【正文】 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 1 頁(yè) 共 42 頁(yè) 1 緒論 課題背景及意義 隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展 和人們對(duì)生括質(zhì)量要求的不斷提高，汽車的普及率大大地提高了，用戶對(duì)當(dāng)代汽車提出了操作簡(jiǎn)便、舒適性駕駛的要求。汽車空調(diào)作為汽車的重要功能部件之一， 已成為改善乘座舒適性的重要手段?？梢詫?duì)車內(nèi)空氣的溫度、濕度、清潔度、風(fēng)速、通風(fēng)等進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。汽車空調(diào)主要對(duì)駕乘空間的溫度進(jìn)行控制，個(gè)別高檔轎車增加了對(duì)濕度的控制。不但可以調(diào)節(jié)汽車內(nèi)的溫度，并且可以隨時(shí)對(duì)車內(nèi)的有害性氣體含量進(jìn)行控制，預(yù)防中毒和有害氣體對(duì)駕乘人員健康的影響。汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的手段包括對(duì)空調(diào)系統(tǒng) 的改進(jìn)。 國(guó)外主要的汽車公司紛紛給自己的高檔汽車裝上全自動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)大部分是將進(jìn)口的空調(diào)系統(tǒng)裝給自己的高檔汽車，目前還沒(méi)有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車空調(diào)自動(dòng)控制器?？傮w來(lái)看，目前我國(guó)汽車空調(diào)系統(tǒng)的電子化程度較低，大多數(shù)仍采用手動(dòng)控制或簡(jiǎn)單的位式控制 [1]。 手動(dòng)控制一方面會(huì)出現(xiàn)車內(nèi)溫度不容易滿足乘客所需的最佳條件，不能滿足舒適性和節(jié)能性的要求；另一方面容易分散駕駛員的注意力，降低行車的安全性。手動(dòng)控制己成為汽車空調(diào)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問(wèn)題 。單片機(jī)技術(shù)在汽車空調(diào)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的使用，提高了汽車的檔次，同時(shí)也方便了 用戶的使用，增加了舒適度。 汽車空調(diào)采用的大都是任務(wù)單一、響應(yīng)速度較慢的普通單片機(jī)控制，在溫度測(cè)量上是將溫度值的模擬信號(hào)先采樣再進(jìn)行 A／ D 轉(zhuǎn)換。 例如新一代的環(huán)保型汽車和其它低排放車輛，由于本身動(dòng)力系統(tǒng)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)車輛，能夠提給空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)力極為有限。綜上可見(jiàn)擁有一套節(jié)能高效、性能可靠的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)拓市場(chǎng)有著至關(guān)重要的作用 [1]。 本課題是對(duì)全合一空氣混合型的汽車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制策略仿真和軟硬件系統(tǒng)模擬試驗(yàn)的手段，對(duì)汽車空調(diào)智能控制方法進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)出汽車空調(diào)全自動(dòng)控制系統(tǒng)中的核心部分智能溫控 系統(tǒng) 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)內(nèi)汽車空調(diào) 系統(tǒng) 已發(fā)展多年 ,但整體設(shè)計(jì)和制造水平低于國(guó)外。 80年代末 90年代初 ，國(guó)內(nèi)汽車空調(diào)才開(kāi)始發(fā)展 。近年來(lái)隨著管理信息系統(tǒng)的逐漸普及，國(guó)內(nèi)廠家開(kāi)始嘗試 將 適合企業(yè)發(fā)展的信息管理系統(tǒng) 分批次的引進(jìn)進(jìn)來(lái)。