CN114326849B

CN114326849B - 用于汽车环境风洞的温度控制方法

Info

Publication number: CN114326849B
Application number: CN202111649153.5A
Authority: CN
Inventors: 谭文林; 徐磊; 周龙; 龙海生; 席椿富
Original assignee: China Automotive Engineering Research Institute Co Ltd
Current assignee: China Automotive Engineering Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114326849A

Abstract

本发明属于汽车环境风洞调整技术领域，具体涉及用于汽车环境风洞的温度控制方法，包括：S1，计算环境风洞维持温度设定值的热负荷总量Q，若Q＞0则转到S2，若Q＜0则转到S3；S2，计算温度设定值减实际温度值的差值△e；若△e≤0.5，则制冷侧的大阀根据Q进行前馈控制，且制冷侧的小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；若△e＞0.5，则关闭制冷侧的大阀和小阀，并转到S3；S3，计算温度设定值减实际温度值的差值△e；若△e≥‑0.5，则制热侧的大阀根据Q进行前馈控制，且制热侧的小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；若△e＜‑0.5则转到S2。本申请在各种情况下，均能准确及时的进行环境风洞的温度控制。

Description

用于汽车环境风洞的温度控制方法

技术领域

本发明属于汽车环境风洞调整技术领域，具体涉及用于汽车环境风洞的温度控制方法。

背景技术

汽车环境风洞是汽车研发中十分重要的试验室，可模拟外界真实的气候环境，车辆在环境风洞动态试验时转鼓可进行道路模拟，以实现车辆在转鼓上行驶时跟外界真实道路上所受到的阻力一致。

汽车环境风洞的温度模拟系统是其核心子系统，是实现环境风洞模拟外界真实温度变化的关键所在，因此，对温度模拟系统的要求极高，温度应可模拟-40℃—60℃的外界温度变化，控温精度要求±0.5℃(包括动态情况下)。当前，国内外风洞主要采用PID算法同时对制冷侧/制热侧的大阀(即大流量三通调节阀)和小阀(即小流量三通调节阀)进行控制，即，将设定温度与实际温度进行比较后，根据温度的差值进行制冷侧/制热侧的大阀和小阀的调节。调节的具体过程为，当温度差值较小时，关闭制冷侧或制热侧的大阀，通过控制同侧小阀的开度进行PID调节；当温度差值较大时，完全打开制冷侧或制热侧的小阀，并通过控制同侧大阀的开度进行PID调节。

但是，采用PID算法同时对制冷侧/制热侧的大阀和小阀进行控制，绝大多数情况下，两个阀门都没有一起调节，要么小阀调节(大阀全关)，要么大阀调节(小阀全开)，控制效果并不是特别理想，往往只能勉强达到±0.5℃的基本要求，且在车速和风速大范围变化时仍可能超过±0.5℃的要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于汽车环境风洞的温度控制方法，在各种情况下，均能准确及时的进行环境风洞的温度控制。

本发明提供的基础方案为：

用于汽车环境风洞的温度控制方法，包括：

S1，计算环境风洞维持温度设定值的热负荷总量Q，若Q＞0则转到S2，若Q＜0则转到S3；

S2，计算温度设定值减实际温度值的差值△e；若△e≤0.5，则制冷侧的大阀根据Q进行前馈控制，且制冷侧的小阀根据△e进行PID控制，以调节温度，并在满足预设的第一条件时继续制冷侧控制，不满足第一条件则转到S1；若△e＞0.5，则关闭制冷侧的大阀和小阀，并转到S3；

S3，计算温度设定值减实际温度值的差值△e；若△e≥-0.5，则制热侧的大阀根据Q进行前馈控制，且制热侧的小阀根据△e进行PID控制，以调节温度，并在满足预设的第二条件时继续制热侧控制，不满足第二条件则转到S1；若△e＜-0.5，则关闭制热侧的大阀和小阀，并转到S2。

基础方案工作原理及有益效果：

现有技术中对环境风洞急性调节时，均是“以PID为主导控制”并且“用同一算法同时控制大阀和小阀”，因为这样的调节方式设计思路简单，需要采集的参数很少。因此，现有技术中，即使是加入其它的控制算法，也只是作为辅助和修正的手段。

本申请则创造性的提出了“大阀根据热负荷总量Q进行前馈控制，作为主导调节；同时同侧小阀根据△e进行PID控制，实现精度调节”的控制方案，克服了本领域“以PID为主导控制”以及“用同一算法同时控制大阀和小阀”这两个技术偏见。并且实际效果远超现有的控制方案，具体如下：

