基于PID控制的新能源汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

賈立進(jìn)

摘 要：PID能被用于改善新能源汽車(chē)空調(diào)的控制性能，主要由比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)組成。但主要問(wèn)題是PID控制算法與新能源汽車(chē)空調(diào)基礎(chǔ)硬件不匹配。這里，我們報(bào)告一種基于PI控制的新能源汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)，其方案是對(duì)PID控制算法的變換與裁剪，并移植到新能源汽車(chē)空調(diào)硬件環(huán)境，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證基于PI控制的新能源汽車(chē)空調(diào)運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞：PID控制；變換；裁剪；移植；新能源汽車(chē)空調(diào)；驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào)：TK323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2019）01-0077-05

Abstract： PID control can be used to improve control performance of the new energy vehicle air conditioning， the essential components are proportion， integral and derivative. But the main problem is that the PID control algorithm does not match the basic hardware of the new energy vehicle air conditioning. Here， we report a new energy vehicle air conditioning control system based on PI control， the scheme is the transformation and cutting of the PID control algorithm and transplanted to the hardware environment of the new energy vehicle air conditioning. Finally， the operation effect of the new energy vehicle air conditioning based on PI control is verified through experiments.

Key Words： PID controltransformation； cutting； transplanted； new energy vehicle air conditioning； verify

前言

隨著國(guó)人生活水平的提高，對(duì)乘車(chē)環(huán)境有了更高要求，且隨著新能源汽車(chē)技術(shù)及市場(chǎng)的成長(zhǎng)，國(guó)人寄希望于新能源汽車(chē)，期待能有一個(gè)高端、舒適的乘車(chē)環(huán)境。

從外資、合資品牌汽車(chē)來(lái)看，配置高的汽車(chē)才配高端汽車(chē)空調(diào)，一般是基于PID算法來(lái)控制汽車(chē)空調(diào)。傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)一般由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，且由電磁離合器控制啟停；傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)制熱系統(tǒng)的熱源一般為燃油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液，因此，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行影響傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)運(yùn)行，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜的運(yùn)行工況將使得傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)的控制變得復(fù)雜，主要問(wèn)題是難以精確控制，雖然基于PID算法的傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)研發(fā)具有較大難度，但國(guó)際汽車(chē)主流廠(chǎng)商及國(guó)際頂級(jí)汽車(chē)空調(diào)零部件廠(chǎng)商都完全掌握傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)PID控制算法；新能源汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)一般由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，新能源汽車(chē)空調(diào)制熱系統(tǒng)的熱源一般為電加熱裝置，從對(duì)標(biāo)外資、合資品牌新能源汽車(chē)來(lái)看，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)基于PID算法的新能源汽車(chē)空調(diào)。

從國(guó)內(nèi)自主品牌汽車(chē)來(lái)看，雖然國(guó)內(nèi)取得一定的溫度控制技術(shù)研究成果[1-5]，但無(wú)論是傳統(tǒng)汽車(chē)，還是新能源電動(dòng)汽車(chē)，都沒(méi)有配高端汽車(chē)空調(diào)，國(guó)內(nèi)也沒(méi)有基于PID算法的汽車(chē)空調(diào)供應(yīng)商。

綜上，基于PID算法的新能源汽車(chē)空調(diào)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外都是空白，此課題技術(shù)值得研究。

從國(guó)外PID算法研究資源來(lái)看，國(guó)外有成熟的PID算法仿真工具，不僅僅實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)上運(yùn)行PID算法程序，而且能夠在硬件資源有限的嵌入式芯片上運(yùn)行PID算法程序。

