李軍，武磊，隗寒冰，蘇飚

模糊PID控制的電子節(jié)溫器對油耗的影響

李軍a，b，武磊a，隗寒冰a，b，蘇飚a(chǎn)

(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(tǒng)集成與控制重點實驗室，重慶400074)

針對傳統(tǒng)內燃機水溫控制系統(tǒng)不能準確、快速、穩(wěn)定地調節(jié)發(fā)動機水溫的問題，在Simulink環(huán)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(tǒng)的仿真模型，對使用模糊PID控制的電子節(jié)溫器與傳統(tǒng)機械節(jié)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(tǒng)比傳統(tǒng)PID控制效果更佳，能減少水溫的超調及系統(tǒng)調控的時間。使用模糊PID控制的電子節(jié)溫器能提高發(fā)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(fā)動機水溫升高能降低發(fā)動機的油耗，在新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)工況下，其節(jié)油效率為0.7%;低速小負荷穩(wěn)態(tài)工況下，其節(jié)油效率最高可達4.7%。

電子節(jié)溫器;模糊PID;節(jié)油效率;發(fā)動機;水溫

0 引言

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

文獻［1－2］采用比例-積分(proportion-integral，PI)對電子節(jié)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(jié)溫器不加熱，主閥門部分開啟，全負荷時才根據(jù)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(jié)溫器，并在Simulink環(huán)境下進行了仿真，減少了水溫波動及系統(tǒng)調控的時間。文獻［5］指出發(fā)動機水溫升高具有一定的節(jié)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(xiàn)在廣泛使用的是由機械蠟式節(jié)溫器升級而成的電加熱蠟式節(jié)溫器。但目前針對電子節(jié)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(jié)溫器的報道。針對中國越來越嚴格的排放及油耗法規(guī)的要求，從發(fā)動機冷卻需求控制的靈敏性、可靠性以及發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、環(huán)保等多方面考慮，選取一種較為合適的電子節(jié)溫器控制策略顯得越來越重要［6－7］。

1 電子節(jié)溫器控制策略

1.1 控制邏輯

汽車發(fā)動機通過傳感器采集的信號來判斷發(fā)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(fā)動機的最佳工作溫度，該溫度為電子節(jié)溫器控制的目標溫度。目標溫度的設定主要依據(jù)以下原則:當發(fā)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(fā)動機處于高速大負荷時，設置較低的目標溫度，使發(fā)動機處于較低的工作溫度，減少爆震的發(fā)生，以提高發(fā)動機的性能，增大發(fā)動機的扭矩輸出。

表1 電子節(jié)溫器的基本參數(shù)

所使用的電子節(jié)溫器的基本參數(shù)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(jié)溫器的初始占空比，同時以目標水溫與發(fā)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(fā)動機冷卻需求的一個重要參數(shù)。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(jié)，控制冷卻液流量，調整發(fā)動機運行溫度。

1.2 模糊控制器設計

圖1 電子節(jié)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(shù)(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(jù)所制定的模糊控制規(guī)則對3個參數(shù)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(guī)則是模糊控制器的核心。根據(jù)經(jīng)驗推理，將大量成功的控制策略經(jīng)整理、加工提煉后，用輸入、輸出變量的模糊狀態(tài)加以描述，就得到了控制規(guī)則。

根據(jù)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(guī)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(xiàn)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(xiàn)較大的超調，產(chǎn)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(tǒng)響應的影響較大，取值要適中，以保證系統(tǒng)響應速度。

(Ⅲ)當溫差E基本恒定時，此時E較小，為使系統(tǒng)穩(wěn)定性能較好，應該增加kp和ki，同時避免系統(tǒng)在設定值附近出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，并考慮系統(tǒng)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(jù)以上要求建立了模糊控制規(guī)則，如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則