使用本方法，需要先计算环境风洞维持温度设定值的热负荷总量Q，以Q的正负决定制冷或制热，并以Q的数值作为(制冷侧或制热侧)前馈控制的基础。如果Q＞0，说明当前环境风洞内的热量过多，因此走制冷侧，并结合当前温度设定值减实际温度值的差值△e来进行具体的调节控制。具体调节时，大阀根据Q进行前馈控制，通过前馈控制以快速抵消扰动热负荷对温度控制的影响，起到主导和粗调的作用；小阀则根据△e进行PID控制，实现温度精调，从而实现温度的精确控制。

但有一种例外的情况需要说明，那就是当Q＞0，但是△e＞0.5的情况(虽然这种情况非常罕见，但一旦出现必须要有自救措施)，此时的实际温度过低，需要快速升，不适宜制冷，因此，关闭制冷侧的大阀和小阀，转而通过制热侧的大阀前馈控制结合和小阀PID控制来调节温度。由于切换到制热侧后，只有在不满足第二条件时才会返回S1。通过合理的设置第二条件，可防止出现冷热侧反复切换，导致温度波动大的情况。Q＜0的调节思路与Q＞0相同，在此不再赘述。

试验表明，与现有技术相比，本申请的精度更高，远超±0.5℃的基本要求，并且，即使在当车速或风速的变化较大较快这类情况下，本申请仍能够保证温度调节的准确性和及时性。

除此，与现有技术相比，现有技术是根据目标温度和实际温度的差值进行制冷或制热的选择，在调节过程中，很容易出现频繁的在制冷侧和制热侧之间切换的情况，而制冷侧与制热侧是两套系统，两套系统间较为频繁的切换会导致较大的温度波动和迟延，进而导致控温动态偏差较大。本申请由于根据环境风洞的热负荷总量Q的正负值来判断制热侧工作还是制冷侧工作，与△e的正负值相比，热负荷总量Q的正负值稳定性会好很多，可以有效的避免出现制冷侧与制热侧频繁切换的情况。与现有控制技术相比，控制的稳定性更好。

综上，本申请克服了本领域“通过温度差值进行PID主控调节”的技术偏见，创造性的提出了一种以环境风洞的热负荷总量Q为基础的温度调节方案，通过Q的正负值来选择制冷侧或制热侧，并通过Q的数值来对大阀进行前馈控制作为主导调节，再通过△e对小阀PID调节，进行精度调节。这种全新的调节方式，在各种情况下，均能对环境风洞进行稳定的温度控制。

进一步，S2中，△e≤0.5时，若-X≤△e≤X，则制冷侧大阀根据Q进行前馈控制且制冷侧小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；若X＜△e≤0.5，或者△e＜-X，则制冷侧大阀根据Q进行前馈控制加模糊控制，且制冷侧小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；其中0＜X＜0.5。

有益效果：由于0＜X＜0.5，当-X≤△e≤X时，说明目标温度与实际温度相差不大，因此，制冷侧大阀根据Q进行前馈控制进行调节，配合小阀PID控制即可。如果X＜△e≤0.5，或者△e＜-X，说明此时目标温度与实际温度相差较大，单纯的前馈控制不足以快速完成温度调节，因此，制冷侧大阀除进行前馈控制外还进行模糊控制，配合小阀PID控制，修正温度控制的偏差，当温度偏差回到[-X,X]后制冷侧大阀再进行前馈控制，配合小阀PID控制进行温度调节。通过这样的方式，在保证调节准确性的同时，还可以保证调节的效率和稳定性。试验表明，采用这样的方式，冷侧调节时，基本能够让△e的数值保持在±X，比目前行业要求的±0.5精度更好。

进一步，S3中，△e≥-0.5时，若-X≤△e≤X，则制热侧大阀根据Q进行前馈控制且制热侧小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；若-0.5＜△e≤-X，或者△e＞X，则制热侧大阀根据Q进行前馈控制加模糊控制，且制热侧小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；其中0＜X＜0.5。

