汽车空调控制系统设计本科毕业论文

1、1绪论1.1 课题背景及意义随着汽车工业的快速发展和人们对生括质量要求的不断提高， 汽车 的普及率大大地 提高了，用户对当代汽车提出了操作简便、舒适性驾驶的要求。汽车空调作为 汽车的重 要功能部件之一， 已成为改善乘座舒适性的重要手段。 可以对车内空气的温度、 湿度、 清洁度、风速、通风等进行自动调节。汽车空调主要对驾乘空间的温度进行控制，个别 高档轿 车增加了对湿度的控制。不但可以调节汽车内的温度，并且可以随时对车内的有 害性气体含量 进行控制，预防中毒和有害气体对驾乘人员健康的影响。汽车行业竞争市 场的手段包括对空调 系统的改进。 国外主要的汽车公司纷纷给自己的高档汽车装上全自 动的空调系

2、统，而国内大 部分是将进口的空调系统装给自己的高档汽车，目前还没有具 有自主知识产权的汽车空调自动 控制器。总体来看，目前我国汽车空调系统的电子化程 度较低，大多数仍采用手动控制或简单 的位式控制1。手动控制一方面会出现车内温度不容易满足乘客所需的最佳条件， 不能满足舒适性 和节 能性的要求；另一方面容易分散驾驶员的注意力，降低行车的安全性。手动控制己 成为汽车空 调进一步发展的瓶颈问题。单片机技术在汽车空调控制系统领域的使用，提 高了汽车的档次， 同时也方便了用户的使用，增加了舒适度。汽车空调采用的大都是任 务单一、响应速度较慢的 普通单片机控制，在温度测量上是将温度值的模拟信号先采样再进行

3、 A AD D 转换。例如新一代的环保型汽车和其它低排放车辆，由于本身动力系统远 低于传统车辆，能够提给空调系统的动 力极为有限。综上可见拥有一套节能高效、性能 可靠的空调系统对开拓市场有着至关重要的作用1。本课题是对全合一空气混合型的汽车空调系统进行调研的基础上， 通过控制策略仿 真和 软硬件系统模拟试验的手段，对汽车空调智能控制方法进行研究，并设计出汽车空 调全自动控 制系统中的核心部分智能温控系统1.2 国内外发展状况国内汽车空调系统已发展多年 , ,但整体设计和制造水平低于国外。 8080 年代末 9090 年代 初， 国内汽车空调才开始发展。近年来随着管理信息系统的逐渐普及，国内厂家

4、开始尝 试将适合企 业发展的信息管理系统分批次的引进进来。例如引进的产品数据管理系统IPMIPM / / PDMPDM 勺上海德尔福汽车空调系统有限公司，并且用此系统对管理产品设计信息和 工艺信息进行统一的管理，形成技术先进的工程信息数据库，通过计算机网络与ERPERP 系统的管理信息数据库进行资源共享和有效的信息交换，最终使公司CIMSCIMS 的总体规划标准得以实现， 并将公司带入的信息化的时代。 但是，国内汽车空调发展时代晚， 存在差、 散、 乱、的3 3 种格局。国内汽车空调厂家的设计力量较差，技术水平落后。就国内主要 几家汽车 空调厂而言，仍处于仿制国外空调系统的阶段。虽然国内厂家也

5、引进了UGUG， CatiaCatia 等三维造型软件，但不能达到软件的最佳利用率，设计人员基本上对蒸发器、暖风 机和鼓风机没有全新 的认识及开发能力。我国汽车空调行业起步较晚，汽车空调主要依赖 CKDCKD 组装。随着汽车工业迅速发展，市场对高性能的汽车空调需求量日趋增长。由于 大多数企业技术水平不能满足生产 需求， 所以不少企业陆续从国外引进先进技术和成套 生产设备， 也有很多地方开始引进外资， 在汽车空调项目上进行合作2。随着国内汽车市场的飞速发展 , ,要积极推进汽车空调的国产化进程 , , 与国内各大高等 学 校进行合作 , , 鼓励国内设计人员独立进行研究 , ,以尽快掌握蒸发器、

