基于PID控制的新能源汽車空調控制系統設計與試驗研究

賈立進

摘 要：PID能被用于改善新能源汽車空調的控制性能，主要由比例項、積分項和微分項組成。但主要問題是PID控制算法與新能源汽車空調基礎硬件不匹配。這里，我們報告一種基于PI控制的新能源汽車空調控制系統，其方案是對PID控制算法的變換與裁剪，并移植到新能源汽車空調硬件環境，最后通過試驗驗證基于PI控制的新能源汽車空調運行效果。

關鍵詞：PID控制；變換；裁剪；移植；新能源汽車空調；驗證

中圖分類號：TK323 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）01-0077-05

Abstract： PID control can be used to improve control performance of the new energy vehicle air conditioning， the essential components are proportion， integral and derivative. But the main problem is that the PID control algorithm does not match the basic hardware of the new energy vehicle air conditioning. Here， we report a new energy vehicle air conditioning control system based on PI control， the scheme is the transformation and cutting of the PID control algorithm and transplanted to the hardware environment of the new energy vehicle air conditioning. Finally， the operation effect of the new energy vehicle air conditioning based on PI control is verified through experiments.

Key Words： PID controltransformation； cutting； transplanted； new energy vehicle air conditioning； verify

前言

隨著國人生活水平的提高，對乘車環境有了更高要求，且隨著新能源汽車技術及市場的成長，國人寄希望于新能源汽車，期待能有一個高端、舒適的乘車環境。

從外資、合資品牌汽車來看，配置高的汽車才配高端汽車空調，一般是基于PID算法來控制汽車空調。傳統汽車空調制冷系統的壓縮機一般由燃油發動機驅動，且由電磁離合器控制啟停；傳統汽車空調制熱系統的熱源一般為燃油發動機冷卻液，因此，燃油發動機運行影響傳統汽車空調運行，燃油發動機復雜的運行工況將使得傳統汽車空調的控制變得復雜，主要問題是難以精確控制，雖然基于PID算法的傳統汽車空調研發具有較大難度，但國際汽車主流廠商及國際頂級汽車空調零部件廠商都完全掌握傳統汽車空調PID控制算法；新能源汽車空調制冷系統的壓縮機一般由電機驅動，新能源汽車空調制熱系統的熱源一般為電加熱裝置，從對標外資、合資品牌新能源汽車來看，沒有發現基于PID算法的新能源汽車空調。

從國內自主品牌汽車來看，雖然國內取得一定的溫度控制技術研究成果[1-5]，但無論是傳統汽車，還是新能源電動汽車，都沒有配高端汽車空調，國內也沒有基于PID算法的汽車空調供應商。

綜上，基于PID算法的新能源汽車空調技術，國內外都是空白，此課題技術值得研究。

從國外PID算法研究資源來看，國外有成熟的PID算法仿真工具，不僅僅實現在PC機上運行PID算法程序，而且能夠在硬件資源有限的嵌入式芯片上運行PID算法程序。

從國內PID算法研究資源來看，都是基于具有較強運算能力的計算機（PC機）平臺運行PID算法程序，且是借助于PID算法仿真工具獲得仿真結果。通過研究PID算法文獻[7-12]和基于PID算法的汽車空調研究文獻[6]，發現一個共同點，論文中，都給出一個人類數學思維的PID公式，然后給出基于PC機上運行的PID算法仿真結果，并對仿真結果進行分析，至于PC機是怎樣處理PID算法公式，在文獻中都沒有描述。

綜合國內外PID算法研究資源來看，國外對PID算法研究是非常透徹的；國內對PID算法研究存在“斷層”，因為國內的研究人員借助于國外的PID算法商業仿真軟件工具取得仿真結果，而這些PID算法商業仿真軟件都具有技術壁壘，從人類數學思維的PID公式到離散型PC機或嵌入式芯片所能識別、處理的PID算法公式，這個轉換、處理過程被隱藏起來，PID算法仿真工具的用戶無法接觸到這些內在技術。這嚴重阻礙了PID算法研究成果在國內的普及與推廣，遲滯了國內PID算法研究成果的產業化。

綜上所述，國內新能源汽車要想有一個高端、舒適的乘車環境，必須配備高端算法的汽車空調控制系統，例如基于PID控制的汽車空調。以基于PID控制的汽車空調研究與探索為例，將面臨如下挑戰：

1、突破歐美PID算法仿真工具的技術壁壘，解決上述中的PID算法“斷層”問題；

2、解決PID控制算法與新能源汽車空調硬件不匹配問題，32位或64位PC機，RAM、ROM空間都是以G量級計，硬件平臺資源足夠支撐PID算法仿真工具運行，但本文所述的汽車空調控制器，采用PIC16F914芯片，ROM空間為7Kbytes，SRAM空間為256bytes，EEPROM空間為256bytes，硬件資源非常有限，只能運行精簡版PID基本算法。

為了打通PID算法研究成果產業化最后一公里，本文基于比例（P）、積分（I）、微分（D）的原始定義，轉換PID公式，解決挑戰1；兼顧PID控制效果與嵌入式芯片有限資源的約束因素，對比例（P）、積分（I）、微分（D）環節進行裁剪，基于PIC16F914芯片硬件平臺運行PID算法程序，解決挑戰2。應用描述如下。

