基于PID控制的新能源汽车空调控制系统设计与试验研究
报告一种基于PI控制的新能源汽车空调控制系统，其方案是对PID控制算法的变换与裁剪，并移植到新能源汽车空调硬件环境，最后通过试验验证基于PI控制的新能源汽车空调运行效果。
关键词：PID控制；变换；裁剪；移植；新能源汽车空调；验证
中图分类号：TK323 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2019）01-0077-05
Abstract： PID control can be used to improve control performance of the new energy vehicle air conditioning， the essential components are proportion， integral and derivative. But the main problem is that the PID control algorithm does not match the basic hardware of the new energy vehicle air conditioning. Here， we report a new energy vehicle air conditioning control system based on PI control， the scheme is the transformation and cutting of the PID control algorithm and transplanted to the hardware environment of the new energy vehicle air conditioning. Finally， the operation effect of the new energy vehicle air conditioning based on PI control is verified through experiments.
Key Words： PID controltransformation； cutting； transplanted； new energy vehicle air conditioning； verify
前言
随着国人生活水平的提高，对乘车环境有了更高要求，且随着新能源汽车技术及市场的成长，国人寄希望于新能源汽车，期待能有一个高端、舒适的乘车环境。
从外资、合资品牌汽车来看，配置高的汽车才配高端汽车空调，一般是基于PID算法来控制汽车空调。传统汽车空调制冷系统的压缩机一般由燃油发动机驱动，且由电磁离合器控制启停；传统汽车空调制热系统的热源一般为燃油发动机冷却液，因此，燃油发动机运行影响传统汽车空调运行，燃油发动机复杂的运行工况将使得传统汽车空调的控制变得复杂，主要问题是难以精确控制，虽然基于PID算法的传统汽车空调研发具有较大难度，但国际汽车主流厂商及国际顶级汽车空调零部件厂商都完全掌握传统汽车空调PID控制算法；新能源汽车空调制冷系统的压缩机一般由电机驱动，新能源汽车空调制热系统的热源一般为电加热装置，从对标外资、合资品牌新能源汽车来看，没有发现基于PID算法的新能源汽车空调。
从国内自主品牌汽车来看，虽然国内取得一定的温度控制技术研究成果[1-5]，但无论是传统汽车，还是新能源电动汽车，都没有配高端汽车空调，国内也没有基于PID算法的汽车空调供应商。
综上，基于PID算法的新能源汽车空调技术，国内外都是空白，此课题技术值得研究。
从国外PID算法研究资源来看，国外有成熟的PID算法仿真工具，不仅仅实现在PC机上运行PID算法程序，而且能够在硬件资源有限的嵌入式芯片上运行PID算法程序。
从国内PID算法研究资源来看，都是基于具有较强运算能力的计算机（PC机）平台运行PID算法程序，且是借助于PID算法仿真工具获得仿真结果。通过研究PID算法文献[7-12]和基于PID算法的汽车空调研究文献[6]，发现一个共同点，论文中，都给出一个人类数学思维的PID公式，然后给出基于PC机上运行的PID算法仿真结果，并对仿真结果进行分析，至于PC机是怎样处理PID算法公式，在文献中都没有描述。
