王文濤，賈志成，張 艷

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

基于PIC的汽車空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)

王文濤，賈志成，張 艷

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

對(duì)于汽車空調(diào)這類強(qiáng)非線性系統(tǒng)，普通線性控制策略難以滿足對(duì)控制效果的要求，智能控制策略更適合控制這類系統(tǒng)。簡(jiǎn)要介紹模糊控制原理，對(duì)其在汽車空調(diào)混合風(fēng)門的控制進(jìn)行詳細(xì)介紹，結(jié)果表明具有較高的控制精度，分別從硬件及軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行了闡述，對(duì)控制系統(tǒng)的控制單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用PIC單片機(jī)作為控制單元處理器，對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單等特性。

汽車空調(diào)；模糊控制；混合風(fēng)門；PIC

隨著汽車工業(yè)和智能控制的發(fā)展，汽車空調(diào)應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普及，而人們對(duì)車內(nèi)環(huán)境的要求也在逐步的提高。汽車空調(diào)的自動(dòng)化、智能化也越來(lái)越成為發(fā)展的一個(gè)方向，模糊控制在汽車空調(diào)中的應(yīng)用不僅增加乘客的舒適度，而且大大提高了空調(diào)的使用效率。

汽車空調(diào)一般包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、加熱閥、鼓風(fēng)機(jī)以及混合風(fēng)門等部件。智能控制就是要這幾大部件協(xié)調(diào)工作，達(dá)到溫度自動(dòng)智能控制的目的。其中混合風(fēng)門的開度決定汽車空調(diào)的控制的精度和系統(tǒng)的魯棒性。筆者就是利用模糊控制對(duì)其進(jìn)行了研究，硬件上選用了Microchip的PIC單片機(jī)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是引腳少、功能強(qiáng)、可直接驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載；具有低功耗工作方式，外圍配置簡(jiǎn)單提高了整機(jī)的可靠性；并且具有較強(qiáng)的抗干擾性，極大地調(diào)高了抵御外界的電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力。

1 模糊控制理論介紹

1.1 模糊理論簡(jiǎn)介

模糊系統(tǒng)理論是由美國(guó)自動(dòng)控制理論專家L.A.Zadeh于1965年創(chuàng)立的[1]。隨著模糊控制系統(tǒng)在工業(yè)界得成功應(yīng)用，越來(lái)越多的學(xué)者都對(duì)模糊系統(tǒng)及其理論進(jìn)行了廣泛的研究和應(yīng)用，使其在各個(gè)領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展。如今，因其簡(jiǎn)單而有效地控制功能，模糊控制（Fuzzy Control）已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)。模糊控制理論就是以人在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的思維方式為基礎(chǔ)，將操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)概括成一系列的條件語(yǔ)句，借助于計(jì)算機(jī)手段完成控制的方法。這種方法非常適用于這類非線性、時(shí)變、大時(shí)滯的復(fù)雜系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際需要以及精度要求選用雙輸入單輸出的控制其結(jié)構(gòu)。模糊控制最能反映出人們對(duì)事物的判斷與感受，能和人們的思維方式一樣推斷出事物的發(fā)展與規(guī)律，這就是模糊控制比其他控制使用廣泛的原因。一般說(shuō)來(lái)，模糊器有3個(gè)主要的功能模塊。將變量的實(shí)際變化范圍化分成若干等級(jí)，這些等級(jí)的全體成為變量的論域。

1.2 模糊化

將變量的實(shí)際變化范圍化分成若干等級(jí)，這些等級(jí)的全體成為變量的論域。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，即輸入變量個(gè)數(shù)越多，控制越精細(xì)。但維數(shù)過(guò)高，模糊控制規(guī)則變得過(guò)于復(fù)雜，控制算法實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難[2]。所以選擇溫度的偏差E和偏差變化率EC作為模糊器的輸入，輸出變量為控制量U，即混合風(fēng)門的開度，風(fēng)門開度越大，經(jīng)過(guò)加熱器的風(fēng)就越多，溫度就上升得越快。

模糊控制器的確定量輸入必須經(jīng)過(guò)模糊化[3]接口進(jìn)行模糊化，這樣轉(zhuǎn)化成模糊矢量，模糊化等級(jí)是可以設(shè)定。例如將[a，b]之間的連續(xù)量x可以經(jīng)過(guò)變化后就可轉(zhuǎn)化成模糊化等級(jí)，若連續(xù)變量x的值在[a，b]之間，可以由公式

就變?yōu)檫B續(xù)的變量y，且y的取值范圍在 [-m/2，m/2]之間，輸入輸出變量的狀態(tài)劃分為“正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大”7個(gè)檔次來(lái)描述，分別用英文字母PL，PM，PS，NO，PO，NS，NM，NL 表示之。

溫度設(shè)定值的范圍定為15℃到28℃，定義溫度偏差E的論域?yàn)閇-20，20]，溫度偏差變化率 EC的論域?yàn)閇-4，4]，風(fēng)門電機(jī)的輸出量U的論域?yàn)?[0%，100%]（0%表示最大制冷，100%表示最大采暖）。對(duì)E，EC和U的模糊狀態(tài)E，EC和U的整數(shù)論域分別定義如下：E和EC的論域?yàn)?{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4} ，U 的論域?yàn)?{-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5}。因此， 量化因子 Ke=4/20=0.2，Kc=4/4=l，Ku=l/10=0.1。 E和 EC的模糊集均為:{NB，NS，ZE，PS，PB}；U 的模糊集為:{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}。

