李江明，徐彪，孫權(quán)，楊茜

（東風本田汽車有限公司，湖北武漢430056）

基于擬合因子的汽車自動空調(diào)控制策略

李江明*，徐彪，孫權(quán)，楊茜

（東風本田汽車有限公司，湖北武漢430056）

汽車空調(diào)因其自身系統(tǒng)的非線性和人體感覺的不確定性，很難通過精確數(shù)學建模實現(xiàn)自動控制。針對目前文獻中汽車自動空調(diào)控制方法存在的不足，本文提出了一種基于擬合因子的自動空調(diào)控制策略。實踐證明，應(yīng)用該策略的空調(diào)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能保持與理想溫度誤差1 ℃內(nèi)的自動控制。同時該策略易于實現(xiàn)和定制，具有較強的通用性。

汽車空調(diào)；擬合因子；自動控制

0 引言

隨著人們對汽車的舒適性要求越來越高，汽車空調(diào)作為舒適性的關(guān)鍵功能件，其性能直接影響著用戶體驗，是評價整車舒適性的重要因素[1]。自動空調(diào)通過對乘客的設(shè)定溫度和傳感器采樣到的車內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、陽光強度、蒸發(fā)器溫度進行特定的計算方式，算出車內(nèi)的控制溫度信息（制冷量和制熱量的需求信息)，來確定模式風門、溫度風門、鼓風機風速、內(nèi)外循環(huán)的控制，從而達到控制車內(nèi)溫度的需求[2]。目前國內(nèi)學者在自動空調(diào)控制方面已有大量研究，李睿欽等[3]、張義等[4]將增量式PID算法應(yīng)用在汽車自動空調(diào)控制中，同時指出系統(tǒng)本身輸入條件的復(fù)雜性使得PID參數(shù)整定將很麻煩，可能導(dǎo)致控制效果不佳，鑒于此將諸如模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等融入?yún)?shù)整定中，實現(xiàn)在線調(diào)整PID參數(shù)，一定程度上增強了控制的適應(yīng)性，但也增加了求解器的復(fù)雜程度。江志斌等[5]、JIANG等[6]分析了模糊控制方法，用車內(nèi)溫度設(shè)定值與實際溫度之間的溫差E及E的變化率EC作為輸入量控制各輸出。然而模糊控制主要依賴模擬人的經(jīng)驗判斷，其控制精度不高，存在穩(wěn)態(tài)誤差[7]，且會由于系統(tǒng)遲滯，需要較長時間才能實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定。吳寶志等[8]利用 BP網(wǎng)絡(luò)強大的數(shù)據(jù)擬合能力，從乘客實際需求數(shù)據(jù)反向推導(dǎo)各控制參數(shù)，但若直接使用BP網(wǎng)絡(luò)作為核心算法擬合輸出量控制參數(shù)，則訓(xùn)練樣本的信息采集量巨大。

本文從能量平衡的角度出發(fā)，提出了一種基于擬合因子的自動空調(diào)控制策略，用各傳感器值擬合熱負荷表征量TAO（Target Output，目標吹出溫度），以此為各執(zhí)行器件的控制基礎(chǔ)，結(jié)合各自的校正補償，實現(xiàn)出風口溫度、風量和新鮮空氣/再循環(huán)空氣之間切換的自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定點精確，通過遲滯環(huán)和開關(guān)量等局部邏輯，可實現(xiàn)較快的穩(wěn)定速度。

1 系統(tǒng)組成

一般來說，汽車自動空調(diào)系統(tǒng)包括三種部件：控制器、傳感器、執(zhí)行器。與傳統(tǒng)手動空調(diào)不同，自動空調(diào)系統(tǒng)中風門類控制電機單元和鼓風機控制回路應(yīng)均具備狀態(tài)反饋和多級（或無級）控制，其中風門類控制電機多為內(nèi)含電位測量回路，鼓風機常用控制為場效應(yīng)晶體管電壓或PWM方式[9-10]。典型的自動空調(diào)系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中控制器的主要功能為接收用戶操作和各傳感器信號輸入，經(jīng)過操作時序合理性判斷和D/A去噪等處理后，結(jié)合自動空調(diào)控制算法輸出各執(zhí)行部件的控制信號（不同車型間對硬線和CAN線的選擇上可能會有區(qū)別）。

