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(fēng)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(fēng)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(xué)建模實(shí)現(xiàn)自動控制。針對目前文獻(xiàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)和定制，具有較強(qiáng)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(yàn)，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(qiáng)度、蒸發(fā)器溫度進(jìn)行特定的計(jì)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(fēng)門、溫度風(fēng)門、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速、內(nèi)外循環(huán)的控制，從而達(dá)到控制車內(nèi)溫度的需求[2]。目前國內(nèi)學(xué)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(shí)現(xiàn)在線調(diào)整PID參數(shù)，一定程度上增強(qiáng)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(shí)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(yàn)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(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定。吳寶志等[8]利用 BP網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)擬合能力，從乘客實(shí)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(fù)荷表征量TAO（Target Output，目標(biāo)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(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)出風(fēng)口溫度、風(fēng)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(diǎn)精確，通過遲滯環(huán)和開關(guān)量等局部邏輯，可實(shí)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(fēng)門類控制電機(jī)單元和鼓風(fēng)機(jī)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(fēng)門類控制電機(jī)多為內(nèi)含電位測量回路，鼓風(fēng)機(jī)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(biāo)應(yīng)滿足3個條件：

1）和溫度調(diào)節(jié)、風(fēng)量大小及出風(fēng)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(zhǔn)確測量與標(biāo)定。

從用戶角度考慮，臉部能最直觀反應(yīng)出風(fēng)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(zhǔn)確的控制點(diǎn)。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(yàn)驗(yàn)證，提出以目標(biāo)吹出溫度（以下簡稱為TAO）作為基本控制因子。

2.1 目標(biāo)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(fù)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(biāo)吹出溫度計(jì)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(xiàng)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(biāo)定

為了滿足自動空調(diào)的控制準(zhǔn)確性，對目標(biāo)吹出溫度公式中的各參數(shù)標(biāo)定提出了較高的要求。首先須保證試驗(yàn)結(jié)果滿足人體舒適性指標(biāo)，通過人為調(diào)整，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為期望目標(biāo)[12]，為后續(xù)標(biāo)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(fēng)門比例掃描數(shù)據(jù)和陽光強(qiáng)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(yàn)室中進(jìn)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(diǎn)處k型熱電偶連接如圖2所示。

目前比較常用的參數(shù)標(biāo)定方法為間接計(jì)算、回歸分析。其中間接計(jì)算是根據(jù)所需標(biāo)定的參數(shù)，將前述試驗(yàn)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(jì)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(biāo)吹出溫度的記錄示意，說明Kr、Ksun、Kam的計(jì)算思路，同理其他系數(shù)的計(jì)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(diǎn)計(jì)算求均值，可實(shí)現(xiàn)較高準(zhǔn)確性的參數(shù)標(biāo)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(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合?，F(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(jì)算效率，一般需要對非線性函數(shù)進(jìn)行查表化處理[13-14]，并且盡量將浮點(diǎn)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(kuò)展，但均是在基本功能上進(jìn)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(fēng)量控制、出風(fēng)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(jìn)入空氣的冷卻、加熱功能，吹出溫度的主要控制機(jī)制是通過調(diào)節(jié)空氣混合風(fēng)門開度改變冷熱空氣的混合比，實(shí)現(xiàn)對吹出空氣溫度的控制，其中混合風(fēng)門的開度也是通過TAO，發(fā)動機(jī)冷卻液溫度(Th)，及蒸發(fā)器溫度(Te)實(shí)時計(jì)算得出。

出風(fēng)溫度介于低溫側(cè)蒸發(fā)器溫度和高溫側(cè)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度之間，當(dāng)為最大冷卻時，空氣混合控制門開度設(shè)定在0%，當(dāng)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(fēng)門開度（AMD）和出風(fēng)溫度上下限進(jìn)行線性擬合如下：