新能源汽車空調制冷系統的壓縮機一般由電機驅動，可以基于PID算法精確控制電機工作，進而間接精確控制壓縮機工作；新能源汽車空調制熱系統的熱源一般為電加熱裝置，也可以基于PID算法精確控制電加熱裝置工作，汽車空調控制器中嵌入式芯片為8位PIC16F914單片機，資源非常有限，因此，本文基于比例（P）、積分（I）、微分（D）的原始定義，轉換PID公式，兼顧PID控制效果與嵌入式芯片有限資源的約束因素，對比例（P）、積分（I）、微分（D）環節進行裁剪，使PID算法程序能在PIC16F914硬件平臺上運行。汽車空調PID控制精準度與響應時間的要求都不高，在對比例（P）、積分（I）、微分（D）環節裁剪過程中，去除微分（D）環節，達到降低PIC16F914芯片運算量的目的。最后，通過采樣基于PID算法的新能源汽車空調實際運行試驗數據獲得試驗結果，試驗結果顯示控制效果不錯，可以應用于批量化的汽車空調控制系統。

本文的其余部分安排如下：第二節給出PID算法公式及其轉換、裁剪過程，并給出新能源汽車空調PID控制模型；第三節給出第二節所述的基于PID控制算法的新能源汽車空調實際試驗結果，在本節，將詳細描述試驗方法，并分析試驗結果；最后，第四節給出主要結論，并為未來研究人員給出建議。

1 新能源汽車空調PID控制設計

新能源汽車空調PID控制系統運行過程中，通過數據采集處理系統采集當前溫度TC的溫度傳感器上電壓變化和輸入給被控對象工作電壓變化來驗證新能源汽車空調PID控制效果。中泰PCI8325模擬數據采集卡采集溫度傳感器兩端的電壓，并將采集的電壓傳送至PC機，采集的電壓經數據采集處理軟件處理，顯示在屏幕上，同時保存采集的電壓數據；同時，中泰PCI8325模擬數據采集卡采集被控對象的工作電壓（PWM），并將采集的電壓傳送至PC機，采集的電壓經數據采集處理軟件處理，計算出PWM信號之占空比，顯示在屏幕上，同時保存占空比數據。試驗結果見圖3、圖4：

圖3與圖4中，雖然對PID控制算法進行裁剪，去除y0和微分項，在圖4中表現為占空比的階躍變化，使得占空比變化曲線不光滑，但它對新能源汽車空調PID控制效果的影響甚微，在圖3中表現為變化曲線仍然連續而光滑，且降低了新能源汽車空調控制系統的運算量。

3 結論

本文首先對PID控制方程進行變換，使它能夠被計算機軟件系統描述，再把變換后的PID控制方程應用到具體案例中，此具體案例是基于PID控制算法的新能源汽車空調，根據新能源汽車空調的控制精度要求、時效性要求及嵌入式芯片有限資源的約束因素對PID控制算法進行裁剪，裁剪并移植至新能源汽車空調基礎硬件平臺后，通過采樣新能源汽車空調實際運行試驗數據證明PI控制效果不錯，可以應用于批量化的新能源汽車空調。

本文工作實現了基于PID控制的新能源汽車空調控制系統，兼顧控制要求和新能源汽車空調基礎硬件限制因素，采用PI控制策略，取得良好的控制效果，如果持續進行技術工程化研究與推廣，在不久的未來，它將成為量產化產品，被應用到新能源電動汽車中，取得實質性經濟效益。

參考文獻：

[1]彭昕，冀兆良.我國汽車空調技術的應用及發展現狀[J].制冷空調與電力機械，2011，32（3）：1-5.

[2]韓雅慧，林世平.面向汽車空調控制的改進模型[J]. 計算機系統應用，2016，25（4）：106-112.

[3] 彭赟，歐陽家俊，闕海丹，等.考慮環境溫濕度的空冷PEMFC最佳工作溫度研究與控制[J].太陽能學報，2016，37（6）：1423-1430.

[4] 王清，唐莉萍，歐陽文斌.基于熱舒適度的節能型空調控制算法[J].東華大學學報（自然科學版），2010，36（1）：57-60.

[5]孫玉，郁強，唐鵬，等.高溫氣候下汽車空調性能優化設計與效果分析[J].制冷技術，2015，35（3）：48-51.

[6]李睿欽，張榮標，柏受軍，等.模糊PID在汽車空調溫度控制中的應用[J].微計算機信息（嵌入式與SOC），2008，24（2-2）：235-237.

[7]王衛兵，張惠，徐倩.減溫減壓系統模糊PID溫度控制器的設計[J].哈爾濱理工大學學報，2016，21（5）：96-100.

[8]萬偉紅，況杰華，付友生.基于PID算法的溫室環境控制系統設計[J].農業工程，2017，7（5）：51-53.

[9]王洪亮，張慶渴，谷文豪，等.基于PID控制的坡道起步控制仿真與試驗研究[J].汽車工程，2017，39（4）：480-485.

[10]竇艷艷，錢蕾，馮金龍.基于Matlab的模糊PID控制系統設計及仿真[J].電子科技，2015，28（2）：119-122.

[11]楊軼婷. PID控制在堿液溫度控制系統中的應用研究[J]. 自動化與儀器儀表，2017，10：148-150.

[12]朱志強，江紫亞，何玉慶，等.PID控制器的頻域特性與無模型參數調節[J].控制與決策，2014，29（10）：1833-1838.

[13]劉智新，閆浩，章紀民編.高等微積分教程. 上，一元函數微積分與常微分方程.北京：清華大學出版社，2014.