汽车空调模糊控制系统

汽车空调模糊控制系统　董炳武　（福州大学机械工程系）　１　概述　随着汽车工业和微电子技术的发展，汽车空调的应用也越来越普及，同时，人们对汽车空调系统性能的要求也越来越高，一方面，要求汽车空调系统有优良的技术性能和控制性能，以满足人体舒适性的要求；另一方面，由于汽车空调系统的能耗日益增加，汽车空调系统的节能也显得更加重要。

自动控制的应用是达到这两方面要求的一个重要途径。

　由于人体舒适感的模糊性和汽车空调系统的复杂性，以精确数学模型为必要条件的现代控制理论，应用于汽车空调系统已有许多不能解决的问题。

而基于模糊理论的控制技术，具有不需要知道控制目标和对象的精确数学模型，适以具有带滞后和非线性时变系统等优点，已越来越引起人的关注。

　２ 模糊控制系统基本原理　２．１　模糊控制的基本概念　在实际生产过程中，人们发现有经验的操作人员，虽然不懂被控对象或被控过程的数学模型，却能凭借经验采取相应的决策，很好地完成控制过程。

这里，人的经验可以用一系列具有模糊性的语言来表达，这就是模糊条件语句。

再用模糊逻辑推理对系统的实时输入状态观测量进行处理，则可产生相应的控制政策，这就是模糊控制。

　如图１　所示为模糊控制系统的工作原理。

　图１　模糊控制系统的工作原理　操作者在对受控过程进行的控制时，测量或观测到的偏差值或偏差的变化速率是一些清晰的量，经过模糊化以后得到偏差、偏差变化率大、中、小的某个模糊量的概念。

经过人的模糊决策后，得到决策的控制输出模糊量。

当按照已定的模糊决策去执行具体的动作时，所执行的动作必须以清晰的量表现出来。

　由于一个模糊概念可以用一个模糊集合表示，因此模糊概念的确定问题，就可以直接转换为模糊集隶属函数的求取问题。

因此，对于一类缺乏精确数学模型的被控对象。

可以用模糊集合的理论，总结人对系统的操作和控制的经验，用模糊条件语句写出控制规则，也能设计出比较理想的控制系统。

　２．２　模糊控制器　模糊控制能避开对象的数学模型，它力图对人们关于控制问题的成功与失败的经验进行加工，总385结出知识，从中提炼出控制规则，用一系列多维模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型，应用各类模糊推理方法，可以得到适合控制要求的控制量，可以说模糊控制器是一种语言变量的控制器。

　最基本的模糊控制系统的结构如图２所示，ｙｒ为系统设定值，ｙ为系统的输出值，它们都是清晰量。

从图中可以看出，它和传统的控制系统结构没有多大区别，只是用模糊控制器替代传统的数学控制器。

　图２　模糊控制系统　从图可以看出。

模糊控制器的输入量是系统的偏差量ｅ，在计算机控制系统中它是数字量，是有确定数值的清晰量。

通过模糊化的处理，用模糊语言变量Ｅ　来描述偏差，若以Ｔ（Ｅ）记Ｅ的语言值集合，则有：　Ｔ（Ｅ）＝｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝　或用符号表示负大ＮＢ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｂｉｇ）、负中ＮＭ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｍｅｄｉｕｍ）、负小ＮＳ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｓｍａｌｌ）、零ＺＥ（Ｚｅｒｏ）、正小ＰＳ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｓｍａｌｌ）、正中ＰＭ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｍｅｄｉｕｍ），正大ＰＢ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｂｉｇ），则：　Ｔ（Ｅ）＝　｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＥ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝　语言规则模块是一个规则库。