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

圖4 混合風(fēng)門開度控制示意

3.2 風(fēng)量計(jì)算

從吹出溫度控制原理可知，目標(biāo)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(jī)冷卻液的溫度，并且當(dāng)所需吹出溫度超過一定范圍后，系統(tǒng)所需制冷/采暖負(fù)荷增大，則需要增加風(fēng)量的支持。除了基于目標(biāo)吹出溫度的基本風(fēng)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(bǔ)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(jī)廠按照整車配置與性能評價制定。電子控制單元計(jì)算出最佳風(fēng)量并將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)信號輸送到鼓風(fēng)機(jī)回路，這里整個過程如圖5所示(圖中VF指鼓風(fēng)機(jī)電壓，這里以電壓控制為例)。

1） 根據(jù)TAO的VF計(jì)算值

由于除霜模式下對風(fēng)量的要求是強(qiáng)制性的，故除霜模式需單獨(dú)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(fēng)量進(jìn)行采暖/制冷補(bǔ)償。但采暖/制冷能力還需考慮實(shí)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(jī)工況，不能簡單認(rèn)為隨風(fēng)量大小線性增長，需要單獨(dú)標(biāo)定，圖6所示為一典型控制曲線。

圖5 風(fēng)量計(jì)算流程

圖6 風(fēng)量控制曲線(基于TAO)

2） 日照強(qiáng)度影響的修正計(jì)算

當(dāng)實(shí)際出風(fēng)模式為VENT或B/L時，為了抑制光照對人體感官的惡化，鼓風(fēng)機(jī)的最小風(fēng)量需要補(bǔ)償，光照強(qiáng)烈時鼓風(fēng)機(jī)速度就提高。圖7為計(jì)算日照補(bǔ)正電壓值VFsun，以適當(dāng)提高最小風(fēng)量。

圖7 日照強(qiáng)度影響的修正計(jì)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?fàn)顟B(tài)啟動AC時，出風(fēng)口模式為VENT或B/L，則容易吹出熱風(fēng)，導(dǎo)致不適感；為此應(yīng)該保證風(fēng)在蒸發(fā)器冷到足夠程度時才吹出。通常進(jìn)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(fēng)電機(jī)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(fēng)機(jī)在低速運(yùn)行2 s，之后以0.5 V/s上升至鼓風(fēng)機(jī)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(jī)水溫補(bǔ)正

在冬季，當(dāng)發(fā)動機(jī)剛剛啟動后，發(fā)動機(jī)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(fēng)機(jī)送氣，將會吹出冷風(fēng)，因此根據(jù)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度的增加，風(fēng)量首先從零開始，并逐漸增加，避免任何不適的感覺。通常，當(dāng)天氣較冷，出風(fēng)模式位于HEAT或H/D時，鼓風(fēng)電機(jī)關(guān)閉，隨著冷卻液溫度（由水溫傳感器檢測）的升高，風(fēng)量也逐漸增加，具體控制過程如下。

a)判斷出風(fēng)模式是否為HEAT或H/D；

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

3.3 出風(fēng)模式控制

出風(fēng)模式的自動切換主要根據(jù)需要的出風(fēng)口溫度計(jì)算并控制。當(dāng)TAO判斷為冷卻乘員艙時，出風(fēng)口模式切換到VENT，對中間環(huán)境，切換到B/L，當(dāng)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(shí)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(fēng)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(fēng)口溫度TAO計(jì)算風(fēng)門目標(biāo)開度，從而進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。通常情況下進(jìn)氣為外氣模式，即吸入新鮮空氣，但當(dāng)乘客有較強(qiáng)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(shí)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(yàn)證。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(fù)荷性能實(shí)驗(yàn)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(diǎn)值均滿足要求。

表1 試驗(yàn)條件

圖11 自動控制-外溫負(fù)荷性能實(shí)驗(yàn)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(xì)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(fēng)量計(jì)算、出風(fēng)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(yàn)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(shí)現(xiàn)，可對于不同車型進(jìn)行標(biāo)定和定制，有很強(qiáng)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(jì)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。