综合国内外PID算法研究资源来看，国外对PID算法研究是非常透彻的；国内对PID算法研究存在“断层”，因为国内的研究人员借助于国外的PID算法商业仿真软件工具取得仿真结果，而这些PID算法商业仿真软件都具有技术壁垒，从人类数学思维的PID公式到离散型PC机或嵌入式芯片所能识别、处理的PID算法公式，这个转换、处理过程被隐藏起来，PID算法仿真工具的用户无法接触到这些内在技术。这严重阻碍了PID算法研究成果在国内的普及与推广，迟滞了国内PID算法研究成果的產业化。
综上所述，国内新能源汽车要想有一个高端、舒适的乘车环境，必须配备高端算法的汽车空调控制系统，例如基于PID控制的汽车空调。以基于PID控制的汽车空调研究与探索为例，将面临如下挑战：
1、突破欧美PID算法仿真工具的技术壁垒，解决上述中的PID算法“断层”问题；
2、解决PID控制算法与新能源汽车空调硬件不匹配问题，32位或64位PC机，RAM、ROM空间都是以G量级计，硬件平台资源足够支撑PID算法仿真工具运行，但本文所述的汽车空调控制器，采用PIC16F914芯片，ROM空间为7Kbytes，SRAM空间为256bytes，EEPROM空间为256bytes，硬件资源非常有限，只能运行精简版PID基本算法。
为了打通PID算法研究成果产业化最后一公里，本文基于比例（P）、积分（I）、微分（D）的原始定义，转换PID公式，解決挑战1；兼顾PID控制效果与嵌入式芯片有限资源的约束因素，对比例（P）、积分（I）、微分（D）环节进行裁剪，基于PIC16F914芯片硬件平台运行PID算法程序，解决挑战2。应用描述如下。
新能源汽车空调制冷系统的压缩机一般由电机驱动，可以基于PID算法精确控制电机工作，进而间接精确控制压缩机工作；新能源汽车空调制热系统的热源一般为电加热装置，也可以基于PID算法精确控制电加热装置工作，汽车空调控制器中嵌入式芯片为8位PIC16F914单片机，资源非常有限，因此，本文基于比例（P）、积分（I）、微分（D）的原始定义，转换PID公式，兼顾PID控制效果与嵌入式芯片有限资源的约束因素，对比例（P）、积分（I）、微分（D）环节进行裁剪，使PID算法程序能在PIC16F914硬件平台上运行。汽车空调PID控制精准度与响应时间的要求都不高，在对比例（P）、积分（I）、微分（D）环节裁剪过程中，去除微分（D）环节，达到降低PIC16F914芯片运算量的目的。最后，通过采样基于PID算法的新能源汽车空调实际运行试验数据获得试验结果，试验结果显示控制效果不错，可以应用于批量化的汽车空调控制系统。
本文的其余部分安排如下：第二节给出PID算法公式及其转换、裁剪过程，并给出新能源汽车空调PID控制模型；第三节给出第二节所述的基于PID控制算法的新能源汽车空调实际试验结果，在本节，将详细描述试验方法，并分析试验结果；最后，第四节给出主要结论，并为未来研究人员给出建议。
1 新能源汽车空调PID控制设计
新能源汽车空调PID控制系统运行过程中，通过数据采集处理系统采集当前温度TC的温度传感器上电压变化和输入给被控对象工作电压变化来验证新能源汽车空调PID控制效果。中泰PCI8325模拟数据采集卡采集温度传感器两端的电压，并将采集的电压传送至PC机，采集的电压经数据采集处理软件处理，显示在屏幕上，同时保存采集的电压数据；同时，中泰PCI8325模拟数据采集卡采集被控对象的工作电压（PWM），并将采集的电压传送至PC机，采集的电压经数据采集处理软件处理，计算出PWM信号之占空比，显示在屏幕上，同时保存占空比数据。试验结果见图3、图4：
图3与图4中，虽然对PID控制算法进行裁剪，去除y0和微分项，在图4中表现为占空比的阶跃变化，使得占空比变化曲线不光滑，但它对新能源汽车空调PID控制效果的影响甚微，在图3中表现为变化曲线仍然连续而光滑，且降低了新能源汽车空调控制系统的运算量。
3 结论
本文首先对PID控制方程进行变换，使它能够被计算机软件系统描述，再把变换后的PID控制方程应用到具体案例中，此具体案例是基于PID控制算法的新能源汽车空调，根据新能源汽车空调的控制精度要求、时效性要求及嵌入式芯片有限资源的约束因素对PID控制算法进行裁剪，裁剪并移植至新能源汽车空调基础硬件平台后，通过采样新能源汽车空调实际运行试验数据证明PI控制效果不错，可以应用于批量化的新能源汽车空调。
本文工作实现了基于PID控制的新能源汽车空调控制系统，兼顾控制要求和新能源汽车空调基础硬件限制因素，采用PI控制策略，取得良好的控制效果，如果持续进行技术工程化研究与推广，在不久的未来，它将成为量产化产品，被应用到新能源电动汽车中，取得实质性经济效益。
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