发动机冷却液温度模糊控制系统的研究|发动机冷却液温度

发动机冷却液温度模糊控制系统的研究

但由于冷却系统的复杂性，难于建立理想的数学模型和达到控制最佳冷却液温度 的目的，寻求对冷却系统的冷却机理、控制和研究开发手段的改进是冷却系统发 展的必然趋势。本文设计一个模糊控制系统，满足了发动机最佳冷却液温度控制 的要求。

1现有的温度控制系统及缺陷 目前冷却液温度控制系统有传统的冷却系统、加硅油离合器的冷却系 统和电动风扇冷却系统3种，如图1所示。

1.1传统的冷却系统 该系统结构如图1a所示。无论冷却液温度多高，风扇始终都在工作。

如果发动机没有达到正常的工作温度，风扇起到恶化工作条件的作用，不但造成 能源浪费，而且使发动机较长时间处于低温工作状态，严重影响动力性、经济性、 使用寿命和排放性能。发动机温度只能通过节温器控制冷却液是否经过散热器来 调控发动机工作温度。由于节温器为机械式，控制温度的波动较大，使发动机不 能在最佳的温度下工作。

1.2加硅油离合器的冷却系统 该系统结构如图1b所示。该系统改变了传统冷却系统风扇不可控的缺 点，利用硅油离合器的温度特性实现对风扇的启动和转速调整，因此通过风扇转 速和节温器来调节发动机的工作温度。但这种调节温度的波动范围仍然较大，不 能满足发动机最佳工作温度的需要。

该系统结构如图1c所示，它是在传统的冷却系统基础上，将机械式风扇改为一个或一组电风扇来对温度进行控制，风扇常采用有级或无级转速调整。

与上两种系统相比，它的可控性有所提高，但仍然克服不了冷却液温度调节波动 太大的缺点，达不到最佳控制发动机工作温度的目的。

2基于模糊控制的冷却液温度的控制系统 发动机冷却系统对冷却液温度影响的因素很多，有发动机工况、车辆 行驶状态、地域、天气状态等，这些因素往往都是随机的，很难用准确的数学模 型来描述。为了达到较准确地控制冷却液温度的目的，采用模糊控制能较好地满 足控制系统的要求。基于模糊控制的发动机冷却液温度控制系统如图2所示。

2.1系统控制过程 当冷却液温度超过最佳冷却液温度r、且阀位置检测电阻小于最大值 (位置电阻最大时，冷却液只进行大循环)时，电动比例阀模糊控制系统启动，实 现最佳冷却液温度调节控制。当其冷却液温度超过r、且阀位置检测电阻等于最 大电阻值时，电动比例阀模糊控制系统停止工作，此时电动比例阀处于关闭冷却 系统小循环状态，冷却液经过冷却水箱，进行大循环，启动第一风扇模糊控制调 速系统实现最佳冷却液温度的调节控制。当其冷却液温度超过r、阀位置检测电 阻等于电阻最大值、且第一风扇调速器的位置电阻最大时，则电动比例阀、第一 风扇调节控制停止，启动第二风扇进行冷却液最佳温度的模糊控制，此时冷却液 进行大循环，第一风扇全速转动，第二风扇在控制系统的控制下工作。

2.2控制系统的模糊控制器设计 冷却液温度的模糊控制系统,如图3所示。

2.2.1输入输出论域 整个温度控制采用温度和温度变化率为输入，以电动比例流量阀的位 置和电风扇调速器位置为输出，实现双输入单输出的模糊控制。

温度偏差：将其离散为13个点，即论域为 {-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}；
偏差语言变量取7个，用符号表示为 {NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。

温度偏差变化率乃6：将其离散为13个点，即论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}；
偏差语言变量取7个，用符号表示为 {NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。

输出K将其离散为15个点，即论域为 {-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7}，输出语言变量取7个，用符号表示为 {NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。

2.2.2隶属度的确定 偏差、偏差变化率乃6、输出U的语言变量模糊划分如图4所示。

c.输出U的模糊划分图4模糊划分模糊变量的隶属度函数形状越痩，相 邻模糊变量交点的隶属度值越低，控制作用越强，灵敏度越高。对于冷却液温度 的控制，希望在误差较大时灵敏度提高，而在给定值附近控制应较平缓温和，因 此，偏差E偏差变化率按均匀模糊划分，而控制变量V按非均匀模糊划分。

2.2.3模糊控制规则库的建立 根据温度控制的特点，如果偏差大、且偏差变化率大，则控制作用应 强，因此，E、De、"之间是一种蕴涵关系几且.R=EDeU，此为双输入单输出系 统。通过对冷却液温度调节的初步试验，确定其控制规则如表1所示。

表1冷却液温度模糊控制的控制规则 根据模糊推理理论，通过MATLAB软件，本文采用重心法计算得到 清晰量，如表2所示，系统采用查表法进行实际过程控制。

2.3控制系统硬件设计 硬件系统如图5所示。传感器主要有冷却液温度传感器、电动比例流 量阀位置传感器、风扇1调速器位置传感器、风扇2调速器位置传感器和发动机转 速传感器。除发动机转速采用磁电式传感器外，其余均采用电阻型。执行器主要 有电动比例流量阀、风扇启动执行器、风扇调速执行器。除风扇调速执行器采用 电动机外，其余为继电器。系统控制器采用 抗干扰能力较强的Motorola单片机MC68HC908LJ，它具有4个8位输 入输出端口、且含有6个10位的A/D转换端口，资源足够，便于试验和改进使用。控制系统软件设计 根据冷却液控制系统工作的要求，控制系统要在不同的温度条件下进 行调节，或启动不同的冷却装置，以维持最佳的冷却液温度。设最佳温度为A电 动比例流量阀最大位置为风扇1调速器最大位置兄，风扇2调速器最大位置，发动 机转速#，则控制软件的控制流程如图6所示。

3试验结果 本文将该系统装在轿车上试验，设定控制温度为90°C、环境温度为 15°C时，测得的温度情况如表3所示。冷却液温度可控制在90±4°C的范围内。

结束语 控制规则应通过大量的试验进行修正，以提高控制精度。执行器应进 行改进或优选，以利于提高精度，降低成本。

冷却液温度对发动机性能有较大的影响，通过试验均可确定发动机的 最佳冷却液温度，利用该控制系统可控制发动机的最佳冷却液温度，提高其动力 性、经济性、排放性和使用寿命，具有一定的应用价值。