例如 引進(jìn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 2 頁(yè) 共 42 頁(yè) IPM／ PDM的 上海德?tīng)柛Ｆ嚳照{(diào)系統(tǒng)有限公司， 并且用此系統(tǒng)對(duì) 管理產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息和工藝信息 進(jìn)行統(tǒng)一的管理 ，形成 技術(shù)先進(jìn)的 工程信息數(shù)據(jù)庫(kù) ， 通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與 ERP系統(tǒng)的管理信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行資源共享和有效的信息交換，最終 使 公司 CIMS的總體規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn) 得以實(shí)現(xiàn)，并將 公 司 帶入 的信息化 的時(shí)代 。但是，國(guó)內(nèi)汽車空調(diào) 發(fā)展時(shí)代晚 ，存在 差、散、亂、的 3種 格局。 國(guó)內(nèi) 汽車空調(diào)廠家的設(shè)計(jì)力量 較差 ，技術(shù) 水平 落后。就國(guó)內(nèi)主要幾家 汽車空調(diào)廠而言，仍處于仿制國(guó)外空調(diào)系統(tǒng)的階段。 雖然國(guó)內(nèi)廠家 也引進(jìn)了 UG，Catia等三維造型軟件，但 不能達(dá)到軟件的最佳利用率 ，設(shè)計(jì)人員基本上 對(duì) 蒸發(fā)器、暖風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī) 沒(méi)有全新的認(rèn)識(shí)及開(kāi)發(fā)能力 。我國(guó)汽車空調(diào)行業(yè)起步較晚，汽車空調(diào)主要依賴 CKD組裝。隨著汽車工業(yè)迅速發(fā)展，市場(chǎng) 對(duì)高性能的汽車空調(diào) 需求 量 日趨增長(zhǎng)。由于大多數(shù)企業(yè)技術(shù) 水平不能滿足 生產(chǎn)需求， 所以 不少企業(yè)陸續(xù)從國(guó)外引進(jìn) 先 進(jìn) 技術(shù)和 成套生產(chǎn)設(shè)備，也有很多地方開(kāi)始 引進(jìn)外資 ， 在 汽車空調(diào)項(xiàng)目 上進(jìn)行合作 [2]。 隨著 國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的飛速發(fā)展 ,要 積極推進(jìn)汽車空調(diào)的國(guó)產(chǎn)化 進(jìn)程 ,與國(guó)內(nèi)各大高等學(xué)校 進(jìn)行 合作 ,鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員獨(dú)立 進(jìn)行研究 ,以 盡快 掌握蒸發(fā)器、鼓風(fēng)機(jī)和暖風(fēng)機(jī)的全新開(kāi)發(fā)技術(shù) [3]。 自從第一輛汽車由戴姆勒制造出以來(lái)，汽車的開(kāi)發(fā)已有了 110年的歷史。由于當(dāng)時(shí)簡(jiǎn)單的汽車設(shè)計(jì)，夏天熱得汗流滿面，冬天凍得手腳發(fā)木，給人們帶來(lái)了諸多的不便。自從 汽車加熱裝置和汽車空調(diào)設(shè)備研制出來(lái)后 ,人們 就可乘坐裝有空調(diào)的汽車了。在美國(guó)人們最早享受到了這些設(shè)備，比 如早在上世紀(jì) 30年，根據(jù)用戶的要求就可以給汽車安裝加熱裝置。而歐洲在 1950年才生產(chǎn)出第一輛安裝加熱裝置的汽車。這臺(tái)帶有電子新鮮空氣送風(fēng)機(jī)的加熱裝置是由貝洱公司作為附加裝置提供的。從 1963年開(kāi)始，德國(guó)的卡車制造公司也在自己的貨車上安裝了加熱裝置和送風(fēng)裝置。 1953年，美國(guó)把蒸發(fā)器安裝在行李箱裝，這是第一次作為空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，后來(lái)在儀表板內(nèi)把蒸發(fā)器和通風(fēng)管道結(jié)合在一起。在 30多年的發(fā)展過(guò)歷程中汽車空調(diào)也經(jīng)歷了眾多改變。自從 1971年加熱裝置和空調(diào)裝置集成一體的裝置（暖風(fēng)器芯和蒸發(fā)器安裝在同一殼體內(nèi)并利用同 一個(gè)溫度分配管道）首次問(wèn)世。 