響較大，取值要適中，以保證系統響應速度。

(Ⅲ)當溫差E基本恒定時，此時E較小，為使系統穩定性能較好，應該增加kp和ki，同時避免系統在設定值附近出現振蕩現象，并考慮系統的抗干擾性能，kd的取值相當重要。一般Ec較小時，kd取大一些;Ec較大時，kd取小一些［11－14］。

根據以上要求建立了模糊控制規則，如表2所示。

表2 模糊控制規則

2 Simulink仿真

在Simulink環境下建立如圖2所示的模糊PID控制仿真模型，利用模糊PID控制算法以及傳遞函數實現對發動機冷卻水系統的仿真。設發動機目前水溫為85℃，目標水溫90℃，使用本文設計的模糊PID控制與傳統PID控制進行仿真比較，仿真結果如圖3所示。

圖2 模糊PID控制仿真模型

由圖3可知:使用模糊PID控制能有效降低水溫的超調，采用傳統PID控制時水溫最高達到92.8℃，采用模糊PID控制后，調節過程中水溫最高為91.4℃。使用傳統PID控制，水溫波動較大;采用模糊PID控制后，溫度控制比較平穩，水溫振幅較小。與傳統PID控制相比，采用模糊PID控制后系統達到穩態的時間也由原來的170 s縮短到93 s。

3 試驗及分析

圖3 傳統PID控制與模糊PID控制仿真結果

本文以某款轎車為試驗對象，試驗車1安裝機械節溫器，試驗車2安裝采用模糊PID控制的電子節溫器，其余各狀態均相同。分析穩態工況與新歐洲行駛循環(new European driving cycle，NEDC)工況下電子節溫器對油耗的影響。

電子節溫器對油耗的影響主要體現在兩個方面:

(Ⅰ)由于機油黏度隨溫度的升高而降低，發動機在不同溫度下運行的摩擦扭矩是不同的，發動機實際輸出扭矩為:

其中:Mout為發動機飛輪端實際輸出扭矩，即駕駛需求扭矩，N·m;Mcylinder為發動機燃燒扭矩，N·m;Mloss為發動機摩擦扭矩，N·m;Mload為負載扭矩，N·m。發動機運行水溫為105℃時，其摩擦扭矩約為18.6 N·m;發動機運行水溫為90℃時，其摩擦扭矩約為20.0 N·m。當Mout與Mload不變時，發動機水溫越高，Mloss將越小，發出相同的Mout時所需的Mcylinder將減少，使燃油消耗量減小，油耗降低。

(Ⅱ)采用模糊PID控制后，實時調節電子節溫器的占空比，減小水溫的波動。當通過控制節溫器開度能滿足發動機冷卻需求時，風扇不打開。當節溫器全開時，發動機溫度超過目標溫度且溫度呈上升趨勢，僅靠冷卻液流動已經無法滿足發動機的冷卻需求，此時將打開風扇，對散熱器進行降溫，降低冷卻液溫度，以保證發動機的冷卻需求。兩試驗車在相同工況下均運行1 500 s，風扇開啟情況如圖4所示。圖4中的縱坐標表示風扇運行的狀態，1表示繼電器吸合，風扇運行;0表示繼電器不吸合。由圖4可看出:使用機械節溫器的風扇開啟時間為412 s，使用模糊PID控制的電子節溫器的風扇開啟時間為240 s。采用模糊PID控制的電子節溫器能有效縮短風扇開啟的時間，間接降低油耗。

表3為穩態工況下的節油效率。由表3可知:使用模糊PID控制的電子節溫器后，在不同的穩態工況下油耗均有所降低。當車輛處于低速小負荷時，電子節溫器的節油效率最高達到4.7%。隨著負荷與車速的增加，節油效率也在降低。

由于車輛運行時工況一直在變化，穩態試驗無法充分說明電子節溫器對油耗的影響，下面將在NEDC工況下對兩試驗車進行油耗試驗。

圖5是試驗車1和試驗車2在NEDC工況下水溫變化曲線。從圖5中可以看出:使用機械節溫器可以將發動機的水溫控制在90℃左右，使用模糊PID控制的電子節溫器可以將發動機的水溫控制在105℃附近。采用模糊PID控制的電子節溫器后，隨著發動機的運行，水溫在目標水溫附近的波動越來越小，說明通過模糊PID控制能有效調節發動機工作時的水溫。

圖4 不同節溫器風扇開啟情況

表3 穩態工況下的節油效率%

圖5 NEDC工況下水溫變化曲線

由圖5還可看出:在前2個循環，兩試驗車水溫一直上升，水溫未達到目標水溫，且試驗車1的水溫略高于試驗車2。從第3個循環開始，試驗車2的水溫比試驗車1的水溫高，可見模糊PID控制電子節溫器對油耗的影響主要體現在后面3個循環，所以本文主要對后面3個循環進行分析。

通過在NEDC工況下測量發動機的瞬時油耗，其市區循環3、市區循環4及市郊循環的瞬時油耗如表4和表5所示。表4和表5的試驗結果表明:在加速、勻速及怠速下，使用模糊PID控制的電子節溫器的試驗車2的油耗，要比使用機械節溫器的試驗車1的油耗低。同時，在瞬態工況下，使用模糊PID控制的電子節溫器后水溫升高，也具有一定的節油能力。

表4 市區循環的瞬時油耗L/s

表6為NEDC工況下各循環油耗。在市區循環1和市區循環2中，由于試驗車1運行時水溫高于試驗車2，所以試驗車1的油耗在這兩個循環比試驗車2低。從市區循環3開始，試驗車2的水溫開始比試驗車1高，此時試驗車2的油耗要比試驗車1低。在整個NEDC工況下，使用機械節溫器的試驗車1每行駛100 km油耗為9.95 L，使用模糊PID控制的電子節溫器的試驗車2每行駛100 km油耗為9.88 L，模糊PID控制的電子節溫器節油效率約為0.7%。

表5 市郊循環的瞬時油耗L/s

表6 NEDC工況下各循環油耗L

4 結論

與傳統PID控制相比，采用模糊PID控制的電子節溫器能減少水溫超調量，水溫波動小，使系統更快地達到穩態，模糊PID控制比傳統PID控制性能更好。通過使用模糊PID控制的電子節溫器提高發動機工作時的水溫以降低發動機油耗。在NEDC工況下，采用模糊PID控制的電子節溫器的節油效率可達0.7%，而在低速小負荷時的穩態工況下節油效率最高可達4.7%。

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TK414.2

A

1672－6871(2017)05－0032－05

10.15926/j.cnki.issn1672－6871.2017.05.007

國家自然科學基金項目(51305472);重慶市自然科學基金重大項目(cstc2015zdcy－zdzx60010);重慶市工程技術中心基金項目(cstc2015yfpt_gcjsyjzx0110)

李軍(1964－)，男，重慶人，教授，博士，主要研究方向為汽車發動機排放與控制、新能源汽車技術及應用.

2017－02－15