模糊PID控制的电子节温器对油耗的影响

李军，武磊，隗寒冰，苏飚

模糊PID控制的电子节温器对油耗的影响

李军a，b，武磊a，隗寒冰a，b，苏飚a

(重庆交通大学a.机电与车辆工程学院;b.重庆市城市轨道交通车辆系统集成与控制重点实验室，重庆400074)

针对传统内燃机水温控制系统不能准确、快速、稳定地调节发动机水温的问题，在Simulink环境下设计了模糊控制器，建立了基于模糊比例-积分-微分(PID)控制的冷却水系统的仿真模型，对使用模糊PID控制的电子节温器与传统机械节温器进行油耗对比试验。仿真及试验结果显示:采用模糊PID控制系统比传统PID控制效果更佳，能减少水温的超调及系统调控的时间。使用模糊PID控制的电子节温器能提高发动机工作时的水温且能有效控制水温的波动，减少风扇开启时间。发动机水温升高能降低发动机的油耗，在新欧洲行驶循环(NEDC)工况下，其节油效率为0.7%;低速小负荷稳态工况下，其节油效率最高可达4.7%。

电子节温器;模糊PID;节油效率;发动机;水温

0 引言

发动机的冷却系统主要由冷却水套、风扇、水泵、散热器和节温器等构成。电子节温器是在机械节温器的基础上发展而来的，主要有电控旋转滑块式节温器、三通比例阀式节温器和电加热蜡式节温器3种。随着节能减排法规的日趋苛刻，电子节温器已成为低排放、低能耗冷却系统的发展需求。

文献［1－2］采用比例-积分(proportion-integral，PI)对电子节温器进行控制，试验结果表明:采用PI控制能使水温在目标温度下波动较小，但大负荷时水温波动较大。文献［3］采用无反馈负荷控制策略，部分负荷时节温器不加热，主阀门部分开启，全负荷时才根据传感器信号计算加载电压。文献［4］基于模糊比例-积分-微分(proportion-integral-differential，PID)控制使用三通阀代替节温器，并在Simulink环境下进行了仿真，减少了水温波动及系统调控的时间。文献［5］指出发动机水温升高具有一定的节油潜力，小负荷下水温从85℃升到105℃时，油耗可降低2%左右。

从安全性方面考虑，现在广泛使用的是由机械蜡式节温器升级而成的电加热蜡式节温器。但目前针对电子节温器控制方面的研究，主要采用的还是PID控制，几乎没有使用先进控制方法控制电子节温器的报道。针对中国越来越严格的排放及油耗法规的要求，从发动机冷却需求控制的灵敏性、可靠性以及发动机的动力性、经济性、环保等多方面考虑，选取一种较为合适的电子节温器控制策略显得越来越重要［6－7］。

1 电子节温器控制策略

1.1 控制逻辑

汽车发动机通过传感器采集的信号来判断发动机目前所处的工况，通过其工况可在电子控制单元(electronic control unit，ECU)内部计算出发动机的最佳工作温度，该温度为电子节温器控制的目标温度。目标温度的设定主要依据以下原则:当发动机处于低速小负荷时，设置较高的目标温度，提高低速低负荷时的工作温度，降低油耗与排放;当发动机处于高速大负荷时，设置较低的目标温度，使发动机处于较低的工作温度，减少爆震的发生，以提高发动机的性能，增大发动机的扭矩输出。

表1 电子节温器的基本参数

所使用的电子节温器的基本参数如表1所示，其控制逻辑如图1所示。当目标温度确定后，通过目标水温与目标负荷计算出电子节温器的初始占空比，同时以目标水温与发动机实际水温的差值作为输入，采用模糊PID控制对初始占空比信号进行修正。目标水温与实际水温的差值是反映发动机冷却需求的一个重要参数。当差值大于0时，表示此时无冷却需求，会输出一个负的占空比修正信号对初始占空比进行修正;当差值小于0时，表示此时有冷却需求，会输出一个正的占空比修正信号对初始占空比进行修正。通过对实际占空比的调节，控制冷却液流量，调整发动机运行温度。