有益效果：由于0＜X＜0.5，当-X≤△e≤X时，说明目标温度与实际温度相差不大，因此，制热侧大阀根据Q进行前馈控制进行调节，配合小阀PID控制即可。如果-0.5＜△e≤-X，或者△e＞X，说明此时目标温度与实际温度相差较大，单纯的前馈控制不足以快速完成温度调节，因此，制热侧大阀除进行前馈控制外还进行模糊控制，配合小阀PID控制，修正温度控制的偏差，当温度偏差回到[-X,X]后制冷侧大阀又进行前馈控制，配合小阀PID控制进行温度调节。通过这样的方式，在保证调节准确性的同时，还可以保证调节的效率和稳定性。试验表明，采用这样的方式，热侧调节时，基本能够让△e的数值保持在±X，比目前行业要求的±0.5精度更好。

进一步，0.1≤X≤0.3。

有益效果：试验表明，在这个范围内，本控制方法可以最大程度的兼顾调节的准确性、稳定性和调节效率。

进一步，S2中，预设的第一条件为，Q＜0且△e＜0。

有益效果：这样，不仅可以保证正常情况下制冷侧调节的稳定性，当出现Q＜0但△e＜-0.5，由制热侧转到制冷侧进行调节这种特殊情况时，制冷侧同样可以持续进行一段时间的有效调节后，才转回到制热侧，可防止出现制冷侧与制热侧频繁切换的情况，进而避免出现温度波动。

进一步，S3中，预设的第二条件为Q＞0且△e＞0。

有益效果：不仅可以保证正常情况下制冷侧调节的稳定性，当出现Q＞0但△e＞0.5，由制冷侧转到制热侧进行调节这种特殊情况时，制热侧同样可以持续进行一段时间的有效调节后，才转回到制冷侧，可防止出现制冷侧与制热侧频繁切换的情况，进而避免出现温度波动。

进一步，S2中，制冷侧的大阀根据Q进行前馈控制时，用预设的热传学模型，根据Q计算出制冷侧的大阀的前馈开度后，用前馈开度对制冷侧的大阀进行开度控制。

有益效果：可以保证制冷侧大阀进行前馈控制时，其前馈开度与当前实际需求相符。

进一步，S3中，制热侧的大阀根据Q进行前馈控制时，用预设的热传学模型，根据Q计算出制热侧的大阀的前馈开度后，用前馈开度对制热侧的大阀进行开度控制。

有益效果：可以保证制热侧大阀进行前馈控制时，其前馈开度与当前实际需求相符。

进一步，热负荷总量Q＝Q_风机+Q_阳光+Q_车辆+Q_钢流道+Q_雪；其中，Q_风机表示主风机机械功耗散到循环空气中的热量；Q_阳光表示阳光模拟系统辐射散热到循环空气中的热量；Q_车辆表示试验车辆散热器、冷凝器散发到循环空气中的热量；Q_钢流道表示环境风洞钢流道散热量；Q_雪表示雪试验时水相变为雪过程中产生的热负荷。

有益效果：这样的方式，可以准确的计算出汽车环境风洞的热负荷总量Q，从而保证(制冷侧或制热侧)大阀的前馈控制的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例一的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

现有技术中，基本都是计算设定温度与实际温度的偏差值后，通过PID算法同时控制小阀和大阀调节温度，当偏差值较小时关闭大阀通过小阀PID调节，当偏差值较大时全开小阀通过大阀PID调节。这样的好处时，设计思路简单，需要采集的参数很少，只需要采集实时温度即可，并且在大多数情况下，都能够勉强满足±0.5℃的基本要求。因此，本领域技术人员在进行环境风洞的温度控制时，都是以PID调节为主导控制。换个说法，本领域技术人员已经形成了以PID算法同时控制小阀和大阀为主导控制的思维定势，即使进行控制的优化，也是在此基础上，加入其它控制(如前馈控制)作为辅助和修正，以使控制精度能够稳定的在±0.5℃。但在实际测试中，当车速或风速的变化较大较快时，优化后的控制方式仍可能超出±0.5℃的要求。由于本领域技术人员以PID算法同时控制小阀和大阀为主导控制的思维定势，目前的研究，仍集中在PID算法的优化改进，以及辅助手段的模型优化。

本申请人则跳出了本领域技术人员的思维定势，不再局限于以PID算法同时控制小阀和大阀为主导控制；创造性的提出了本技术方案。

第一，本方案不再以PID算法为主导控制，而是以(制冷侧或弱侧的)大阀的前馈控制为主导，换个说法，本方案打破了本领域一直以来以PID算法为主导控制的技术偏见；第二，本申请以(制冷侧或弱侧的)大阀的前馈控制为主导的同时，还会另外单独用PID算法控制(同侧的)小阀，通过大阀快速接近设定值，再通过小阀精确调节到设定值，这样，通过用不同的控制方法分别控制大阀和小阀，可以兼顾温度调节的效率和准确性，打破了本领域一直以来用同一算法同时控制大阀和小阀的技术偏见。

