基于模糊PID的汽車發動機冷卻控制系統研究

于奔淼

摘要：文章對模糊PID控制的發動機冷卻智能控制系統進行了論述。該系統采用模糊推理方法在線修正PID控制器的參數，通過PID控制策略實現冷卻溫度控制。文章給出了單片機核心和外圍驅動電路原理圖，完成了硬件系統和軟件設計。

關鍵詞：汽車發動機；冷卻控制系統；模糊PID；單片機；PID控制器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：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

近些年來隨著我國經濟實力的壯大，人民生活水平的不斷提升，人們對于汽車需求不斷增加。但是相比掌握汽車制造業高技術和實際行業標準的發達國家，我國的制造水平還很低，這表現在基礎制造和新穎設計兩個方面。因此，本項目研制成功，將加強我國自主創新的研發能力，提升發動機的工作效率，改善發動機的動力，減少不必要的能源消耗，從而提升我國汽車產業的市場競爭力和在國際市場的競爭能力。

1.2 國內發展現狀

汽車電動式冷卻風扇的提出要追溯到20世紀80年代初，由美國專利文件提出，它將皮帶驅動的冷卻風扇改造成電動冷卻風扇，這種發明可以使發動機根據工作溫度變化來控制風扇的轉速。最近幾年，以單片機為核心對不同的輸入信號進行分析，分別對大循環和小循環狀態進行不同處理，發動機冷卻智能控制系統中，采用多級聯合智能控制系統將節溫器、保溫簾和冷卻風扇進行聯結。

2 PID與模糊控制理論基礎

2.1 數字PID控制算法

現今PID控制器成為當前工業控制的主流，它以調整方便、簡單、工作可靠、穩定性好受到廣泛應用。為了達到發動機冷卻系統對溫度控制的要求，我們需要找到一個合適的控制算法。傳統的PID控制器結構和參數設定簡單方便，被大規模運用到工業控制中。PID控制中實際應用一個為PI，另一個為PD控制，其次為PID控制，PID控制系統的誤差，控制量是利用比例、積分、微分計算進行控制的。PID模塊的溫度控制精度主要受P、I、D這三個參數影響，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驗基礎之上的。設計者將熟練的操作人員的豐富實踐經驗收集起來，通過這些熟練經驗采取合理精確的策略控制一個復雜系統。如果將這些熟練操作員的實踐經驗用計算機語言表達出來，總結出一種定性的、不精確的控制規則。如果用模糊數學將這種定性的，不精確的控制規則定量化就轉化為模糊控制算法，形成模糊控制理論。

模糊控制器對噪聲具有較強的抑制能力，而且對時滯、非線性和時變性具有一定的適應能力，并且無須建立精確的數學模型。采用模糊控制與PID控制相結合，不僅能夠提升模糊控制精確度，同時還能彌補PID控制器需要精確控制對象的不足。

模糊PID控制是根據PID控制器的三個參數與偏差e和偏差的變化ec之間的模糊關系，在運行時不斷檢測e及ec，通過事先確定的關系，利用模糊推理的方法，在線修改PID控制器的三個參數，讓PID參數可自整定。

最終它還是一個PID控制器，但是因為參數可自動調整的緣故，所以也能解決不少一般的非線性問題，但是假如系統的非線性、不確定性很嚴重時，模糊PID的控制效果就會不理想。而且模糊PID控制的規則還是較復雜的，隸屬度函數的選定也得靠經驗。

優點就是可以自動調整PID的參數，對于一般的不確定系統可以使用。

3 發動機冷卻系統硬件設計

3.1 硬件設計

本系統采用智能控制技術，首先溫度傳感器將采集到的發動機溫度值經A/D轉換器將采集來的溫度模擬信號轉化為數字信號，然后送入到微處理器中進行計算，模糊推理，PID運算后得出此溫度時風扇需要的轉速，輸出PWM信號來控制直流電機的轉速，從而達到調節發動機工作環境溫度的目的。

3.2 軟件設計

在本設計的軟件設計中，實現了以單片機為核心和模糊PID為控制算法的控制策略，在設計中有采用程序，AD、DA轉換程序，模糊PID控制算法，延時等程序。

在軟件設計中，為了避免程序運行出現問題，將程序初始化，然后根據系統要求對定時器進行設置，在定時器程序中，編輯定時器的子函數，這個子函數包括溫度采集命令，AD轉換命令和最重要的模糊PID控制算法，最后系統將控制量進行DA轉換輸出信號來控制驅動環節。其中模糊PID算法的設計很重要，在模糊PID算法中，首先要定義E和EC的范圍，根據模糊控制的規則將Kp、Ki、Kd模糊化，根據模糊規則對其進行模糊推理，最后轉換為真實值作為PID控制參數的修正值，經PID算法算出控制量u。

4 結語

本課題圍繞以AT89S51單片機為控制核心的冷卻系統風扇的電子智能驅動設計展開，通過散熱風扇的作用下來實現對冷卻系統水溫的自動調節，保證了汽車在預熱、過熱及正常運轉情況下，有效地節約能源消耗。本課題從系統的硬件、軟件進行設計，通過自制實驗板對研究成果進行了有效論證。主要完成內容如下：

4.1 基于單片機的汽車發動機冷卻系統的設計

4.1.1 ADC0809與單片機的接口簡潔。在設計之初，考慮到溫度采集速率不高和成本的問題，采用了ADC0809芯片與單片機直接相連的做法，不經過地址鎖存器。這樣至少可以節約地址鎖存器和或非門兩塊芯片，只是軟件在控制時序方面要復雜些。

4.1.2 程序調試摒棄以往直接在硬件平臺上調試程序，而是先使用Proteus仿真軟件進行仿真，再移植到硬件平臺上調試，這樣可以有效地提高系統的開發速度，節約成本，提高效率。

4.1.3 解決了硬件資源不足，產生PWM信號頻率低，中斷會給軟件設計帶來的種種困難，最終較好地實現了系統設計初的功能要求。

4.2 控制過程實現智能化

以溫度傳感器測得散熱器內冷卻水的溫度，微控制系統根據溫度數值進行PID運算，將計算結果轉換為PWM信號輸出，驅動散熱風扇和冷卻水泵，保證冷卻系統水溫處于適于發動機工作的溫度。在控制策略上，采用模糊PID控制，可以實現比傳統PID更好的控制效果和控制精度，解決了汽車發動運行過程的負荷的不確定性，從而難于精確控制問題。

由于時間及本人能力有限，只在實驗室內完成了此功能，希望在以后的工作中，進一步完善系統的功能，同時還要進行工程的設計與實現。如果在國內各種車輛上采用這種智能控制裝置，其經濟效益和社會效益非常可觀，具有很好的應用前景。

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（責任編輯：黃銀芳）