圖1 典型汽車自動空調(diào)系統(tǒng)

2 擬合因子

擬合因子就是將各傳感器的接收值擬合成一個基本索引參數(shù)，作為系統(tǒng)的控制依據(jù)，該指標應(yīng)滿足3個條件：

1）和溫度調(diào)節(jié)、風量大小及出風模式產(chǎn)生直接關(guān)聯(lián)；

2）滿足用戶的感官評價需求；

3）能準確測量與標定。

從用戶角度考慮，臉部能最直觀反應(yīng)出風量，但臉部感知溫度會受氣流反射和陽光輻射影響而難以控制[11]，控制系統(tǒng)最重要的是找到準確的控制點。綜合上述因素，本文通過對大量不同系自動空調(diào)產(chǎn)品的調(diào)查分析和試驗驗證，提出以目標吹出溫度（以下簡稱為TAO）作為基本控制因子。

2.1 目標吹出溫度定義

汽車空調(diào)工作環(huán)境復(fù)雜，但對整車熱負荷影響較大的輸入量主要包括：內(nèi)外溫差產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)，太陽光輻射導(dǎo)熱，結(jié)合傳感器采集對象和能量平衡考慮，將目標吹出溫度計算公式做如下定義：

式中：

Tset——設(shè)定溫度，℃；

Tr——室溫，℃；

Tam——環(huán)境溫度，℃；

Tsun——日照量；

K值——各系數(shù)；

C——常數(shù)。

在公式(1)中，Kset×Tset代表用戶需要的空調(diào)制冷采暖能力大?。籏r×Tr是針對車內(nèi)乘客人數(shù)和陽光入射角不同影響車內(nèi)溫度的調(diào)整能量；Ksun×Tsun和Kam×Tam項產(chǎn)生的能量很直接，影響也比較大，并且會隨車型不同和材質(zhì)不同而改變，同時綜合環(huán)境溫度和日照量能夠改善控制的滯后性；C表示初始值。

2.2 參數(shù)標定

為了滿足自動空調(diào)的控制準確性，對目標吹出溫度公式中的各參數(shù)標定提出了較高的要求。首先須保證試驗結(jié)果滿足人體舒適性指標，通過人為調(diào)整，使試驗數(shù)據(jù)均為期望目標[12]，為后續(xù)標定提供有效樣本，通過上述擬合對象定義可知該樣本采集系列包括車外溫度掃描數(shù)據(jù)、車內(nèi)溫度掃描數(shù)據(jù)、乘客設(shè)定溫度掃描數(shù)據(jù)、內(nèi)外循環(huán)風門比例掃描數(shù)據(jù)和陽光強度掃描數(shù)據(jù)。本文采用了日本橫河數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)MX100，在整車環(huán)模試驗室中進行熱電偶布置、接線、模擬工況及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。MX100數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分和車內(nèi)各布點處k型熱電偶連接如圖2所示。

目前比較常用的參數(shù)標定方法為間接計算、回歸分析。其中間接計算是根據(jù)所需標定的參數(shù)，將前述試驗數(shù)據(jù)按照既定工況分組記錄，采用控制變量方法依次計算。圖3列舉了一組設(shè)定溫度25 ℃，外氣溫度從-10 ℃到40 ℃，日照量取0 W/m2和767 W/m2時對內(nèi)氣溫和目標吹出溫度的記錄示意，說明Kr、Ksun、Kam的計算思路，同理其他系數(shù)的計算可以另行工況記錄。在合理數(shù)據(jù)量充足的情況下，通過多次取點計算求均值，可實現(xiàn)較高準確性的參數(shù)標定，適用于新車開發(fā)的初期。

圖2 采集硬件與熱電偶連接

圖3 K值計算示意

回歸分析在基于Base車型變更、僅需要調(diào)整部分系數(shù)時非常方便，基本思路是先將等式兩邊整理成一階線性方程，再輸入試驗數(shù)據(jù)進行擬合。現(xiàn)行空調(diào)控制器產(chǎn)品多為嵌入式系統(tǒng)，硬件資源有限，為了提高應(yīng)用層算法的計算效率，一般需要對非線性函數(shù)進行查表化處理[13-14]，并且盡量將浮點數(shù)轉(zhuǎn)化為整形數(shù)，這些在Matlab中均可通過函數(shù)指令直接完成，這里不作贅述。