隸屬度函數(shù)的建立有一定的原則，模糊控制過(guò)程對(duì)于語(yǔ)言變量值的隸屬度函數(shù)形狀并不敏感，只是對(duì)隸屬度數(shù)的范圍有一定的敏感，所以在控制中選用三角形或梯形的隸屬函數(shù)是較為合適的，有利于計(jì)算隸屬度。經(jīng)過(guò)分析本設(shè)計(jì)輸入和輸出的隸屬度均采用三角函數(shù)。

經(jīng)過(guò)以上的分析，通過(guò)MATLAB對(duì)其進(jìn)行仿真后得到模糊控制輸出曲面如圖1所示，由圖知，其輸出比較平滑，不會(huì)帶來(lái)風(fēng)門角度發(fā)生太大的變化從而導(dǎo)致車內(nèi)溫度的大起大落。

圖1 模糊控制輸出曲面Fig.1 Output surface of fuzzy control

1.3 模糊控制推理及控制規(guī)則

模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略，手動(dòng)控制過(guò)程一般是通過(guò)對(duì)被控對(duì)象的一些觀測(cè)，操作者再根據(jù)己有的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，進(jìn)行綜合分析并做出控制決策，調(diào)整加到被控對(duì)象的控制作用，從而使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)?？梢圆捎梦C(jī)完成這個(gè)任務(wù)，從而代替人的手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)所謂的模糊自動(dòng)控制。采用IF A and B then C為模糊控制規(guī)則，其中A為溫差E的模糊子集，B為溫差變化率EC的模糊子集，C為風(fēng)門開度增量U的模糊子集。根據(jù)車廂溫度變化的參數(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)及專家的知識(shí)理論總結(jié)出模糊控制規(guī)則表例如：

1.4 精確化

模糊控制器的推理結(jié)果是模糊量，由于模糊量是一個(gè)模糊子集，而實(shí)際被控對(duì)象所需的控制信號(hào)是精確值，所以模糊控制器的推理輸出是不能直接用作實(shí)際控制的，為了從推理結(jié)果中取得用于控制的精確量，需要對(duì)模糊推理結(jié)果進(jìn)行一定的處理。因?yàn)檎撚驗(yàn)殡x散的，模糊控制規(guī)則集可以表示為一個(gè)模糊矩陣R[4]

由模糊器輸入模糊矢量E′和EC′以及模糊矩陣R可求出輸出模糊矢量U′，

根據(jù)重心法原則對(duì)輸出模糊量進(jìn)行判決，式中μc是ui的隸屬度。在實(shí)際控制中u′往往要乘上比例因子Ku以后去控制輸出，即u=k×u′。利用以上原理計(jì)算得到的控制表[5]。

2 硬件設(shè)計(jì)

汽車空調(diào)的混合風(fēng)門的開度決定汽車空調(diào)內(nèi)部冷熱風(fēng)的混合比，采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)混合風(fēng)門的轉(zhuǎn)動(dòng)控制器選用Microchip公司推出的8位單片機(jī)PIC16F877A，其采用高性能的RISC CPU核心；采用了低功耗、高速CMOS Flash/EEPROM技術(shù)；支持中斷處理；引腳可吸入或提供電流高達(dá)25 mA；3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器可供使用；2個(gè)集捕捉、比較、脈寬調(diào)制功能于一身的CCP模塊等強(qiáng)大功能[6]。

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下:

1）溫度傳感器采用數(shù)字傳感器DS18B20，獨(dú)特的單線結(jié)構(gòu)，不需外部元件，不需備份電源，測(cè)量范圍廣，9位數(shù)字值方式讀取溫度，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口需要的A/D轉(zhuǎn)換電路及其復(fù)雜的外圍電路使得外圍測(cè)控電路特別簡(jiǎn)單，成本低、體積小、可靠性高[7]。

2）驅(qū)動(dòng)器采用TB6560HQ驅(qū)動(dòng)芯片制成的驅(qū)動(dòng)器，可以直接輸入PWM形式的脈沖，具有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止功能，通過(guò)軟件控制運(yùn)作形式即可控制空調(diào)功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)圖Fig.2 Designer of hardware circuit

軟件部分主要設(shè)計(jì)了模糊控制部分。其主要有系統(tǒng)溫度采集、模糊化、查表、精確化4部分。軟件部分首先判斷溫差是否在模糊控制的范圍之內(nèi)，如果大于最大的，就令其為最大的，相反如果小于最小的就令其為最小的；其次判斷溫差變化率，溫差變化率的判斷和溫差是相同的。判斷完成后，進(jìn)入查表，查表后輸出模糊控制量，對(duì)控制量進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖Fig.3 Designer of software

4 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)模糊理論在汽車空調(diào)混合風(fēng)門的控制作進(jìn)行詳細(xì)介紹，對(duì)汽車空調(diào)器的控制部分的硬件和軟件部分分別作了設(shè)計(jì)，具有較高的控制精度，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

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Development of automotive air conditioning controller DEMO based on PIC microcontroller unit

WANG Wen-tao， JIA Zhi-cheng， ZHANG Yan
（School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin300401，China）

Linear control method is not suitable for controlling the non-linear system such as car air-conditioning system，while intelligent control method such as the fuzzy control method will control the system finely.The Fuzzy control theory is introduced simplily.And the use of it on the control of automotive air conditioning airmixing damper is introduced in details，the method has higher precision，also discuss the design from not only hardware but also software.control unit of control system is designed and taking PIC singlechip as processor，and the fuzzy logic rules is designed.The system has excellent characteristics， such as the high reliability， the strong antijamming ability， the simple circuit and so on.

air conditioning； fuzzy control； airmixing damper； PIC

TP272

A

1674－6236（2011）24-0161-03

2011-10-11 稿件編號(hào)：201110044

王文濤（1983—），男，陜西渭南人，碩士。研究方向：智能控制、汽車電子。