基于飞思卡尔08系列单片机的汽车空调智能控制系统设计.pdf

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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。现在国产汽车的汽车空调控制器在智能控制和驾乘人员舒适度等方面,还落后于国际先进水平,有待进一步改进和完善。本文结合汽车车身控制,主要针对汽车空调的智能控制问题进行了一系列研究。首先设计了一套基于Simulink的汽车车内环境温度仿真系统,用以验证智能控制算法的性能。该系统综合考虑了车体围护结构传入热量、太阳辐射、人体散热、室外空气带入热量、发动机室传入热量、制冷系统与加热器带入热量以及干扰等诸多因素的影响,从而使得这套仿真系统尽可能接近真实情况。其次利用智能控制算法对车内的温度调节系统进行智能控制。通过模糊控制器、模糊PID控制器、BP神经网络以及改进的BP神;经网络等多种控制策略实现车内温度的控制,并进行综合的分析比较。在汽车车内环境温度仿真平台_上对上述几种智能控制算法进行仿真验证,对仿真结果进行分析比较,最后得出结合PID控制的模糊控制器和BP神经网络均是较好的控制策略。并结合车身控制设计出基于CAN总线的汽车空调控制系统的硬件平台,空调节点的控制器采用汽车电子领域主流的freescale08系列单片机,BCM车身控制模块采用32位的ARM9处理器,大大提高了系统的性能。软件设计上采用模块化的设计思想,特别是嵌入式操作系统的引入,增强了整套系统的实时性、可靠性和可扩展性。   从温度控制系统的发展来看,以单片机因“为核心构成的微型温度控制系统调节装管已被国内外许多公司和单位作为研究对象,客观存在的硬件简单,软件丰富,能方便地实现现代化控制规律和多种功能,性能优良,运行、调试都非常方便,且生产成本低,可加快生产设备的更新换代,已开始受到重视和欢迎。加之近年来,单片机的性能不断捉高,而价格却逐年降低,所以单片机温度控制装置将具有广阔的发展和运用前景。   随着对汽车性能要求的不断提高,嵌入式系统在汽车电子领或的应用逐渐引起重视。汽车SoC系统 是嵌入式技术在汽车电子上的高端应用,满足了现代汽车电控系统功能不断扩展、逻辑渐趋复杂、子系统问通信频率不断提高的要求,代表着汽车电子技术的发展趋势。汽车嵌入式SoC系统主要应用在混合动力总成、底盘综合控制、汽车定位导航、车辆状态记录与监控等领域。将嵌入式系统应用在BCM车身控制模块是一个必然趋势,以增强系统的可靠性和可扩展性。   由于人体舒适感的模糊性和汽车空调系统的复杂性,人们难以建立关于汽车空调自动控制的控制目标和控制对象的精确数学模型。现代控制理论以得到控制对象精确数学模型为必要条件,对于汽车空调这类具有较强非线性和大干扰的系统,现代控制理论有许多不能鮮决的问题。而诸如模糊控制回等的智能控制技术不需要控制对象的精确数学模型,且对岁数的变化具有很强的适应性,因此具有很大的优势,智能控制在汽车空调控制中具有广阔的发展空间。
摘要 THE DESIGN OF AUTOMOBILE AIR CONDITIONING CONTROL SYSTEM BASED ON CAN BUS AND INTELLIGENT CONTROI ABSTRACT Along with rapid development of the domestic automobile industry more and more attention has been paid to the automobile air-conditioning by automobile manufacturer. Now, the automobile air-conditioning controllers of domestic automobile are still falling behind the international advanced level in terms of intelligent control and motormen's and passengers comfort degree, which need to be further improved and perfected. In this article, combined with automobile body control, a series of studies had been done mainly for automobile air-conditioning s intelligent control. Firstly, a simulation system based on Simulink of environment temperature inside the automobile was designed in order to validate the performance of the algorithms, Many factors had been considered, such as heat transferred from envelope structure of the automobile body, sun radiation, body heat radiation, heat from outside air heat transferred from motor, heat from refrigeration system and heater disturbance and so on, which made this simulation system close to the real situation. Secondly, temperature regulating system of air-conditioning inside the automobile was controlled