概括而言，本申请通过“大阀根据风洞的热负荷总量Q进行前馈控制，作为主导调节；同时，同侧小阀根据温度设定值与实际温度值的差值△e进行PID控制，实现精度调节”，克服了本领域“以PID为主导控制”以及“用同一算法同时控制大阀和小阀”这两个技术偏见。具体方案如下：

实施例一

如图1所示，用于汽车环境风洞的温度控制方法，包括：

S1，计算环境风洞维持温度设定值的热负荷总量Q，若Q＞0则转到S2，若Q＜0则转到S3。本实施例中，热负荷总量Q＝Q_风机+Q_阳光+Q_车辆+Q_钢流道+Q_雪；其中，Q_风机表示主风机机械功耗散到循环空气中的热量；Q_阳光表示阳光模拟系统辐射散热到循环空气中的热量；Q_车辆表示试验车辆散热器、冷凝器散发到循环空气中的热量；Q_钢流道表示环境风洞钢流道散热量；Q_雪表示雪试验时水相变为雪过程中产生的热负荷。这样，可以准确的计算出汽车环境风洞的热负荷总量Q，从而保证(制冷侧或制热侧)大阀的前馈控制的准确性。

S2，计算温度设定值减实际温度值的差值△e。

若-X≤△e≤X，则制冷侧大阀根据Q进行前馈控制，且制冷侧小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；若X＜△e≤0.5，或者△e＜-X，则制冷侧大阀根据Q进行前馈控制加模糊控制，且制冷侧小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；并在满足预设的第一条件时继续制冷侧控制，不满足第一条件则转到S1。

若△e＞0.5，则关闭制冷侧的大阀和小阀，并转到S3。

其中0.1≤X≤0.3。试验表明，在这个范围内，本控制方法可以最大程度的兼顾调节的准确性、稳定性和调节效率。本实施例中，X为0.2。第一条件为Q＜0且△e＜0。这样的条件设置，不仅可以保证正常情况下制冷侧调节的稳定性，当出现Q＜0但△e＜-0.5，由制热侧转到制冷侧进行调节这种特殊情况时，制冷侧同样可以持续进行一段时间的有效调节后，才转回到制热侧，可防止出现制冷侧与制热侧频繁切换的情况，进而避免出现温度波动。

S3，计算温度设定值减实际温度值的差值△e。

若-X≤△e≤X，则制热侧大阀根据Q进行前馈控制且制热侧小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；若-0.5＜△e≤-X，或者△e＞X，则制热侧大阀根据Q进行前馈控制加模糊控制，且制热侧小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；其中0＜X＜0.5。并在满足预设的第二条件时继续制热侧控制，不满足第二条件则转到S1。

若△e＜-0.5，则关闭制热侧的大阀和小阀，并转到S2。

本实施例中，第二条件为Q＞0且△e＞0。这样的条件设置，不仅可以保证正常情况下制冷侧调节的稳定性，当出现Q＞0但△e＞0.5，由制冷侧转到制热侧进行调节这种特殊情况时，制热侧同样可以持续进行一段时间的有效调节后，才转回到制冷侧，可防止出现制冷侧与制热侧频繁切换的情况，进而避免出现温度波动。

需要说明的是，S2中，制冷侧的大阀根据Q进行前馈控制时，用预设的热传学模型，根据Q计算出制冷侧的大阀的前馈开度后，用前馈开度对制冷侧的大阀进行开度控制。S3中，制热侧的大阀根据Q进行前馈控制时，用预设的热传学模型，根据Q计算出制热侧的大阀的前馈开度后，用前馈开度对制热侧的大阀进行开度控制。这样，可以保证制热侧/制冷侧的大阀进行前馈控制时，其前馈开度与当前实际需求相符。