1981年，第一臺(tái)左右分開(kāi)控制的空調(diào)出現(xiàn)，駕駛員和乘客均可根據(jù)自身對(duì)溫度的感覺(jué)來(lái)調(diào)節(jié)氣溫。 1986年，研制出了左右分開(kāi)控制的空調(diào)裝置。 1994年又開(kāi)發(fā)出了左右分開(kāi)調(diào)控空氣量的空調(diào)。如果仍然遵循溫度單獨(dú)調(diào)控原理，也可以把后排與前排乘客分開(kāi)各自調(diào)控自己需要的溫度。到現(xiàn)在為止，把第二個(gè)空調(diào)裝置安裝在后排，可實(shí)現(xiàn)所說(shuō)的這種四區(qū)空調(diào)裝置 [4]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 3 頁(yè) 共 42 頁(yè) 汽車空調(diào)的特點(diǎn)及其控制系統(tǒng)的難點(diǎn) 與建筑內(nèi)的空調(diào)相比，汽車空調(diào)有著極大的區(qū)別。首先，汽車在外界是不停移動(dòng)的，外界環(huán)境氣候多變，車外溫度變 化極大，以至于車外設(shè)計(jì)參數(shù)沒(méi)有一個(gè)確定值。其次，由于汽車載客量大，人體產(chǎn)生熱量多，車內(nèi)空間小，因此要求汽車空調(diào)制冷能力強(qiáng)，汽車乘員進(jìn)入車內(nèi)的同時(shí)往往會(huì)打開(kāi)空調(diào)，并且要求在很短的時(shí)間內(nèi)就享受到空調(diào)效果；而汽車在開(kāi)啟空調(diào)時(shí)車內(nèi)的溫度過(guò)大，這幾種因素導(dǎo)致汽車空調(diào)有著極大的工作負(fù)荷，使車內(nèi)溫度能迅速滿足乘客的需求。因此，汽車空調(diào)機(jī)組的工作負(fù)荷應(yīng)該比建筑內(nèi)的空調(diào)大的多 [5]。另外，汽車是高速行駛的，與外界環(huán)境接觸時(shí)間長(zhǎng)，而且車身隔熱困難，門(mén)窗所占汽車比例又大，車內(nèi)溫度變化頻繁。如果汽車長(zhǎng)時(shí)間暴露在太陽(yáng)直射下 (或風(fēng)雪下 )，進(jìn)入車內(nèi)的熱負(fù)荷 (或冷負(fù)荷 )比一般室內(nèi)的要大得多。夏天汽車在烈日下長(zhǎng)時(shí)間的停放，一般車內(nèi)溫度會(huì)上升到 50℃ 以上 [6]。 汽車所在的外界環(huán)境十分的惡劣，這些環(huán)境因素往往又會(huì)造成汽車電子裝置的性能惡化，甚至不能達(dá)到規(guī)定的工作效果，出現(xiàn)某些故障。因此與一般的空調(diào)控制系統(tǒng)相比，汽車空調(diào)控制系統(tǒng)也有其特殊要求 [7]。 首先，要承受住外界溫度和濕度的考驗(yàn)。汽車外部的環(huán)境溫度最高為 50℃ ，最低為40℃ ，但汽車內(nèi)各零部件卻有著各自不同的最佳工作溫度。其次，要承受振動(dòng)沖擊環(huán)境的要求，在不良路面上行駛時(shí)，汽車各零部件必須 承受住較大的振動(dòng)和沖擊力。要滿足電氣環(huán)境要求，汽車電源波動(dòng)和瞬時(shí)過(guò)電壓等將形成較壞的電氣環(huán)境 [8]。 課題的提出與研究?jī)?nèi)容 隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車空調(diào)越來(lái)越受到汽車制造商的重視。汽車空調(diào)作為提高汽車乘坐舒適性的一種重要手段已被廣大汽車制造者及用戶認(rèn)可，完善的汽車空調(diào)系統(tǒng)可以對(duì)車內(nèi)空氣的溫度、濕度、清潔度、風(fēng)速、通風(fēng)等進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了乘坐舒適度，減少疲勞，為安全駕駛提供基本保證。以單片機(jī)為控制核心構(gòu)成的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)，其硬件簡(jiǎn)單，軟件豐富，性能優(yōu)良，運(yùn)行調(diào)試方便且成本低。要求如下： 了解汽車空調(diào)的基本工作原理 汽車空調(diào)車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)過(guò)程的分析 單片機(jī)及其它設(shè)備的選型，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 4 頁(yè) 共 42 頁(yè) 2 汽車空調(diào)系統(tǒng)工作原理 汽車空調(diào)系統(tǒng)基本工作原理 汽車空調(diào)制冷工作原理：從蒸發(fā)器流出的低壓、低溫的制冷劑蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，成為高壓、 氣體，然后進(jìn)入冷凝器。