1.2 模糊控制器设计

图1 电子节温器的控制逻辑

模糊PID控制的目的就是找出PID的3个参数(kp、ki、kd)与温差E和温差变化率Ec之间的模糊关系，在运行时实时输入E和Ec，根据所制定的模糊控制规则对3个参数进行实时调整，满足不同E和Ec时kp、ki、kd的不同要求。取输入(E和Ec)以及输出(kp、ki、kd)的模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，集合中元素的定义分别为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大［8－10］。

控制规则是模糊控制器的核心。根据经验推理，将大量成功的控制策略经整理、加工提炼后，用输入、输出变量的模糊状态加以描述，就得到了控制规则。

根据被控对象在控制过程中不同的温差E以及温差变化率Ec，制定的模糊控制规则为:

(Ⅰ)当温差E较大时，为了加快响应速度，可以取较大的kp;为了避免由于开始时偏差E的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可范围，kd取中等;为了防止水温出现较大的超调，产生积分饱和，通常去掉积分作用，即取ki=0。

(Ⅱ)当温差E和温差变化率Ec处于中等大小时，为使水温具有较小的超调，kp应取小一些;ki取值要适当;kd的取值对系统响应的影响较大，取值要适中，以保证系统响应速度。

(Ⅲ)当温差E基本恒定时，此时E较小，为使系统稳定性能较好，应该增加kp和ki，同时避免系统在设定值附近出现振荡现象，并考虑系统的抗干扰性能，kd的取值相当重要。一般Ec较小时，kd取大一些;Ec较大时，kd取小一些［11－14］。

根据以上要求建立了模糊控制规则，如表2所示。

表2 模糊控制规则

2 Simulink仿真

在Simulink环境下建立如图2所示的模糊PID控制仿真模型，利用模糊PID控制算法以及传递函数实现对发动机冷却水系统的仿真。设发动机目前水温为85℃，目标水温90℃，使用本文设计的模糊PID控制与传统PID控制进行仿真比较，仿真结果如图3所示。

图2 模糊PID控制仿真模型

由图3可知:使用模糊PID控制能有效降低水温的超调，采用传统PID控制时水温最高达到92.8℃，采用模糊PID控制后，调节过程中水温最高为91.4℃。使用传统PID控制，水温波动较大;采用模糊PID控制后，温度控制比较平稳，水温振幅较小。与传统PID控制相比，采用模糊PID控制后系统达到稳态的时间也由原来的170 s缩短到93 s。

3 试验及分析

图3 传统PID控制与模糊PID控制仿真结果

本文以某款轿车为试验对象，试验车1安装机械节温器，试验车2安装采用模糊PID控制的电子节温器，其余各状态均相同。分析稳态工况与新欧洲行驶循环(new European driving cycle，NEDC)工况下电子节温器对油耗的影响。

电子节温器对油耗的影响主要体现在两个方面:

(Ⅰ)由于机油黏度随温度的升高而降低，发动机在不同温度下运行的摩擦扭矩是不同的，发动机实际输出扭矩为:

其中:Mout为发动机飞轮端实际输出扭矩，即驾驶需求扭矩，N·m;Mcylinder为发动机燃烧扭矩，N·m;Mloss为发动机摩擦扭矩，N·m;Mload为负载扭矩，N·m。发动机运行水温为105℃时，其摩擦扭矩约为18.6 N·m;发动机运行水温为90℃时，其摩擦扭矩约为20.0 N·m。当Mout与Mload不变时，发动机水温越高，Mloss将越小，发出相同的Mout时所需的Mcylinder将减少，使燃油消耗量减小，油耗降低。

