汽车冷却系统

基于模糊控制的汽车发动机

冷却系统的论述

09自动化二班

黄璞（20091522147）

摘要

本文论述了冷却系统的作用、组成、主要构造、工作原理，同时论述了冷却系统系统化、模块化设计方法，以及模糊控制系统的简单介绍。1冷却系统的意义

如果一台发动机,冷却系统的维修率一直居高不下,往往会引起发动机其他构件损坏,特别是随着车辆行驶里程的增加,冷却系统的工作效率逐渐下降,对发动机的整体工作能力产生较大影响,冷却系统的重要性在于维护发动机常温下工作,尤如人体的皮肤汗腺,如果有一天,人体的汗腺不能正常工作,那么身体内的热量将无法散去,轻则产生中暑,重则休克。

2 冷却系统的作用

冷却系统的功用是带走引擎因燃烧所产生的热量，使引擎维持在正常的运转温度范围内。引擎依照冷却的方式可分为气冷式引擎及水冷式引擎，气冷式引擎是靠引擎带动风扇及车辆行驶时的气流来冷却引擎；水冷式引擎则是靠冷却水在引擎中循环来冷却引擎。不论采何种方式冷却，正常的冷却系统必须确保引擎在各样行驶环境都不致过热。本文主要是对水冷系统的分析，研究。

3冷却系统的组成

水冷却系统一般由散热器、节温器、水泵、水道、风扇等组成。如下图1所示。当发动机温度低的时候，冷却液就在发动机本身内部做小循环；当发动机温度高的时候，冷却液就在发动机—散热器之间做大

循环。实现冷却液做不同循环的控制部件是节温器。可以将节温器看作一个阀门，其原理是利用可随温度伸缩的材料（石蜡或乙醚之类的材料）做开关阀门，当水温高时材料膨胀顶开阀门，冷却液进行大循环，当水温低时材料收缩关闭阀门，冷却液小循环。

图 1. 四缸汽油机的冷却液循环示意图

4 控制系统的结构设计

该控制系统由传感器、电子控制器和执行器三部分组成。传感器为水温传感器，电子控制装置为控制电脑ECU(Electric Control Unit)，执行器为电子节温器、电风扇和电控百叶窗。当发动机在工作时，点火开关处于“ON”，水温传感器对发动机冷却系统的温度进行检测，检测到的水温信号经A，D转换后送入电脑ECU，ECU将送来温度信号进行分析计算，以判断此时发动机的冷却液温度是否偏高、偏低、还是适合，再根据计算结果输出控制指令控制电子节温器、电动百叶窗和冷却风扇工作，对发动机冷却系统冷却液温度进行适时控制和调节，

使发动机处于最佳温度状态下工作。

图2.汽车发动机冷却系统电控结构图

5 冷却系统的控制原理

当发动机预热时发动机水温(70℃)，单片机根据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控制信号，使其完成如下操作。

a.电控冷却风扇不工作；

b.电控导风板关闭状态；

c.电控节温器处于小循环状态。

由于导风板关闭，冷却风扇不工作，以至冷却空气不能进入散热器；同时节温器处于小循环(加热电阻丝通电)，发动机水温上升很快。当水温升至75℃，单片机根据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控制信号，使电控节温器的加热电阻丝断电(让其进入大循环控制状态)。当水温达到80℃时，单片机又发出指令，使电控导风板处于敞开状态。此时可充分利用汽车行驶迎面风对散热器的冷却作用，尽

量减少冷却风扇的工作时间。当水温高达95℃时，单片机经数据分析发出控制指令使电控冷却风扇工作，而让节温器仍处于大循环状态，导风板仍处于敞开状态。这时冷却系统的冷却能力最大，实现快速降温。当发动机水温降至89℃时，单片机根据采样数据分析处理发出控制指令，使执行元件完成以下操作。

a.电控冷却风扇不工作；

b.电控导风板处于敞开状态；

c.电控节温器处于大循环状态。

这样，直到发动机水温返升至95℃，电控冷却风扇又重新工作。

6 汽车发动机冷却系统控制模型—模糊控制.

汽车发动机的冷却液温度，受许多因素的影响，如发动机的负荷、汽车行驶速度、外界的气温、散热器结构形式、散热器的水流量和风扇的转速等。其关系可用结构图3.表示。这些影响因素大多是不断变化的，且与发动机冷却液温度呈非线性关系，因此发动机的水温变化与各因素间的关系很难用数学方程进行准确描述。况且通过测试，发动机的水温的升高和降低是一个缓慢变化和大滞后过程。因此对发动机冷却系统冷却液温度的控制，采用常规的PID控制，系统模型难以建立，且控制效果也不好。因此需要用到模糊控制。

图3. 发动机冷却液温度影响因素

由于模糊控制是一种智能控制，它是模仿人工控制活动中人脑的模糊概念和成功的控制策略，运用模糊数学，把人工控制策略用计算机实现；模糊控制不依赖系统的精确数学模型，因而对系统参数的变化不敏感，具有很强的鲁棒性。因此汽车发动机冷却系统如采用模仿人工控制活动中人脑的模糊概念和成功的控制策略，将达到令人满意的效果，故本控制系统的设计主要采用模糊控制理论进行控制。如下图：

图4.发动机冷却系模糊控制系统

在模糊控制系统中，给定温度值与系统反馈回的温度值的偏差和偏差

取微分后的偏差的变化率作为控制系统的两个输入量，输入模糊控制器，进而通过执行机构来控制发动机冷却系统的温度值。

7 模糊控制

模糊控制 (Fuzzy Control)是指模糊理论在技术上的应用，模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为基础；采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。其模糊控制系统如下图：

由于对于一个模糊控制器来说，输入和输出的都是精确的数值，非模糊量，而其内部却建立在语言型的模糊控制率上，由条件满足的程度推出模糊输出的大小。该推理过程采用模糊理论，称为模糊推理，为了进行模糊推理必须先将非模糊量转化成模糊值，此过程称为模糊化。由于模糊推理的输出是模糊值，还必须将模糊输出转化为非模糊集，该过程称为去模糊化。模糊控制器由模糊化、模糊推理、去模糊化三部分组成。这三部分共同建立在知识库的基础之上。

8 冷却水温控制的模糊控制器的设计

模糊控制器的设计就是依据控制问题，设计出适合于被控过程的控制器，使之能达到预定的目的。模糊控制器的设计主要包括以下几个方