设Ｅ是输入，控制Ｕ为输出，规则形式为：　 规则１：　ＩＦ　Ｅ１　ＴＨＥＮ　Ｕ１，ＥＬＳＥ　 规则２：　ＩＦ　Ｅ２　ＴＨＥＮ　Ｕ２，ＥＬＳＥ　 ……　 规则ｎ：　ＩＦ　Ｅｎ　ＴＨＥＮ　Ｕｎ 每一条规则可以建立一个模糊关系Ｒ　，所以系统总的模糊关系Ｒ为：　 Ｒ＝Ｒ１ＵＲ２Ｕ…ＵＲｎ　若已知系统输入ｅ０对应模糊变量Ｅ＊，应用合成推理法，可得到模糊输入变量Ｕ＊，　 Ｕ＊＝Ｅ＊・Ｒ　模糊推理输出Ｕ＊是一个模糊变量，在系统中要实施控制时，模糊量Ｕ　还要转化成清晰值，因此要进行清晰化处理，得到可操作的确定值ｕｉ，这就是模糊控制器的输出值，通过ｕｉ的调整控制作用，使偏差ｅ尽量小。

　一般说来，模糊控制器有三个重要的功能模块：　⑴．模糊化：它是将模糊控制器输出量的确定值转换为相应模糊语言变量值的过程，此相应语言变量值均由对应的隶属度来定义。

　⑵．模糊推理：它包括三个组成部分：大前提、小前提和结论。

大前提是多个多维模糊条件语句，构成规矩库；小前提是一个模糊判断句，又称事实。

以已知的规矩库和输入变量为依据，基于模糊变386换推出新的模糊命题作为结论的过程叫做模糊推理。

　⑶．清晰化：它是将模糊推理后得到的模糊集转换为用做控制数字值的过程。

　与传统的控制相比，模糊控制具有以下的特点：　①．适用与不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以就、求得，只要求掌握操作人员或领域专家的经验或知识。

　②．模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性地表达，构成了被空对象的模糊模型。

在经典控制中，系统模型用传递函数来描述；在现代控制领域，则用状态方程来描述。

　③．该系统尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。

　３ 汽车空调模糊工程　汽车空调模糊控制系统的控制执行器及控制目标分别为：压缩机能量调节机构控制其排量，蒸发器风机控制车室内的送风量，电子膨胀阀控制压缩机吸入气体过热度。

显然，招待器和控制量之间有交互的影响，这样，增加了控制的复杂性。

　３．１　隶属函数和模糊控制规则　３．１．１　隶属函数　各参数对相应子集的隶属函数分别由不同的函数族决定。

参数的相应子集指该参数被人为地划分成的等级所构成的一组模糊集合。

相应子集的多少，由控制精度决定。

例如，参数“温差”的相应子集可以是“正大，正小，负小，负大”，也可以是“正大，正中，正小，负小，负中，负大”，后者比前者模糊子集多，因而控制精度更高（在其它条件相同的情况下）。

温度偏差ｘ的相应子集为：　正大：（ⅹ）　＝１－１／（１＋０．５ｘ２） （Ｘ＞０）　正中：（ⅹ）＝１／（１＋（ｘ－２）２） （Ｘ＞０）　正小：（ⅹ）＝１／（１＋（ｘ－１）２） （Ｘ＞０）　正很小：（ⅹ）＝１／（１＋０．５ｘ２） （Ｘ＞０）　负很小：（ⅹ）＝１／（１＋０．５ｘ２） （Ｘ＜０）　负小：（ⅹ）＝１／（１＋（ｘ＋１）２） （Ｘ＜０）　负中：（ⅹ）＝１／（１＋（ｘ＋２）２） （Ｘ＜０）　负大：（ⅹ）＝　１－１／（１＋０．５ｘ２） （Ｘ＜０）　其它参数对相应子集的隶属函数亦用类似方法构成。