從國(guó)內(nèi)PID算法研究資源來(lái)看，都是基于具有較強(qiáng)運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）平臺(tái)運(yùn)行PID算法程序，且是借助于PID算法仿真工具獲得仿真結(jié)果。通過(guò)研究PID算法文獻(xiàn)[7-12]和基于PID算法的汽車(chē)空調(diào)研究文獻(xiàn)[6]，發(fā)現(xiàn)一個(gè)共同點(diǎn)，論文中，都給出一個(gè)人類(lèi)數(shù)學(xué)思維的PID公式，然后給出基于PC機(jī)上運(yùn)行的PID算法仿真結(jié)果，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，至于PC機(jī)是怎樣處理PID算法公式，在文獻(xiàn)中都沒(méi)有描述。

綜合國(guó)內(nèi)外PID算法研究資源來(lái)看，國(guó)外對(duì)PID算法研究是非常透徹的；國(guó)內(nèi)對(duì)PID算法研究存在“斷層”，因?yàn)閲?guó)內(nèi)的研究人員借助于國(guó)外的PID算法商業(yè)仿真軟件工具取得仿真結(jié)果，而這些PID算法商業(yè)仿真軟件都具有技術(shù)壁壘，從人類(lèi)數(shù)學(xué)思維的PID公式到離散型PC機(jī)或嵌入式芯片所能識(shí)別、處理的PID算法公式，這個(gè)轉(zhuǎn)換、處理過(guò)程被隱藏起來(lái)，PID算法仿真工具的用戶(hù)無(wú)法接觸到這些內(nèi)在技術(shù)。這嚴(yán)重阻礙了PID算法研究成果在國(guó)內(nèi)的普及與推廣，遲滯了國(guó)內(nèi)PID算法研究成果的產(chǎn)業(yè)化。

綜上所述，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)要想有一個(gè)高端、舒適的乘車(chē)環(huán)境，必須配備高端算法的汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)，例如基于PID控制的汽車(chē)空調(diào)。以基于PID控制的汽車(chē)空調(diào)研究與探索為例，將面臨如下挑戰(zhàn)：

1、突破歐美PID算法仿真工具的技術(shù)壁壘，解決上述中的PID算法“斷層”問(wèn)題；

2、解決PID控制算法與新能源汽車(chē)空調(diào)硬件不匹配問(wèn)題，32位或64位PC機(jī)，RAM、ROM空間都是以G量級(jí)計(jì)，硬件平臺(tái)資源足夠支撐PID算法仿真工具運(yùn)行，但本文所述的汽車(chē)空調(diào)控制器，采用PIC16F914芯片，ROM空間為7Kbytes，SRAM空間為256bytes，EEPROM空間為256bytes，硬件資源非常有限，只能運(yùn)行精簡(jiǎn)版PID基本算法。

為了打通PID算法研究成果產(chǎn)業(yè)化最后一公里，本文基于比例（P）、積分（I）、微分（D）的原始定義，轉(zhuǎn)換PID公式，解決挑戰(zhàn)1；兼顧PID控制效果與嵌入式芯片有限資源的約束因素，對(duì)比例（P）、積分（I）、微分（D）環(huán)節(jié)進(jìn)行裁剪，基于PIC16F914芯片硬件平臺(tái)運(yùn)行PID算法程序，解決挑戰(zhàn)2。應(yīng)用描述如下。

新能源汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)一般由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以基于PID算法精確控制電機(jī)工作，進(jìn)而間接精確控制壓縮機(jī)工作；新能源汽車(chē)空調(diào)制熱系統(tǒng)的熱源一般為電加熱裝置，也可以基于PID算法精確控制電加熱裝置工作，汽車(chē)空調(diào)控制器中嵌入式芯片為8位PIC16F914單片機(jī)，資源非常有限，因此，本文基于比例（P）、積分（I）、微分（D）的原始定義，轉(zhuǎn)換PID公式，兼顧PID控制效果與嵌入式芯片有限資源的約束因素，對(duì)比例（P）、積分（I）、微分（D）環(huán)節(jié)進(jìn)行裁剪，使PID算法程序能在PIC16F914硬件平臺(tái)上運(yùn)行。汽車(chē)空調(diào)PID控制精準(zhǔn)度與響應(yīng)時(shí)間的要求都不高，在對(duì)比例（P）、積分（I）、微分（D）環(huán)節(jié)裁剪過(guò)程中，去除微分（D）環(huán)節(jié)，達(dá)到降低PIC16F914芯片運(yùn)算量的目的。最后，通過(guò)采樣基于PID算法的新能源汽車(chē)空調(diào)實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果顯示控制效果不錯(cuò)，可以應(yīng)用于批量化的汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)。