intelligently with the intelligent control algorithm. By many control strategies of Fuzzy controller, Fuzzy-PID 摘要 controller, BP Neural Net and improved BP Neural Net, the control on temperature inside the automobile was realized and comprehensive analysis and comparison had been done. On the simulation system, the above-mentioned intelligent control algorithm was validated, and the simulation results were analyzed and compared in order to find the best design scheme. And finally it came to a conclusion that both the fuzzy controller combined with pid controller and the bp neural net combined with PId controller were better control strategies. And the hardware platform of the automobile air-conditioning system based on can bus was designed combined with automobile body control. The air-conditioning node used freescale's 08 series singlechip in the field of automobile electronicS, and body control module used 32-bit ARM9 processor, which improved the performance of the system greatly. The design of software used modularization design concept, especially introducing the embedded system which enhanced the whole system s real-time performance, dependability and extensibility Keywords: automobile air-conditioning, temperature, fuzzy controller, PID controller, BP Neural Net, simulation system, Can bus, Body Control ovule 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年月日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 木学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被査阅和借阅。本人授 权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囗,在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密□。 (请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名: 指导教师签名 日期:年月日 日期:年月日 第一章绪论 第一章绪论 11国内外汽车空调的发展与现状 汽车空调是指对汽车车厢内的空气质量进行调节的装置。不管车外天气状况如 何变化,它都能把车内空气的温度、湿度、流速和洁净度等保持在驾乘人员慼觉舒 适的范围内1。 最早的汽车空调製置始于1927年,它仅由加热器、通风装置和空气过滤器三部 分组成,且只能对车内供暖。准确地讲,汽车空调的历史,应该从制冷技术应用在 汽车上开始。 20世纪30年代末期美国的几部公共汽车装上了应用制冷技术的冷气装置。直到 20世纪60年代,应用制冷技术的汽车空调才开始逐步普及起来。以后,人们对汽车 空调的兴趣逐年增加,汽车空调技术日趋完善,功能也越来越全面。它的发展大体 上可以分为以下几个阶段: (1)单一供暖空调装置阶段:始于1927年,由于地域性特点,目前在寒冷的 北欧、亚洲北部地区,汽车空调仍使用单一供热系统。 (2)单一供冷气空调装置阶段:始于1939年,美国帕克汽车公司率先在轿车 上装用机械制冷降温空调器。目前单一降温的汽车空调仍在热带、亚热带部分地区 应用。 (3)冷暖型汽车空调器阶段:始于1954年,原美国汽车公司(AMC)首先在轿 车上安装了冷暖型一体化空调器,这样汽车空调才真正具备了调温、除湿、通风 过滤、除霜等对空气的调节功能。该方式目前仍然大量地用在中低档车上,是目前 使用量最大的一种方式。 (4)自控汽车空调装置阶段:由于前述的冷暖型汽车空调需依靠人工调节,这 既增加了驾驶员的工作量,同时控制效果也不理想。通用汽车公司1964年率先在轿 第一章绪论 车上应用自控汽车空调。自控空调只需预先设定温度装置,便能自动地在设定的温 度范围内运行。装置根据传感器随时检测车内外温度,自动地调控装置各部件工作, 达到控制车内温度和行使其他功能的目的。目前,大部分中高级轿车、高级大客车 都配装白控空调。 (5)微机控制汽车空调阶段:自1977年美国通用汽车公司、日本五十铃汽车 公司同时将自行研制的徹杋控制汽车空调系统装在各自生产的轿车上,即预示着汽 车室调技术已发展到一个新阶段。