(Ⅱ)采用模糊PID控制后，实时调节电子节温器的占空比，减小水温的波动。当通过控制节温器开度能满足发动机冷却需求时，风扇不打开。当节温器全开时，发动机温度超过目标温度且温度呈上升趋势，仅靠冷却液流动已经无法满足发动机的冷却需求，此时将打开风扇，对散热器进行降温，降低冷却液温度，以保证发动机的冷却需求。两试验车在相同工况下均运行1 500 s，风扇开启情况如图4所示。图4中的纵坐标表示风扇运行的状态，1表示继电器吸合，风扇运行;0表示继电器不吸合。由图4可看出:使用机械节温器的风扇开启时间为412 s，使用模糊PID控制的电子节温器的风扇开启时间为240 s。采用模糊PID控制的电子节温器能有效缩短风扇开启的时间，间接降低油耗。

表3为稳态工况下的节油效率。由表3可知:使用模糊PID控制的电子节温器后，在不同的稳态工况下油耗均有所降低。当车辆处于低速小负荷时，电子节温器的节油效率最高达到4.7%。随着负荷与车速的增加，节油效率也在降低。

由于车辆运行时工况一直在变化，稳态试验无法充分说明电子节温器对油耗的影响，下面将在NEDC工况下对两试验车进行油耗试验。

图5是试验车1和试验车2在NEDC工况下水温变化曲线。从图5中可以看出:使用机械节温器可以将发动机的水温控制在90℃左右，使用模糊PID控制的电子节温器可以将发动机的水温控制在105℃附近。采用模糊PID控制的电子节温器后，随着发动机的运行，水温在目标水温附近的波动越来越小，说明通过模糊PID控制能有效调节发动机工作时的水温。

图4 不同节温器风扇开启情况

表3 稳态工况下的节油效率%

图5 NEDC工况下水温变化曲线

由图5还可看出:在前2个循环，两试验车水温一直上升，水温未达到目标水温，且试验车1的水温略高于试验车2。从第3个循环开始，试验车2的水温比试验车1的水温高，可见模糊PID控制电子节温器对油耗的影响主要体现在后面3个循环，所以本文主要对后面3个循环进行分析。

通过在NEDC工况下测量发动机的瞬时油耗，其市区循环3、市区循环4及市郊循环的瞬时油耗如表4和表5所示。表4和表5的试验结果表明:在加速、匀速及怠速下，使用模糊PID控制的电子节温器的试验车2的油耗，要比使用机械节温器的试验车1的油耗低。同时，在瞬态工况下，使用模糊PID控制的电子节温器后水温升高，也具有一定的节油能力。

表4 市区循环的瞬时油耗L/s

表6为NEDC工况下各循环油耗。在市区循环1和市区循环2中，由于试验车1运行时水温高于试验车2，所以试验车1的油耗在这两个循环比试验车2低。从市区循环3开始，试验车2的水温开始比试验车1高，此时试验车2的油耗要比试验车1低。在整个NEDC工况下，使用机械节温器的试验车1每行驶100 km油耗为9.95 L，使用模糊PID控制的电子节温器的试验车2每行驶100 km油耗为9.88 L，模糊PID控制的电子节温器节油效率约为0.7%。

表5 市郊循环的瞬时油耗L/s

表6 NEDC工况下各循环油耗L

4 结论

与传统PID控制相比，采用模糊PID控制的电子节温器能减少水温超调量，水温波动小，使系统更快地达到稳态，模糊PID控制比传统PID控制性能更好。通过使用模糊PID控制的电子节温器提高发动机工作时的水温以降低发动机油耗。在NEDC工况下，采用模糊PID控制的电子节温器的节油效率可达0.7%，而在低速小负荷时的稳态工况下节油效率最高可达4.7%。

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TK414.2

A

1672－6871(2017)05－0032－05

10.15926/j.cnki.issn1672－6871.2017.05.007

国家自然科学基金项目(51305472);重庆市自然科学基金重大项目(cstc2015zdcy－zdzx60010);重庆市工程技术中心基金项目(cstc2015yfpt_gcjsyjzx0110)

李军(1964－)，男，重庆人，教授，博士，主要研究方向为汽车发动机排放与控制、新能源汽车技术及应用.

2017－02－15