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CN110529227A - 柴油机变流量冷却系统变海拔控制策略 - Google Patents

柴油机变流量冷却系统变海拔控制策略 Download PDF

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Abstract

一种柴油机变流量冷却系统变海拔控制策略，根据冷却系统中数据采集模块采集到的0m～5500m海拔范围内大气压力、大气温度、柴油机转速、柴油机负荷，变论域模糊控制器将冷却液温度偏差及其变化率信号转换为模拟信号至电动执行器，从而控制电动执行器实时控制柴油机冷却液总流量、大小循环流量和冷却空气流量，降低冷却系统寄生损失。该控制策略采用基于变论域模糊控制策略的变海拔变流量冷却系统集成控制，面对不同海拔不同工况，实现冷却水泵、节温器、冷却风扇的协同控制，合理控制柴油机冷却液总流量、大小循环流量和冷却空气流量。

Description

柴油机变流量冷却系统变海拔控制策略
技术领域
本发明涉及柴油机技术领域，特别是涉及一种柴油机变流量冷却系统变海拔控制策略。
背景技术
车辆、工程机械等动力装备在高原运行时，由于散热性能变差以及柴油机热负荷增大等导致柴油机出现冷却水易开锅、冷却系统冷却能力下降、机体易过热等问题，并将最终导致柴油机在高原地区持续作业能力和作业强度均存在不同程度的下降。这些问题可以归结为柴油机冷却系统与柴油机工作过程匹配性变差、高海拔冷却系统控制策略不成熟。
冷却系统部件包括节温器、冷却水泵、冷却风扇，柴油机机械式冷却系统冷却能力按照柴油机最大热负荷工况设计，由曲轴通过带传动直接驱动冷却系统部件(水泵、风扇)，该驱动方式使得水泵、风扇转速与柴油机转速耦合，面对不同海拔、不同工况的复杂工作环境，柴油机的散热需求不能得到满足。目前柴油机中应用较多的节温器为石蜡节温器，其具有响应延时和“滞回”的特性，且石蜡节温器的开度与冷却液温度之间并不是一一对应的关系，不能实现对冷却液大、小循环流量分配的精确控制。
随着内燃机强化程度的不断提高，其零部件的热负荷也随之增加，仅通过冷却水带走热量占燃料放热总量的20～30％，从内燃机循环热效率的角度出发，希望通过冷却系统的散热量要尽可能的少，但同时考虑到零部件热负荷与可靠性的限制，冷却系统的散热量又不能过少，这就要求尽可能优化内燃机冷却系统，减少传热损失，提高发动机热效率。
目前，针对柴油机冷却系统的改进主要围绕在冷却系统部件(如水泵、风扇、节温器)的单一控制方面，控制策略大都采用PID控制，但在高原特殊环境下，单一部件的优化控制不足以满足柴油机变海拔的散热需求，且控制精度得不到满足。
发明内容
针对高海拔工况下现有柴油机冷却系统存在的技术缺陷，本发明提供一种柴油机变流量冷却系统变海拔控制策略，该控制策略采用基于变论域模糊控制策略的变海拔变流量冷却系统集成控制，面对不同海拔不同工况，实现冷却水泵、节温器、冷却风扇的协同控制，合理控制柴油机冷却液总流量、大小循环流量和冷却空气流量。
如上构思，本发明的技术方案是：一种柴油机变流量冷却系统变海拔控制策略，其特征在于：根据冷却系统中数据采集模块采集到的0m～5500m海拔范围内大气压力、大气温度、柴油机转速、柴油机负荷，变论域模糊控制器将冷却液温度偏差及其变化率信号转换为模拟信号至电动执行器，从而控制电动执行器实时控制柴油机冷却液总流量、大小循环流量和冷却空气流量，降低冷却系统寄生损失。
上述变论域模糊控制器采用柴油机冷却液温度偏差e＝Te-Ted及其变化率作为输入，采用冷却风扇比例溢流阀开度增量、节温器开度增量以及冷却水泵转速增量u作为输出，偏差和偏差变化率论域变换的公式为E＝<kee+0.5>、EC＝<kecec+0.5>，其中“<>”表示向下取整运算，在基本论域规则不变的前提下，在基本论域中加入伸缩因子α(x)，即初始论域[-E,E]通过加入伸缩因子α(x)变化为[-α(x)E,α(x)E]，使论域随偏差变小而收缩，随偏差增大而扩张，从而提高控制精度，其中α(x)是偏差变量e的连续函数，在[0,E]上严格单调。
本发明读取当前海拔范围内的环境压力、温度和柴油机转速、负荷并通过冷却液温度标定MAP得到当前状态下最佳冷却液温度，根据比例溢流阀开度、冷却水泵转速和节温器开度标定MAP调节冷却流量，由反馈冷却液温度偏差及其变化率信号，变论域模糊控制器将电信号转换为模拟信号至执行器，实时调节冷却强度，达到冷却风扇、冷却水泵、节温器协同控制的目的，从而降低柴油机冷却系统寄生损失，实现0m～5500m海拔范围内变海拔(大气温度、大气压力)、变工况(负荷、转速)下柴油机冷却液总流量、大小循环流量和冷却空气流量的实时最优控制。
附图说明
图1是本发明的变论域模糊控制系统框图；
图2是本发明的变海拔变流量冷却控制系统图；
图3是本发明的冷却控制系统流程图。
附图2标记说明：1-液压油箱；2-液压油泵；3-比例溢流阀；4-变温度节温器；5-液压马达；6-变流量水泵；7、8-温度传感器；9、10、11-流量传感器；12-比例溢流阀开度执行器；13-变温度节温器开度执行器；14-变流量水泵转速执行器；15-电源。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种柴油机变流量冷却系统变海拔控制策略，应用变论域模糊控制技术，其中变论域模糊控制器的输入语言变量选择实际冷却液温度与目标温度的偏差e＝Te-Ted及其变化率输出量为冷却风扇比例溢流阀开度增量、节温器开度增量以及冷却水泵转速增量u。在基本模糊控制论域(初始论域)[-E,E]基础上，加入伸缩因子α(x)，初始论域[-E,E]通过伸缩因子α(x)变化为[-α(x)E,α(x)E]，使论域随偏差变小而收缩，随偏差增大而扩张，从而提高控制精度。不同海拔环境条件下，根据数据采集模块信号，查询冷却水泵转速、节温器开度及比例溢流阀开度MAP，控制冷却液流量和冷却空气流量，经变论域模糊控制器对输入信号的处理，实时调节冷却强度，使该冷却系统实现变海拔全工况自适应控制。
如图2所示：柴油机变海拔变流量冷却控制系统，由液压风扇比例溢流阀开度执行器12、变温度节温器执行器13、变流量水泵执行器14、冷却液温度传感器7、8、冷却液流量传感器9、10、11以及柴油机控制单元ECU组成。冷却水泵由电机驱动，冷却风扇由液压马达驱动，由ECU控制比例溢流阀3开度、变流量水泵6转速与变温度节温器4开度。所述冷却液温度传感器7、流量传感器11安装在柴油机出口与变温度节温器4之间的冷却液出口管路上，冷却液流量传感器9、10分别安装在变温度节温器4的两个出口处，所述冷却液温度传感器8安装在散热器出口的冷却液管路上；所述ECU控制单元的输入信号有：不同海拔大气压力、温度、密度、冷却液沸点等环境条件参数和冷却系统热力参数，以及柴油机转速、负荷等工况参数；ECU控制单元输出控制对象为液压风扇比例溢流阀开度执行器12、变温度节温器执行器13、变流量水泵执行器14。
本发明实现原理如下：
该柴油机变海拔变流量冷却系统控制策略，其特征在于，模糊控制器基本论域划分，设偏差信号的基本论域为[-e,e]，量化论域为离散集合{-n0,-n0+1,…,0,…n0-1,n0}，定义偏差量化因子为设偏差变化率的基本论域为[-ec,ec]，量化论域为离散集合{-n1,-n1+1,…,0,…n1-1,n1}，定义偏差量化因子为设模糊控制器输出的基本论域为[-u,u]，量化论域为离散集合{-n2,-n2+1,…,0,…n2-1,n2}，定义偏差量化因子为偏差和偏差变化率论域变换的公式为E＝<kee+0.5>、EC＝<kecec+0.5>，其中E和EC分别为量化论域上的偏差和偏差变化率，均为模糊量；“<>”表示向下取整运算，e、ec、n0、n1、n2根据实际变海拔变流冷却系统散热需求而定。
为语言变量选取关于E、EC、U的7个语言值：负大(PB)、负中(PM)、负小(PS)、零(ZE)、正小(NS)、正中(NM)、正大(NB)，其中大、中、小、零表示其偏离程度。在基本论域规则不变的前提下，基本论域中加入伸缩因子α(x)，即初始论域[-E,E]通过伸缩因子α(x)变化为[-α(x)E,α(x)E]，使论域随偏差变小而收缩，随偏差增大而扩张，从而提高控制精度，其中α(x)是偏差变量e的连续函数，在[0,E]上严格单调。
变论域模糊控制遵循一个基本原则：当偏差大或较大时，选择控制量以尽快消除偏差为主；当偏差较小时，选择控制量要注意防止超调，以保证系统的稳定性为主要出发点，基于该原则及专家经验得到以下变论域模糊控制规则表。
在变海拔变冷却流量实时控制中，控制单元ECU首先读取当前环境压力、温度和柴油机转速、负荷并通过冷却液温度标定MAP得到当前状态下最佳冷却液温度，根据比例溢流阀开度、冷却水泵转速和节温器开度标定MAP调节冷却流量，由反馈冷却液温度偏差及其变化率信号，变论域模糊控制器将电信号转换为模拟信号至执行器，实时调节冷却强度，具体控制流程如图3所示，达到冷却风扇、冷却水泵、节温器协同控制的目的，从而降低柴油机冷却系统寄生损失，实现在0～5500m变海拔环境条件下，柴油机冷却系统冷却强度的实时最优控制。