本文的其余部分安排如下：第二節(jié)給出PID算法公式及其轉(zhuǎn)換、裁剪過(guò)程，并給出新能源汽車(chē)空調(diào)PID控制模型；第三節(jié)給出第二節(jié)所述的基于PID控制算法的新能源汽車(chē)空調(diào)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，在本節(jié)，將詳細(xì)描述試驗(yàn)方法，并分析試驗(yàn)結(jié)果；最后，第四節(jié)給出主要結(jié)論，并為未來(lái)研究人員給出建議。

1 新能源汽車(chē)空調(diào)PID控制設(shè)計(jì)

新能源汽車(chē)空調(diào)PID控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集當(dāng)前溫度TC的溫度傳感器上電壓變化和輸入給被控對(duì)象工作電壓變化來(lái)驗(yàn)證新能源汽車(chē)空調(diào)PID控制效果。中泰PCI8325模擬數(shù)據(jù)采集卡采集溫度傳感器兩端的電壓，并將采集的電壓傳送至PC機(jī)，采集的電壓經(jīng)數(shù)據(jù)采集處理軟件處理，顯示在屏幕上，同時(shí)保存采集的電壓數(shù)據(jù)；同時(shí)，中泰PCI8325模擬數(shù)據(jù)采集卡采集被控對(duì)象的工作電壓（PWM），并將采集的電壓傳送至PC機(jī)，采集的電壓經(jīng)數(shù)據(jù)采集處理軟件處理，計(jì)算出PWM信號(hào)之占空比，顯示在屏幕上，同時(shí)保存占空比數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4：

圖3與圖4中，雖然對(duì)PID控制算法進(jìn)行裁剪，去除y0和微分項(xiàng)，在圖4中表現(xiàn)為占空比的階躍變化，使得占空比變化曲線(xiàn)不光滑，但它對(duì)新能源汽車(chē)空調(diào)PID控制效果的影響甚微，在圖3中表現(xiàn)為變化曲線(xiàn)仍然連續(xù)而光滑，且降低了新能源汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)算量。

3 結(jié)論

本文首先對(duì)PID控制方程進(jìn)行變換，使它能夠被計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)描述，再把變換后的PID控制方程應(yīng)用到具體案例中，此具體案例是基于PID控制算法的新能源汽車(chē)空調(diào)，根據(jù)新能源汽車(chē)空調(diào)的控制精度要求、時(shí)效性要求及嵌入式芯片有限資源的約束因素對(duì)PID控制算法進(jìn)行裁剪，裁剪并移植至新能源汽車(chē)空調(diào)基礎(chǔ)硬件平臺(tái)后，通過(guò)采樣新能源汽車(chē)空調(diào)實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明PI控制效果不錯(cuò)，可以應(yīng)用于批量化的新能源汽車(chē)空調(diào)。

本文工作實(shí)現(xiàn)了基于PID控制的新能源汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)，兼顧控制要求和新能源汽車(chē)空調(diào)基礎(chǔ)硬件限制因素，采用PI控制策略，取得良好的控制效果，如果持續(xù)進(jìn)行技術(shù)工程化研究與推廣，在不久的未來(lái)，它將成為量產(chǎn)化產(chǎn)品，被應(yīng)用到新能源電動(dòng)汽車(chē)中，取得實(shí)質(zhì)性經(jīng)濟(jì)效益。

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