6、鼓风机和暖风机的 全新开 发技术3。自从第一辆汽车由戴姆勒制造出以来，汽车的开发已有了110110 年的历史。由于当时简单的汽车设计，夏天热得汗流满面，冬天冻得手脚发木，给人们带来了诸多的不便。自从汽车加热装置和汽车空调设备研制出来后 , , 人们就可乘坐装有空调的汽车了。在美 国人们最早 享受到了这些设备，比如早在上世纪 3030 年，根据用户的要求就可以给汽车安 装加热装置。而 欧洲在 19501950 年才生产出第一辆安装加热装置的汽车。这台带有电子新鲜 空气送风机的加热装置是由贝洱公司作为附加装置提供的。从 19631963 年开始，德国的卡车 制造公司也在自己的货车 上安装了加热装置

7、和送风装置。19531953 年，美国把蒸发器安装在行李箱装，这是第一次作为空调系统进行生产，后来在仪表板内把蒸发器和通风管道结 合在一 起。在 3030多年的发展过历程中汽车空调也经历了众多改变。自从19711971 年加热装置 和空调装置集成一体的装置 （暖风器芯和蒸发器安装在同一壳体内并利用同一个温度分 配管道）首次 问世。 1981981 1年，第一台左右分开控制的空调出现，驾驶员和乘客均可根据自身对温度的感觉来调节气温。 19861986 年，研制出了左右分开控制的空调装置。19941994 年又 开发出了左右分开调控空气量的空调。如果仍然遵循温度单独调控原理，也可以把后排 与前排乘

8、客分开各自调控自 己需要的温度。 到现在为止，把第二个空调装置安装在后排， 可实现所说的这种四区空调装41.3 汽车空调的特点及其控制系统的难点与建筑内的空调相比， 汽车空调有着极大的区别。 首先，汽车在外界是不停移动的， 外 界环境气候多变，车外温度变化极大，以至于车外设计参数没有一个确定值。其次， 由于汽车 载客量大，人体产生热量多，车内空间小，因此要求汽车空调制冷能力强，汽 车乘员进入车内 的同时往往会打开空调，并且要求在很短的时间内就享受到空调效果； 而汽车在开启空调时车 内的温度过大，这几种因素导致汽车空调有着极大的工作负荷， 使车内温度能迅速满足乘客的 需求。因此，汽车空调机组的工

9、作负荷应该比建筑内的空 调大的多5。另外，汽车是高速行驶 的，与外界环境接触时间长， 而且车身隔热困难， 门窗所占汽车比例又大，车内温度变化频繁。如果汽车长时间暴露在太阳直射下（或风 雪下 ），进入车内的热负荷（或冷负荷 ）比一般室内的要大得多。夏天汽车在烈日下长时间 的 停放，一般车内温度会上升到 5050C以上。汽车所在的外界环境十分的恶劣， 这些环境因素往往又会造成汽车电子装置的性能 恶化， 甚至不能达到规定的工作效果， 出现某些故障。 因此与一般的空调控制系统相比， 汽车空调 控制系统也有其特殊要求7。首先，要承受住外界温度和湿度的考验。汽车外部的环境温度最高为 5050C,最低为-4

10、0-40C,但汽车内各零部件却有着各自不同的最佳工作温度。其次，要承受振动冲击环 境的要求，在不 良路面上行驶时，汽车各零部件必须承受住较大的振动和冲击力。要满 足电气环境要求，汽车 电源波动和瞬时过电压等将形成较坏的电气环境8。1.4 课题的提出与研究内容随着国内汽车行业的高速发展，汽车空调越来越受到汽车制 造商的重视。汽车空调 作为提高汽车乘坐舒适性的一种重要手段已被广大汽车制造者及用户认 可， 完善的汽车 空调系统可以对车内空气的温度、湿度、清洁度、风速、通风等进行自动调 节，提高了 乘坐舒适度，减少疲劳，为安全驾驶提供基本保证。以单片机为控制核心构成的汽 车空 调控制系统，其硬件简单，

11、软件丰富，性能优良，运行调试方便且成本低。要求如下：? ? 了解汽车空调的基本工作原理? ?汽车空调车内温度调节过程的分析? ? 单片机及其它设备的选型，系统硬件设计? ? 系统软件设计2汽车空调系统工作原理2.1汽车空调系统基本工作原理汽车空调制冷工作原理：从蒸发器流出的低压、低温的制冷剂蒸汽，经压缩机压缩后，成为高压、 气体，然后进入冷凝器。在汽车空调调节器中，均采用容积式压缩机v经压缩机排出的高温制冷剂气体进入冷凝器内，与外部的冷却介质进行热交换，其自身放出热量，发生相变，最终成为液态制冷剂流出冷凝器。膨胀阀对制冷剂节流降压，在降压的同时使制冷剂降温。制冷剂在流经膨胀阀时一部分液体成为气