2 Simulink仿真

在Simulink環(huán)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(shù)實現(xiàn)對發(fā)動機冷卻水系統(tǒng)的仿真。設發(fā)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(tǒng)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(tǒng)PID控制時水溫最高達到92.8℃，采用模糊PID控制后，調節(jié)過程中水溫最高為91.4℃。使用傳統(tǒng)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(wěn)，水溫振幅較小。與傳統(tǒng)PID控制相比，采用模糊PID控制后系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)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(tǒng)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(jié)溫器，試驗車2安裝采用模糊PID控制的電子節(jié)溫器，其余各狀態(tài)均相同。分析穩(wěn)態(tài)工況與新歐洲行駛循環(huán)(new European driving cycle，NEDC)工況下電子節(jié)溫器對油耗的影響。

電子節(jié)溫器對油耗的影響主要體現(xiàn)在兩個方面:

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

其中:Mout為發(fā)動機飛輪端實際輸出扭矩，即駕駛需求扭矩，N·m;Mcylinder為發(fā)動機燃燒扭矩，N·m;Mloss為發(fā)動機摩擦扭矩，N·m;Mload為負載扭矩，N·m。發(fā)動機運行水溫為105℃時，其摩擦扭矩約為18.6 N·m;發(fā)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(fā)動機水溫越高，Mloss將越小，發(fā)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(jié)電子節(jié)溫器的占空比，減小水溫的波動。當通過控制節(jié)溫器開度能滿足發(fā)動機冷卻需求時，風扇不打開。當節(jié)溫器全開時，發(fā)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(jīng)無法滿足發(fā)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(fā)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(tài)，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(jié)溫器的風扇開啟時間為412 s，使用模糊PID控制的電子節(jié)溫器的風扇開啟時間為240 s。采用模糊PID控制的電子節(jié)溫器能有效縮短風扇開啟的時間，間接降低油耗。

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

由于車輛運行時工況一直在變化，穩(wěn)態(tài)試驗無法充分說明電子節(jié)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(jié)溫器可以將發(fā)動機的水溫控制在90℃左右，使用模糊PID控制的電子節(jié)溫器可以將發(fā)動機的水溫控制在105℃附近。采用模糊PID控制的電子節(jié)溫器后，隨著發(fā)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(jié)發(fā)動機工作時的水溫。

圖4 不同節(jié)溫器風扇開啟情況

表3 穩(wěn)態(tài)工況下的節(jié)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(huán)，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(huán)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(jié)溫器對油耗的影響主要體現(xiàn)在后面3個循環(huán)，所以本文主要對后面3個循環(huán)進行分析。

通過在NEDC工況下測量發(fā)動機的瞬時油耗，其市區(qū)循環(huán)3、市區(qū)循環(huán)4及市郊循環(huán)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(jié)溫器的試驗車2的油耗，要比使用機械節(jié)溫器的試驗車1的油耗低。同時，在瞬態(tài)工況下，使用模糊PID控制的電子節(jié)溫器后水溫升高，也具有一定的節(jié)油能力。

表4 市區(qū)循環(huán)的瞬時油耗L/s

表6為NEDC工況下各循環(huán)油耗。在市區(qū)循環(huán)1和市區(qū)循環(huán)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(huán)比試驗車2低。從市區(qū)循環(huán)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(jié)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(jié)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(jié)溫器節(jié)油效率約為0.7%。

表5 市郊循環(huán)的瞬時油耗L/s

表6 NEDC工況下各循環(huán)油耗L

4 結論

與傳統(tǒng)PID控制相比，采用模糊PID控制的電子節(jié)溫器能減少水溫超調量，水溫波動小，使系統(tǒng)更快地達到穩(wěn)態(tài)，模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制性能更好。通過使用模糊PID控制的電子節(jié)溫器提高發(fā)動機工作時的水溫以降低發(fā)動機油耗。在NEDC工況下，采用模糊PID控制的電子節(jié)溫器的節(jié)油效率可達0.7%，而在低速小負荷時的穩(wěn)態(tài)工況下節(jié)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(fā)動機排放與控制、新能源汽車技術及應用.

2017－02－15