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1、0引言 人类掌握制冷技术总共120多年时间,但第一台汽车空调装置到1927年才出现。当时的汽车空调的内容仅是具备加热器及空气经过过滤的通风系统。直到1940年才由英国帕卡德汽车公司第一次提供了通过制冷方式使车内空气凉爽的方法。 第二次世界大战后,汽车空调开始了实质性的发展。直到如今,汽车空调作为提高汽车乘车舒适性的一种重要手段已被广大汽车制作者及用户认可,人们越来越认识到汽车装有空调的好处。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,并使车内空气以一定速度和方向,保证在各种外界气候和条件下使乘员都能处于一个舒适的空气环境之中,提高了乘坐的舒适性,使司机能保持
2、头脑清醒,提高工作效率,减少疲劳和车祸的发生,驾驶员保持清晰的视野,为安全驾驶提供基本保证。 1988年,美国生产的汽车有90.3%装备了空调系统,到1993年,上升到94%.我国在这方面起步较晚,从60年代初,才开始在红旗轿车上安装空调。但近年来发展速度很快,国内轿车上80%装有空调系统,在工程车、旅游车及城市公交车上也开始大量安装空调系统。 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,汽车计算机控制已成为汽车的一
3、个主要发展方面。 1 概述1.1 国内外汽车空调技术的发展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。最早的汽车空调装置始于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车上开始。20世界30年代末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。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
4、。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产生的热量来供给车室内采暖用。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，我国第一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
5、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时间内缩小了与国外的差距。随着为电子行业的发展以及人们对汽车舒适性要求的提高，人们已不再满足于轿车空调仅能制冷供暖这一功能，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，因此高档的轿车中通常都安装自动空调，它们有精致的液晶显示、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。国外一些大汽车公司的轿车空调代表了这方面最先进的水平。通用汽车公司某型轿车车身计算机控制模块（BCM）控制的空调系统是较典型的自动空调系
6、统。该模块监视高压管路、低压管路的温度以及蓄压罐的压力、发动机冷却水温度等信号，如果系统不在设定的范围内工作，BCM将压缩机离合器脱离。该系统用一个双向电动机调节混合风门开度，并用5个操纵机构分别控制各个模式风门和加热器热水阀，还用功率模块控制鼓风机的转速，根据驾驶员输入的温度、车室内外温度及制冷剂低压管路温度，BCM计算出气流分送模式、鼓风机转速及混合风门开度，然后进行相应的控制，而克莱斯勒公司的某些轿车空调还以占空比的方式对压缩机离合器进行控制。日本丰田某型轿车自动空调监测车内外温度、蒸发器温度、冷却水水箱温度以及阳光辐射强度、压缩机转速等参量。通过控制压缩机磁吸、风机转速和温度混合风门、
7、新风风门和模式风门的伺服电机，进行车内温度调节。自动功能下该空调ECU（电子控制单元）首先计算送风温度，并根据送风温度控制风机转速、混合风门开度、压缩机起停及送风模式。比较而言，国内的轿车空调控制要稍逊一些。广州标致轿车空调的电子控制系统根据车内温度、环境温度、蒸发器温度、送风温度及人为设定值，通过控制风机转速、压缩机离合器开合及热水阀大小来进行温度调节。奥迪轿车的空调系统模式风门是手控的，鼓风机转速继电器控制，压缩机离合根据蒸发器温度控制。奥拓轿车空调就更为简单，没有用于舒适性控制的传感器，依靠驾驶员人为调节室内温度。汽车空调系统热负荷比较复杂，而且变化较大。有人认为光线的射入角会对热负荷影
8、响很大，而对此制定了一套相适应的控制策略。着重研究如何通过计算机确定送风量、送风温度和工作模式。因为空调的影响，轿车室内温度的分布是很不均匀的，并且均匀分布的温度场也会由于人的舒适感不同而产生舒适性差异，对此有人研究针对前排、后排车座的双蒸发器运行情况，并进行相应的控制。还有人针对司机和乘客的个体舒适性用不同出口进行控制。轿车空调的运行工况变化剧烈，有无日照、有无新风情况下蒸发器的热负荷有很大不同，特别是在车速发生变化时对空调的影响更大。车速变化使空调系统冷凝器迎风风速发生变化，从而冷凝压力及过冷度都发生变化，此时空调将脱离原设计工况，要得到一个稳定的运行，必须施以相应的控制。用PID控制器对