　３．１．２　模糊控制规则　根据人工调节经验，拟定模糊控制规则。

基本结构为：根据温差和温差变化率的等级，推导压缩机排量、膨胀阀开度和风机转速的等级。

例如：　⑴．如果温差“正大”，温差变化率“负很小”，认为机器出力严重不足，运行状态置为：压缩机排量为“最大”，膨胀阀开度为“最大”，风机转速为“最大”。

　⑵．如果温差“正中”，温差变化率“正大”，认为机器出力不足，运行状态置为：压缩机排量为“大”，膨胀阀开度为“大”，风机转速　为“大”。

　⑶．如果温差“正小”温差变化率“正中”，认为机器出力仍不足，运行状态置为：压缩机排量为“中”，膨胀阀开度为“中”，风机转速　为“中”。

　387……　如果温差变化率相应子集数和温差相同，均为八个，那么，这种类型的规则应有６４条。

　３．２　控制实现的具体步骤　汽车空调模糊控制框图如图３所示。

具体实现步骤如下：　图３　模糊控制框图　⑴．传感器感知当前车内温度，送入作为调节器的计算机。

计算机取出存储的设定温度，计算出温度差ｘ，并通过和以前采样时刻温差的比较，计算出温差的变化率ｘ，ｘ、ｘ即为精确的控制输入。

　⑵．根据预先设置的隶属函数，求出控制输入ｘ、ｘ对相应子集的隶属度，把精确的控制输入转换成模糊量。

例如，ｘ＝１℃，ｘ＝０．１℃／ｍｉｎ，则有：　ｘ对相应子集的隶属度为（按前述设定隶属函数）：　正大：（ｘ）＝０．３３　正中：（ｘ）＝０．５　正小：（ｘ）＝１　正很小：（ｘ）＝０．６７ 其余子集：（ｘ）＝０　同样地，ｘ对相应子集隶属度亦可算出，例如：　正大：（ｘ）＝０．１　正中：（ｘ）＝０．８　正小：（ｘ）＝０．９　正很小：（ｘ）＝０．１　其余子集：（ｘ）＝０　⑶．上述两个量进行模糊量运算，得出该控制输入组对与之有关的模糊控制规则条件部分的隶属度。

例如，对前述设定的模糊控制规则⑴、⑵、⑶，控制输入组ｙ＝｛ｘ＝１℃，ｘ＝０．１℃／ｍｉｎ｝对其条件部分的隶属度可求得：　对规则⑴的条件部分：（ｙ）＝０　对规则⑵的条件部分：（ｙ）＝０．１　对规则⑶的条件部分：（ｙ）＝０．８　……　388⑷．利用模糊控制规则，推导控制输出的模糊量。

由前一步骤计算的对规则条件部分的隶属度（ｙ），可直接得出相应规则结论部分对相应子集的隶属度。

例如，对规则⑶，已知ｙ对条件部分的隶属度（ｙ）＝０．８，那么，压缩机排量Ｆ对“中等排量”隶属度（Ｆ）＝０．８，风机转速ｖ，对“中等转速”隶属度（ｖ）＝０．８，膨胀阀开度Ｎ对“中等转速”隶属度（Ｎ）＝０．８。

　考虑所有有关的结论部分，即可得到控制输出对相应子集的隶属度。

如压缩机排量Ｆ对相应子集的隶属度为：　最大：（Ｆ）＝０　大：（Ｆ）＝０．１　中：（Ｆ）＝０．８　小：（Ｆ）＝０．７　最小：（Ｆ）＝０．１　３．３ 汽车空调模糊控制过程　和普通空调系统相比，汽车空调具有乘客多、车门启闭次数多、室外气温和太阳辐射变化大等特点，因此，其控制过程必须考虑这些因素。

其控制过程如下：　⑴．根据车室内考虑温度、气流、辐射影响的综合温度传感器和车厢底部及壁面的温度伟感器测定的温度及湿度传感器测定的温度，以人体舒适感为基础，对车厢设定温度进行模糊修正。

　⑵．根据上述修正后的设定温度和车室内实测空气温度，用模糊控制规则推论控制输出。

　⑶．根据室外温度各乘车满员率对控制输出进行热负荷模糊修正。

　⑷．根据车门启闭情况，对控制输出进行修正，完成控制过程。

　参考资料　方贵银　李辉编著．《汽车空调技术》．机械工业出版社．北京。

２００２　389。