在汽車空調(diào)調(diào)節(jié)器中，均采用容積式壓縮機(jī)。經(jīng)壓縮機(jī) 排出的高溫制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器內(nèi)，與外部的冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱交換，其自身放出熱量，發(fā)生相變，最終成為液態(tài)制冷劑流出冷凝器。膨脹閥對(duì)制冷劑節(jié)流降壓，在降壓的同時(shí)使制冷劑降溫。制冷劑在流經(jīng)膨脹閥時(shí)一部分液體成為氣體。膨脹閥還起到控制制冷劑流量的作用，以保持冷凝器中制冷劑壓力高于蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑壓力。蒸發(fā)器是輸出冷量的設(shè)備。節(jié)流后的制冷劑液體流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)，吸收車室內(nèi)空氣的熱量，液體氣化吸熱，從而達(dá)到制冷的目的，獲得降溫的效果。制冷劑經(jīng)蒸發(fā)器后已變成低溫低壓氣態(tài)，再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷 [9]。 汽車空調(diào)的總成結(jié)構(gòu) 整個(gè)汽車空調(diào)控制系統(tǒng)可以通過(guò)六個(gè)受控裝置來(lái)控制，它們分別是內(nèi)外循環(huán)電磁閥、鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速電路、混合風(fēng)門(mén)電機(jī)、壓縮機(jī)電磁閥、暖水電磁閥和風(fēng)向風(fēng)門(mén)電機(jī) [10]。汽車空調(diào)系統(tǒng)總成是采用冷暖完全合一型，其風(fēng)道系統(tǒng)如圖 所示。 圖 全合一型汽車空調(diào)結(jié)構(gòu) 2 車內(nèi)進(jìn)風(fēng) 1 車外進(jìn)風(fēng) 3 內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門(mén) 4鼓風(fēng)機(jī) 5 混合風(fēng)門(mén) 6 制冷蒸發(fā)器 9 除霜風(fēng)口 10 下吹風(fēng)口 7 暖風(fēng)散熱器 11 前吹風(fēng)口 8 風(fēng)向風(fēng)門(mén) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 5 頁(yè) 共 42 頁(yè) 3 車室溫度模糊控制的研究 汽車空調(diào)的應(yīng)用隨著汽車工業(yè)和微電子技術(shù)的發(fā)展已越來(lái)越受到歡迎 , 以及人們對(duì)汽車空調(diào)設(shè)備和系統(tǒng)的性能要求也越來(lái)越高。一方面 , 要求汽車空調(diào)設(shè)備和系統(tǒng)有卓越的技術(shù)性能和控制性能 , 以滿足乘客對(duì) 車內(nèi)環(huán)境的要求 。 另一方面 , 由于汽車空調(diào)的性能增加，自身的消耗也逐步增加 , 因而 汽車空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果也尤為重要。為了達(dá)到這兩方面的要求，我們從模糊控制方面進(jìn)行研究。從人腦識(shí)別和判斷的特點(diǎn)中，發(fā)明了模糊控制 , 在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算 , 讓部分自然語(yǔ)言能夠代替算法語(yǔ)言直接用程序運(yùn)算。經(jīng)過(guò)這個(gè)程序的多次運(yùn)算 , 就可能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo) , 完成以前比較復(fù)雜的控制效果 [11]。 模糊控制理論基礎(chǔ) 汽車在某些情況下（例如，石油和天然氣的混合、缸內(nèi)燃燒等過(guò)程）的控制中想找到準(zhǔn)確的模型是很難的 , 就算找出模型 , 也應(yīng) 該會(huì)因模型過(guò)于復(fù)雜難以對(duì)其實(shí)施控制。在模糊控制運(yùn)行過(guò)程中 是 不需要預(yù)先知道精確數(shù)學(xué)模型。