Claims (2)

1.一种柴油机变流量冷却系统变海拔控制策略，其特征在于：根据冷却系统中数据采集模块采集到的0m～5500m海拔范围内大气压力、大气温度、柴油机转速、柴油机负荷，变论域模糊控制器将冷却液温度偏差及其变化率信号转换为模拟信号至电动执行器，从而控制电动执行器实时控制柴油机冷却液总流量、大小循环流量和冷却空气流量，降低冷却系统寄生损失。
2.根据权利要求1所述的一种柴油机变流量冷却系统变海拔控制策略，其特征在于：上述变论域模糊控制器采用柴油机冷却液温度偏差e＝Te-Ted及其变化率作为输入，采用冷却风扇比例溢流阀开度增量、节温器开度增量以及冷却水泵转速增量u作为输出，偏差和偏差变化率论域变换的公式为E＝<kee+0.5>、EC＝<kecec+0.5>，其中“<>”表示向下取整运算，在基本论域规则不变的前提下，在基本论域中加入伸缩因子α(x)，即初始论域[-E,E]通过加入伸缩因子α(x)变化为[-α(x)E,α(x)E]，使论域随偏差变小而收缩，随偏差增大而扩张，从而提高控制精度，其中α(x)是偏差变量e的连续函数，在[0,E]上严格单调。
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