9、轿车空调运行进行控制，该控制器的执行机构为电子膨胀阀和压缩机，根据蒸发器进出口温度之差用PID控制器对电子膨胀阀的开度进行控制，与热力膨胀阀控制比较，能取得较好的效果。另外，通过调节压缩机转速和电子膨胀阀开度也可以控制轿车空调的运行，针对蒸发器过热度和蒸发温度的控制即可以控制电子膨胀阀和压缩机转速来得到，Hatton等人做了这样双输入、双输出的研究工作，并对输入的参量进行解藕，同时加入预补偿器，提高了系统响应速度。汽车空调系统具有较强的非线性特性，有人用模糊控制方法对轿车空调运行进行实时控制，以车室内温度与设定值之差e和偏差变化率作为输入，在车速变化的工况下经模糊控制器控制压缩机运行占空比和蒸
10、发器风机风量，取得较好的控制效果。此外Leighton等人应用模糊控制策略对蒸发器风量、温度混合风门开度进行控制，也达到舒适性要求。1.2 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装置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功能，性能优良，运行调试都很方便。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。1.3汽车空调的特点及其控制系统的难点与一般空调相比，汽车空调具有其特殊行。
11、由于汽车是移动的物体，外界气候条件变化大，车外热负荷变化大，以至于难以确定标准的车外设计参数。其次，由于汽车室内乘员密度大，人体热量大，要求的制冷能力大，汽车开启空调与乘员进入车内往往是同一时刻，乘客要求一进入车内，在很短的时间内就享受到空调效果,而汽车车身在开空调之前的蓄热量（或蓄冷量）是很大的。这几种因素导致汽车空调所要求的负荷大，要求降温（或升温）迅速。因此，汽车空调机组的制冷（或采暖）能力应该比房间空调大的多。另外，汽车是最高速移动的物体，与外界对流热交换量大，而且车身隔热困难，玻璃窗所占面积又大，车室内得热量（或失热量）大。如果汽车长时间直接暴露在太阳下（或寒冷下），进入车室的热负荷
12、（或冷负荷）比一般房间要大得多。夏季汽车长时间停在烈日下，车内温度会上升到以上。汽车的使用环境非常严酷，这些环境因素往往造成汽车电子装置的性能恶化，甚至不能完成规定的功能或损坏，出现可靠性故障。因此与一般控制系统相比，汽车空调控制系统也有其特殊要求。1）首先，要满足温度、湿度环境的要求。汽车外部的环境温度最高，最低为，但汽车内的工作环境却因部件的位置不同而相差极大。2）其次，要满足振动冲击环境要求，汽车零部件必须承受由不良路面引起的较大的振动和冲击。3）还有，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的基本功
13、能是通过人为的方法使车内的温度降低和升高，从而达到使人体感到舒适的温度环境。汽车空调系统都可以分为采暖系统和制冷系统两部分。如图21为汽车空调制冷循环图。图2-1 汽车空调制冷循环图Fig.2-1 Automotive air-conditioning refrigerant recycling plans制冷系统主要由压缩机、冷凝器（包括冷凝风机）、膨胀阀和蒸发器（包括蒸发风机）组成。其制冷原理是利用液体制冷剂吸热产生冷效应。首先，低压（低温）液态制冷剂进入用来冷却车内空气的蒸发器，制冷剂加热在定压下气化。由于制冷剂在管内气化时的温度低于管外空气的温度，因此能自动地吸取车内空气中的热量，使空
14、气的温度降低，产生冷效应。然后，气化了的制冷剂通过压缩机压缩，变成高于车外空气的高温高压气体。这时，制冷剂通过在车外的冷凝器将热量释放到车外，制冷剂放热就变成了高压液态冷凝剂。最后，经过膨胀阀，恢复到低压（低温）液态。所以，当空调要进行制冷时，必须开启压缩机使制冷剂循环，从而降低车内温度。采暖系统是由暖风散热器、暖水阀和风机组成。由于汽车行使时发动机产生大量热量，一般小型汽车空调都采用发动机余热采暖。发动机冷却水通过暖水阀流入暖风散热器，从而升高通过暖风散热器的空气。2.2 汽车空调的总成结构汽车空调系统总成是采用冷暖完全合一型，内外循环风门由内外循环电磁阀控制，当内外循环电磁阀闭合时，汽车空
15、调处于内循环状态，这个时候只有车内回风能够进入空调风道。反之，当内外循环电磁阀开时，空调处于外循环状态，这个时候不仅仅车内回风能够进入空调风道，车外空气也进入空调风道，也就制冷（加热）处理前空气是车内回风和车外新鲜空气的混合气体。风机由风机调速电路控制，其作用是推动空气在空调风道里流动，在全和一型空调中，它同时也起了制冷蒸发器风扇和暖风散热器风扇的作用。所以风机的快慢直接影响了制冷蒸发器和暖风散热器的对流散热快慢，也就直接影响了车内空气的调节速度。由于空调风道只有这一个风机，所以无论是哪个出风口风速的大小都是由该风机控制。制冷蒸发器连接制冷压缩机，压缩机由压缩机电磁阀控制。当压缩机电磁阀吸合，
16、压缩机开始工作，蒸发器就能从流过的空气中吸取热量，从而使空气降温。暖风散热器由暖水电磁阀控制，当暖水电磁阀吸合，发动机冷却水流过暖风散热器，这样就可以通过发动机余热进行热交换，将经过散热器的空气加热。混合风门、风向风门开度由风门电机控制。混合风门负责控制空气经过蒸发器和暖风散热器的量，也就是控制经过两种处理空气的混合程度。风向风门可以控制空调出风口的出风方式，也就是控制经过处理的空气从除霜风口、下吹风口和前吹风口吹出。3 汽车空调系统硬件电路的设计在工业控制中，单片机以其体积小、指令丰富、控制技术成熟、修改方便、开发周期短、适应性强等特点，在各个领域、各个行业都的到了广泛应用。随着单片机应用的日益广泛，单片机的种类越来越多，