12、体。膨胀阀还起到控制制冷剂流量的作用，以保持冷凝器中制冷剂压力高于蒸发器内制冷剂压力。蒸发器是输出冷量的设备。节流后的制冷剂液体流经蒸发器时，吸收车室内空气的热量，液体气化吸热，从而达到制冷的目的，获得降温的效果。制冷剂经蒸发器后已变成低温低压 气态，再经压缩机压缩，进入下一个循环，实现连 续制冷9。2.2 汽车空调的总成结构整个汽车空调控制系统可以通过六个受控装置来控制， 它们分别是内外循环电磁阀、鼓风机调速电路、混合风门电机、压缩机电磁阀、暖水电磁 阀和风向风门电机汽车空调系统总成是采用冷暖完全合一型，其风道系统如图2.12.1 所示10。9 除霜风口图 2.1全合一型汽车空调结构3车室温

13、度模糊控制的研究汽车空调的应用随着汽车工业和微电子技术的发展已越来越受到欢迎 , , 以及人们 对汽车 空调设备和系统的性能要求也越来越高。 一方面 , , 要求汽车空调设备和系统有卓 越的技术性 能和控制性能 , , 以满足乘客对车内环境的要求 ; ; 另一方面 , , 由于汽车空调 的性能增加，自 身的消耗也逐步增加 , , 因而汽车空调系统的节能效果也尤为重要。为了 达到这两方面的要求， 我们从模糊控制方面进行研究。从人脑识别和判断的特点中，发 明了模糊控制 , , 在计算机中 进行运算 , , 让部分自然语言能够代替算法语言直接用程序 运算。经过这个程序的多次运算 , , 就 可能达到

14、预期的目标 , , 完成以前比较复杂的控制效果11。3.1 模糊控制理论基础汽车在某些情况下（例如，石油和天然气的混合、缸内燃烧等过程）的控制中想找 到准 确的模型是很难的 , , 就算找出模型 , , 也应该会因模型过于复杂难以对其实施控制。 在模糊控制运行过程中是不需要预先知道精确数学模型。 适于模糊运算的模糊量转化成 由各种仪器测 量出的精确量是在模糊控制过程中产生的, , 将运算结果中的模糊量加以运 算并转换为精确量是为了对各执行器进行具体的操作控制。模糊量和精确量之间相互转 化的过程一直存在模糊控制中。例如控制车速的快与慢 , , 客观上车速是一个确定量 , , 但 人对车的速度判断

15、却带有模 糊性质。 因此 , , 一定要用模糊语言确定模糊控制规则 : : 例如： “车速略快”或“车速比较快” 或“车速很快”或“车速很慢”或“车速较慢”或“车 速比略慢”或“车速适当”等 , , “那 么”应怎么样控制。常常要分成几个等级来处理模 糊控制问题 , , 即若干级的精确量范围由模 糊量转换过来是处理相关问题的方法之一。对 车速是“快”还是“慢”的问题， , , 运用模糊 统计的方法得出车速“高”或“低”的程 度是个模糊量 , , 它是根据不同人的感觉、经验以及 不同的测试结果推理出来的。然后再 求出其相对的函数和相对的函数曲线 , , 根据相对的函数 做出的模糊数学模型来实现模

16、 糊控制11。在控制过程中条件语句经常成组出现,假如两个传感 器信号分别由 A A、B B 表示，某控制变量要用丫表示, ,则如下所示：条件 1:1:若 A A 小且 B B 小,则丫小；条件 2:2:若 A A 小且 B B 大，则丫大；条件 3:3:若 A A 大且 B B 很大，则转入语句 N N （N N 为另一控制过程）条件 4:4:若 A A 大且 B B 大，则丫略微减小；这些条件语句组成了多套控制策略，如图 3.13.1 所示。如果决策第一次落在目标集合 S S 上, , 观测后第二次的决策输出落在子集 G G 上, ,而 G G 在 S S 内,并且两个值比较接近，则称 结果相对上一 次更精细，为使控制自动达到优化的目的要重复此过程。图 3.1 模糊控制的多套控制策略示意图3.1.13.1.1 模糊控制器的分类一般说来，模糊控制器的功能模块主要有 3 3 个功能：(1)(1) 模糊推理：它由大前提、小前提和结论 3 3 部分组成。大前提也是规则库的一种，是由多个多维模糊条件语句构成的；小前提是由一个模糊的判断句组成的事实。模