微机控制的汽车空调具冇数字化显示,冷、暖、 通风调控三位一体和车内多点温度控制等特点。通过微机控制可以实现空调运行与 汽车运行的协调工作,极大地提髙了制冷效果,节约了燃料,从而提高了汽车的整 体性能和舒适程度。目前微机控制空调在高档轿车上得到广泛的应用。 上世纪90年代以,前我国的汽车产品主要以载货汽车为主,长期以来汽车空调 技术研究一直处于空白状态。我国的汽车空调发展经历了以下三个发展阶段。 第一阶段是从60年代初到70年代末,主要是利用汽车发动机排出的废气或冷 却循环水所产生的热量来供给汽车室内的采暖。 第二阶段是80年代初至1990年。80年代初期,我国从日本购进制冷降温用的 汽车空调系统装配在红旗、上海等小轿车和豪华大客车上:80年代中后期,我国第 汽车制造厂以及上海、北京、湖南、广州、佛山等分别从日本、德国引进先进的 空调生产线和空调技术,生产国产大中型客车、轻型车及轿车的空调系统。 第三阶段是从90年代开始到目前。国内已形成生产规模的汽车空调生产企业, 分别从国外引进了国际最先进的平行流式冷凝器和层叠式蒸发器的生产技术和生产 线,同时按《蒙特利尔议定书》和《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》的要 求,开始研究开发汽车空调制冷装置工质由氟利昂R12向R134a的转换。至此,我 国汽车空调技术在短吋间内缩小了与国外的差距。 随着微电子行业的发展以及人们对汽车舒适性需求的提高,人们已不再满足于 轿车空调仅能制冷供噯这一功能,而更看重其车厢内的热舒适性控制、仪表盘的美 观以及操纵的方便性,因此髙档的轿玍中通常都安装自动轿车空调,它们有精致的 液皛显示、触摸式的操纵按键和多点温度控制等功能。但目前针对乘员舒适性控制 第一章绪论 还远未达到人们的要求,因此对轿车空调系统的控制亟待完善和开发 对汽车空调系统进行优化控制,可以改善和提高其性能。由于微型计算机具有 结构紧凑、工作可靠、功能强大、响应快速和价格低廉等优点,特别适宜于作为汽 车计算机控制系统的控制器。计算机技术的发展也为汽车实现计算机控制提供了技 术支持和保证,汽车计算机控制己经成为汽车的一个主要发展方面。汽车实现计算 机控制可以改善和提高汽车的控制质量。 1.2车用智能控制的发展趋势 从温度控制系统的发展来看,以单片机为核心构成的微型温度控制系统调节裝 置己被国内外许多公司和单位作为研究对象,客观存在的硬件简单,软件丰富,能 方便地实现现代化控制规律和多种功能,性能优良,运行、调试都非常方便,且生. 产成本低,可加快生产设备的更新换代,己开始受到重视和欢迎。加之近年来,单 片机的性能不断提高,而价格却逐年降低,所以单片机温度控制装置将具有广阔的 发展和运用前景。 随着对汽车性能要求的不断提高,嵌入式系统在汽车电子领域的应用逐渐引走 重视。汽车SoC系统是嵌入式技术在汽车电子上的高端应用,满足了现代汽车电控 系统功能不断扩展、逻辑渐趋复杂、子系统间通信频率不断提高的要求,代表着汽车 电子技术的发展趋势。汽车嵌入式SoC系统主要应用在混合动力总成、底盘综合控 制、汽车定位导航、车辆状态记录与监控等领域。将嵌入式系统应用在BCM车身控 制模块是一个必然趋势,以增强系统的可靠性和可扩展性。 由于人体舒适感的模糊性和汽车空调系统的复杂性,人们难以建立关于汽车空 调自动控制的控制日标和控制对象的精确数学模型。现代控制理论以得到控制对象 精确数学模型为必要条件,对于汽车空调这类具有较强非线性和大干扰的系统,现 代控制理论有许多不能解决的问题。而诸如模糊控制等的智能控制技术不需要控制 对象的精确数学模型,且对参数的变化具有很强的适应性,因此具有很大的优势, 智能控制在汽车空调控制中具有广阔的发展空间。 第一章绪论 13研究项目开展的意义 首先,满足人们日益増长的舒适性的需求:上海市曾做了个意向调查,据统计, 约有45%以上的有购车欲望的人希望购买20至25万元左右的汽车,由此可发现, 人们对汽车的要求已不再是简单的代步工具,而是一种享受,体现了人们对舒适性 的追求。空调是最能体现汽车舒适性的装置之一。汽车空调能在任何气候和行驶条 件下,改善驾驶员的工作劳动条件和提高乘员的舒适性。现代化的汽车空调就是能 将车室内空间的环境调整到对人体最适宜的状态,创造良好的劳动条件和工作环境, 以提高司机的劳动生产率和行车安全,创造良好的车内环境,保护乘员的身体健康 由于汽车空调的调节对象是车内的人,故偏重于舒适性的要求。虽然,从第一台汽 车空调发明至今已有几十年的历史,但由于汽车空调控制系统时变、非线性、大干 扰,因此在舒适性上还跟不上人们的需求。就国外来说,仍在不断为提高汽车空调 的舒适性做大量的研究。虽然目前国外汽车空调控制技术领先于我们,但在汽车空 调的智能控制技术上,国外也还处于研究状态。 其次,是市场激烈竞争的必然产物。自1886年汽车发明后一百多年来,汽车工 业经过汽车技术,生产方式的儿次大飞跃,己成为人类文明的基本要素和国民经济 的支柱产业。当今世界,汽车工业的迅速发展和汽车保有量的高速增长,极大程度 上为人类活动提供了方便。由于汽车业固有的特点和科学技术的不断进步,汽车工 业出现了技术集约化、生产集中化、市场国际化、组织集团化的趋势。全球市场竞 争空前溦烈,而市场竞争的实质就是汽车技术的竞争。汽车空调技术是提髙汽车市 场竞争的重要手段。而优化汽车空调控制系统是提高汽车空调技术含量的重要保障。 日前,汽车空调不仅作为改善工作条件、提高汽车效率、提高汽车安全性的重要手 段,更重要的是提高汽车等级、提高市场竞争力 再次,是我国汽车工业发展的要求。由于我国汽车行业起步较晚,汽车空调控 制还停留在国外六、七十年代的水平,系统大多采用简单的温度控制,如桑塔纳、 桑2000型、捷达、夏利、奥拓等空调系统使用继电器控制,人机界面则还是由拔杆、 手动阀门、旋钮等机械装置组成。自主开发的计算机空调控制系统是空白,为项目

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