適于模糊運(yùn)算的模糊量轉(zhuǎn)化成由各種儀器測(cè)量出的精確量是在模糊控制過(guò)程中產(chǎn)生的 ,將運(yùn)算結(jié)果中的模糊量加以運(yùn)算并轉(zhuǎn)換為精確量是為了對(duì)各執(zhí)行器進(jìn)行具體的操作控制。模糊量和精確量之間相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程一直存在模糊控制中。例如控制車速的快與慢 ,客觀上車速是一個(gè)確定量 , 但人對(duì)車的速度判斷卻帶有模糊性質(zhì)。因此 , 一定要用模糊語(yǔ)言確定模糊控制規(guī)則 :例如： “車速略快”或“車速比較快”或“車速很快”或“車速很慢”或“車速較慢”或“車速比略慢”或 “車速適當(dāng)”等 ,“那么”應(yīng)怎么樣控制。常常要分成幾個(gè)等級(jí)來(lái)處理模糊控制問(wèn)題 , 即若干級(jí)的精確量范圍由模糊量轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)是處理相關(guān)問(wèn)題的方法之一。對(duì)車速是“快”還是“慢”的問(wèn)題， , 運(yùn)用模糊統(tǒng)計(jì)的方法得出車速“高”或“低”的程度是個(gè)模糊量 ,它是 根據(jù)不同人的感覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)以及不同的測(cè)試結(jié)果推理出來(lái)的。然后再求出其相對(duì)的函數(shù)和相對(duì)的函數(shù)曲線 , 根據(jù)相對(duì)的函數(shù)做出的模糊數(shù)學(xué)模型 來(lái) 實(shí)現(xiàn)模糊控制 [11]。在控制過(guò)程中條件語(yǔ)句經(jīng)常成組出現(xiàn) , 假如兩個(gè)傳感器信號(hào)分別由 A、 B表示 , 某控制變量要用 Y表示 ,則如下所示 : 條件 1: 若 A 小且 B 小 , 則 Y 小 。 條件 2: 若 A 小且 B 大 , 則 Y 大 。 條件 3: 若 A 大且 B 很大 , 則轉(zhuǎn)入語(yǔ)句 N (N 為另一控制過(guò)程 )。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 6 頁(yè) 共 42 頁(yè) 條件 4: 若 A 大且 B 大 , 則 Y 略微減小 。 這些條件語(yǔ)句組成了多套控制策略 , 如圖 。如果決策第一次落在目標(biāo)集合 S 上 , 觀測(cè)后第二次的決策輸出落在子集 G上 , 而 G在 S 內(nèi) , 并且兩個(gè)值比較接近 , 則稱結(jié)果相對(duì)上一次更精細(xì) ,為使控制自動(dòng)達(dá)到優(yōu)化的目的要重復(fù)此過(guò)程。 模糊控制器的分類 一般 說(shuō)來(lái) , 模糊控制器的功能模塊主要有 3個(gè)功能 : (1) 模糊推理：它由大前提、小前提和結(jié)論 3部分組成。大前提也是規(guī)則庫(kù)的一種，是由多個(gè)多維模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成的 。 小前提是由一個(gè)模糊的判斷句組成的事實(shí)。模糊變換推出新的模糊命題作為結(jié)論的過(guò)程以已知的規(guī)則庫(kù)和輸入變量為依據(jù)的，這種過(guò)程稱為模糊推理。 (2) 清晰化：用作控制的數(shù)字值由模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換來(lái)的過(guò)程稱之為清晰化。與傳統(tǒng)的控制相比 , 模糊控制具有以下的優(yōu)點(diǎn) : a 該系統(tǒng)適用于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制，適用于不易獲取精確數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象 ,。 b 模糊控制是語(yǔ)言變量的一種控制器 , 其控制規(guī)則的表達(dá)只能是語(yǔ)言變量 , 被控對(duì)象的模糊模型由語(yǔ)言變量構(gòu)成。系統(tǒng)模型用傳遞函數(shù)來(lái)描述的是經(jīng)典控制 ， 用狀態(tài)方程來(lái)描述的是現(xiàn)代控制。 觀察 1 觀察 2 模糊化運(yùn)算 1 決策控制 2 模糊化運(yùn)算 2 決策控制 1 S G 圖 模糊控制的多套控制策略示意圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 7 頁(yè) 共 42 頁(yè) (3) 模糊化 :相應(yīng)模糊語(yǔ)言變