3 基于TAO的控制策略

隨著各種傳感器技術(shù)的應(yīng)用，汽車空調(diào)控制系統(tǒng)得以逐漸擴展，但均是在基本功能上進行延伸。本文主要介紹與TAO值關(guān)聯(lián)的自動空調(diào)四大核心控制功能：吹出溫度控制、風量控制、出風模式控制和內(nèi)外氣控制，其他附加修正可以根據(jù)自身需求追加定制。

3.1 吹出溫度控制

空調(diào)箱體內(nèi)的蒸發(fā)器和加熱芯體分別完成對進入空氣的冷卻、加熱功能，吹出溫度的主要控制機制是通過調(diào)節(jié)空氣混合風門開度改變冷熱空氣的混合比，實現(xiàn)對吹出空氣溫度的控制，其中混合風門的開度也是通過TAO，發(fā)動機冷卻液溫度(Th)，及蒸發(fā)器溫度(Te)實時計算得出。

出風溫度介于低溫側(cè)蒸發(fā)器溫度和高溫側(cè)發(fā)動機冷卻液溫度之間，當為最大冷卻時，空氣混合控制門開度設(shè)定在0%，當為最大加熱時，空氣混合控制門開度設(shè)定在100%，故可將混合風門開度（AMD）和出風溫度上下限進行線性擬合如下：

式中，αmode、αis、αhum分別為出風模式、怠速起停、濕度修正?；旌巷L門開度控制示意如圖4所示。

圖4 混合風門開度控制示意

3.2 風量計算

從吹出溫度控制原理可知，目標吹出溫度的變化范圍不能低于低溫側(cè)蒸發(fā)器的溫度，也不能高于高溫側(cè)發(fā)動機冷卻液的溫度，并且當所需吹出溫度超過一定范圍后，系統(tǒng)所需制冷/采暖負荷增大，則需要增加風量的支持。除了基于目標吹出溫度的基本風量控制方法外，還包括其它各種修正邏輯，主要有預(yù)熱控制、冷卻控制、光照補償[15]，其它諸如Idle Stop、ECON模式和車載電話靜音等對應(yīng)修正策略需主機廠按照整車配置與性能評價制定。電子控制單元計算出最佳風量并將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)信號輸送到鼓風機回路，這里整個過程如圖5所示(圖中VF指鼓風機電壓，這里以電壓控制為例)。

1） 根據(jù)TAO的VF計算值

由于除霜模式下對風量的要求是強制性的，故除霜模式需單獨控制，其他4種基本模式趨勢大體相近，均為在TAO高于或低于一定值后增加風量進行采暖/制冷補償。但采暖/制冷能力還需考慮實際系統(tǒng)中冷凝器、蒸發(fā)器和加熱芯體的性能和發(fā)動機工況，不能簡單認為隨風量大小線性增長，需要單獨標定，圖6所示為一典型控制曲線。

圖5 風量計算流程

圖6 風量控制曲線(基于TAO)

2） 日照強度影響的修正計算

當實際出風模式為VENT或B/L時，為了抑制光照對人體感官的惡化，鼓風機的最小風量需要補償，光照強烈時鼓風機速度就提高。圖7為計算日照補正電壓值VFsun，以適當提高最小風量。

圖7 日照強度影響的修正計算

3） 冷卻啟動延時控制

夏季外氣溫度較高，乘客如果在車輛發(fā)動不久或剛剛從其他停止狀態(tài)啟動AC時，出風口模式為VENT或B/L，則容易吹出熱風，導(dǎo)致不適感；為此應(yīng)該保證風在蒸發(fā)器冷到足夠程度時才吹出。通常進行延時控制，先判斷蒸發(fā)器溫度是否大于30 ℃比較，若為真則鼓風電機切斷 4 s使蒸發(fā)器冷卻下來，此時VF=0 V；蒸發(fā)器溫度小于30 ℃時，再將鼓風機在低速運行2 s，之后以0.5 V/s上升至鼓風機穩(wěn)態(tài)電壓（VFnorm），整個過程如圖8所示。

