于奔淼

摘要：文章对模糊PID控制的发动机冷却智能控制系统进行了论述。该系统采用模糊推理方法在线修正PID控制器的参数，通过PID控制策略实现冷却温度控制。文章给出了单片机核心和外围驱动电路原理图，完成了硬件系统和软件设计。

关键词：汽车发动机；冷却控制系统；模糊PID；单片机；PID控制器 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2016）28-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.010

1 概述

1.1 课题研究的背景

近些年来随着我国经济实力的壮大，人民生活水平的不断提升，人们对于汽车需求不断增加。但是相比掌握汽车制造业高技术和实际行业标准的发达国家，我国的制造水平还很低，这表现在基础制造和新颖设计两个方面。因此，本项目研制成功，将加强我国自主创新的研发能力，提升发动机的工作效率，改善发动机的动力，减少不必要的能源消耗，从而提升我国汽车产业的市场竞争力和在国际市场的竞争能力。

1.2 国内发展现状

汽车电动式冷却风扇的提出要追溯到20世纪80年代初，由美国专利文件提出，它将皮带驱动的冷却风扇改造成电动冷却风扇，这种发明可以使发动机根据工作温度变化来控制风扇的转速。最近几年，以单片机为核心对不同的输入信号进行分析，分别对大循环和小循环状态进行不同处理，发动机冷却智能控制系统中，采用多级联合智能控制系统将节温器、保温帘和冷却风扇进行联结。

2 PID与模糊控制理论基础

2.1 数字PID控制算法

现今PID控制器成为当前工业控制的主流，它以调整方便、简单、工作可靠、稳定性好受到广泛应用。为了达到发动机冷却系统对温度控制的要求，我们需要找到一个合适的控制算法。传统的PID控制器结构和参数设定简单方便，被大规模运用到工业控制中。PID控制中实际应用一个为PI，另一个为PD控制，其次為PID控制，PID控制系统的误差，控制量是利用比例、积分、微分计算进行控制的。PID模块的温度控制精度主要受P、I、D这三个参数影响，其中P代表比例、I代表积分、D代表微分。

2.2 模糊控制的基本理论

模糊控制是建立在人工经验基础之上的。设计者将熟练的操作人员的丰富实践经验收集起来，通过这些熟练经验采取合理精确的策略控制一个复杂系统。如果将这些熟练操作员的实践经验用计算机语言表达出来，总结出一种定性的、不精确的控制规则。如果用模糊数学将这种定性的，不精确的控制规则定量化就转化为模糊控制算法，形成模糊控制理论。

模糊控制器对噪声具有较强的抑制能力，而且对时滞、非线性和时变性具有一定的适应能力，并且无须建立精确的数学模型。采用模糊控制与PID控制相结合，不仅能够提升模糊控制精确度，同时还能弥补PID控制器需要精确控制对象的不足。

模糊PID控制是根据PID控制器的三个参数与偏差e和偏差的变化ec之间的模糊关系，在运行时不断检测e及ec，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的三个参数，让PID参数可自整定。

最终它还是一个PID控制器，但是因为参数可自动调整的缘故，所以也能解决不少一般的非线性问题，但是假如系统的非线性、不确定性很严重时，模糊PID的控制效果就会不理想。而且模糊PID控制的规则还是较复杂的，隶属度函数的选定也得靠经验。

优点就是可以自动调整PID的参数，对于一般的不确定系统可以使用。

3 发动机冷却系统硬件设计

3.1 硬件设计

本系统采用智能控制技术，首先温度传感器将采集到的发动机温度值经A/D转换器将采集来的温度模拟信号转化为数字信号，然后送入到微处理器中进行计算，模糊推理，PID运算后得出此温度时风扇需要的转速，输出PWM信号来控制直流电机的转速，从而达到调节发动机工作环境温度的目的。

3.2 软件设计

在本设计的软件设计中，实现了以单片机为核心和模糊PID为控制算法的控制策略，在设计中有采用程序，AD、DA转换程序，模糊PID控制算法，延时等程序。

在软件设计中，为了避免程序运行出现问题，将程序初始化，然后根据系统要求对定时器进行设置，在定时器程序中，编辑定时器的子函数，这个子函数包括温度采集命令，AD转换命令和最重要的模糊PID控制算法，最后系统将控制量进行DA转换输出信号来控制驱动环节。其中模糊PID算法的设计很重要，在模糊PID算法中，首先要定义E和EC的范围，根据模糊控制的规则将Kp、Ki、Kd模糊化，根据模糊规则对其进行模糊推理，最后转换为真实值作为PID控制参数的修正值，经PID算法算出控制量u。

4 结语

本课题围绕以AT89S51单片机为控制核心的冷却系统风扇的电子智能驱动设计展开，通过散热风扇的作用下来实现对冷却系统水温的自动调节，保证了汽车在预热、过热及正常运转情况下，有效地节约能源消耗。本课题从系统的硬件、软件进行设计，通过自制实验板对研究成果进行了有效论证。主要完成内容如下：

4.1 基于单片机的汽车发动机冷却系统的设计

4.1.1 ADC0809与单片机的接口简洁。在设计之初，考虑到温度采集速率不高和成本的问题，采用了ADC0809芯片与单片机直接相连的做法，不经过地址锁存器。这样至少可以节约地址锁存器和或非门两块芯片，只是软件在控制时序方面要复杂些。

4.1.2 程序调试摒弃以往直接在硬件平台上调试程序，而是先使用Proteus仿真软件进行仿真，再移植到硬件平台上调试，这样可以有效地提高系统的开发速度，节约成本，提高效率。

4.1.3 解决了硬件资源不足，产生PWM信号频率低，中断会给软件设计带来的种种困难，最终较好地实现了系统设计初的功能要求。

4.2 控制过程实现智能化

以温度传感器测得散热器内冷却水的温度，微控制系统根据温度数值进行PID运算，将计算结果转换为PWM信号输出，驱动散热风扇和冷却水泵，保证冷却系统水温处于适于发动机工作的温度。在控制策略上，采用模糊PID控制，可以实现比传统PID更好的控制效果和控制精度，解决了汽车发动运行过程的负荷的不确定性，从而难于精确控制问题。

由于时间及本人能力有限，只在实验室内完成了此功能，希望在以后的工作中，进一步完善系统的功能，同时还要进行工程的设计与实现。如果在国内各种车辆上采用这种智能控制装置，其经济效益和社会效益非常可观，具有很好的应用前景。

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（责任编辑：黄银芳）