圖8 冷卻啟動流程

4） 發(fā)動機水溫補正

在冬季，當發(fā)動機剛剛啟動后，發(fā)動機冷卻液還沒有熱。若此時乘客有采暖需求(如HEAT、H/D模式)，直接打開鼓風機送氣，將會吹出冷風，因此根據(jù)發(fā)動機冷卻液溫度的增加，風量首先從零開始，并逐漸增加，避免任何不適的感覺。通常，當天氣較冷，出風模式位于HEAT或H/D時，鼓風電機關(guān)閉，隨著冷卻液溫度（由水溫傳感器檢測）的升高，風量也逐漸增加，具體控制過程如下。

a)判斷出風模式是否為HEAT或H/D；

b)判斷發(fā)動機水溫（TW）大小，當TW≤45℃時，VFtw=0 V，否則VFtw=VFlow；當TW≥55℃時，VFtw=VFnorm；當45℃＜TW＜55℃時，計算公式如下：

3.3 出風模式控制

出風模式的自動切換主要根據(jù)需要的出風口溫度計算并控制。當TAO判斷為冷卻乘員艙時，出風口模式切換到VENT，對中間環(huán)境，切換到B/L，當TAO判斷為采暖時，切換到HEAT或H/D。除此之外還需加入光照修正，考慮到光照對制冷和采暖的影響，修正策略是升高VENT切換溫度和HEAT切換溫度，實際控制邏輯如圖9所示。DEF模式屬于主觀操作，不在自動控制內(nèi)（圖中○指上電時狀態(tài)，下同）。

圖9 出風模式控制邏輯

3.4 內(nèi)外氣控制

內(nèi)外氣控制主要是根據(jù)需要的出風口溫度TAO計算風門目標開度，從而進行自動調(diào)節(jié)。通常情況下進氣為外氣模式，即吸入新鮮空氣，但當乘客有較強制冷需求時，使用內(nèi)循環(huán)模式使冷卻更快，之后隨TAO升高，模式逐漸切換至外循環(huán)。

圖10 內(nèi)外氣控制邏輯

4 實際控制效果檢證

本文提出的基于擬合因子TAO的汽車自動空調(diào)控制策略在量產(chǎn)車型上得到了驗證。實驗驗證表明，應(yīng)用本控制策略的空調(diào)系統(tǒng)在人體舒適性方面表現(xiàn)良好。圖11給出了某款車型的自動控制-外溫負荷性能實驗結(jié)果，其中前排平均溫區(qū)和前排腳部溫度曲線為人體舒適性評價區(qū)域，可以看出所有測點值均滿足要求。

表1 試驗條件

圖11 自動控制-外溫負荷性能實驗結(jié)果

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于擬合因子的汽車自動空調(diào)控制策略，詳細說明了擬合對象、擬合方法及基于該參數(shù)的吹出溫度控制、風量計算、出風模式控制和內(nèi)外氣控制的相關(guān)方法和依據(jù)。通過某款量產(chǎn)車型的自動控制試驗數(shù)據(jù)，說明了該套控制方法穩(wěn)定可靠，符合人體舒適性要求。提出的汽車空調(diào)自動控制策略易于實現(xiàn)，可對于不同車型進行標定和定制，有很強通用性和推廣價值。

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Control Strategy for Automobile Automatic Air Conditioner Based on Fitting Factor

LI Jiangming*, XU Biao, SUN Quan, YANG Qian
(Dongfeng Honda Automobile Co., Ltd., Wuhan, Hubei 430056, China)

Precise mathematical modeling can hardly realize for automobile air conditioning system, due to the nonlinearity of the system and the uncertainty of human sensation. Considering the deficiency of current method for the control strategy for automobile automatic air conditioner, a control strategy for automatic air conditioner based on fitting factor is proposed. Practice has proved that the application of this strategy performs stably and can maintain automatic control with an accuracy of 1oC. Moreover, the proposed strategy is easy to be realized and customized, and has strong generality.

Automobile air conditioning; Fitting factor; Automatic control

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.203

*李江明（1988-），男，工程師，碩士。研究方向：汽車空調(diào)系統(tǒng)。聯(lián)系地址：武漢市沌口經(jīng)濟開發(fā)區(qū)車城東路88號，郵編：430056。聯(lián)系電話：027-84308251。E-mail：lijiangming@wdhac.com.cn。