使用本方法对环境风洞进行温度控制，在计算环境风洞维持温度设定值的热负荷总量Q后，以Q的正负决定制冷或制热，并以Q的数值作为(制冷侧或制热侧)前馈控制的基础。如果Q＞0，说明当前环境风洞内的热量过多，因此走制冷侧，并结合当前温度设定值减实际温度值的差值△e来进行具体的调节控制。具体的，当-X≤△e≤X时，说明目标温度与实际温度相差不大，因此，制冷侧大阀根据Q进行前馈控制进行调节，配合小阀PID控制即可。如果X＜△e≤0.5，或者△e＜-X，说明此时目标温度与实际温度相差较大，单纯的前馈控制不足以快速完成温度调节，因此，制冷侧大阀除进行前馈控制外还进行模糊控制，配合小阀PID控制，修正温度控制的偏差，当温度偏差回到[-X,X]后制冷侧大阀再进行前馈控制，配合小阀PID控制进行温度调节。通过这样的方式，在保证调节准确性的同时，还可以保证调节的效率和稳定性。试验表明，采用这样的方式，冷侧调节时，基本能够让△e的数值保持在±0.2，比目前行业要求的±0.5精度更好。而小阀根据△e进行PID控制，则可以对大阀前馈控制后可能存在的温度偏差进行精调。

但有一种例外的情况需要说明，那就是当Q＞0但是△e＞0.5的情况(虽然这种情况非常罕见，但一旦出现必须要有自救措施)，此时的实际温度过低，需要快速升，不适宜制冷，因此，关闭制冷侧的大阀和小阀，转而通过制热侧的大阀前馈控制结合和小阀PID控制来调节温度。由于切换到制热侧后，只有在不满足第二条件时才会返回S1，本申请通过合理的设置了第二条件，可防止出现冷热侧反复切换，导致温度波动大的情况。

Q＜0的调节思路与Q＞0相同，在此不再赘述。

试验表明，与现有技术相比，本申请的精度达到±0.2℃，远超±0.5℃的基本要求，并且，即使在当车速或风速的变化较大较快这类情况下，本申请仍能够保证温度调节的准确性和及时性。除此，与现有技术相比，现有技术由于是根据目标温度和实际温度的差值进行制冷或制热，在调节过程中，很容易出现较为频繁的在制冷侧和制热侧之间切换的情况，而制冷侧与制热侧是两套系统，两套系统间较为频繁的切换会导致较大的温度波动和迟延，进而导致控温动态偏差较大。本申请由于根据环境风洞的热负荷总量Q的正负值来判断制热侧工作还是制冷侧工作，与△e的正负值相比，热负荷总量Q的正负值稳定性会好很多，可以有效的避免出现制冷侧与制热侧频繁切换的情况。与现有控制技术相比，控制的稳定性更好。

综上，本申请克服了本领域“通过温度差值进行PID主控调节”的技术偏见，创造性的提出了一种以环境风洞的热负荷总量Q为基础的温度调节方案，通过Q的正负值来选择制冷侧或制热侧，并通过Q的数值来对大阀进行前馈控制作为主导调节，再通过△e对小阀进行PID调节，进行精度调节。这种全新的调节方式，在各种情况下，均能对环境风洞进行稳定的温度控制。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.用于汽车环境风洞的温度控制方法，其特征在于，包括：

S2，计算温度设定值减实际温度值的差值△e；若△e≤0.5时，若-X≤△e≤X，则制冷侧的大阀根据Q进行前馈控制，用预设的热传学模型，根据Q计算出制冷侧的大阀的前馈开度后，用前馈开度对制冷侧的大阀进行开度控制，且制冷侧的小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；若X＜△e≤0.5，或者△e＜-X，则制冷侧大阀根据Q进行前馈控制加模糊控制，且制冷侧小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；其中0＜X＜0.5；并在满足预设的第一条件时继续制冷侧控制，不满足第一条件则转到S1；若△e＞0.5，则关闭制冷侧的大阀和小阀，并转到S3；

S3，计算温度设定值减实际温度值的差值△e；若△e≥-0.5时，若-X≤△e≤X，则制热侧的大阀根据Q进行前馈控制时，用预设的热传学模型，根据Q计算出制热侧的大阀的前馈开度后，用前馈开度对制热侧的大阀进行开度控制，且制热侧的小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；若-0.5＜△e≤-X，或者△e＞X，则制热侧大阀根据Q进行前馈控制加模糊控制，且制热侧小阀根据△e进行PID控制，以调节温度；其中0＜X＜0.5；并在满足预设的第二条件时继续制热侧控制，不满足第二条件则转到S1；若△e＜-0.5，则关闭制热侧的大阀和小阀，并转到S2。

2.根据权利要求1所述的用于汽车环境风洞的温度控制方法，其特征在于：0.1≤X≤0.3。

3.根据权利要求1所述的用于汽车环境风洞的温度控制方法，其特征在于：S2中，预设的第一条件为，Q＜0且△e＜0。

4.根据权利要求3所述的用于汽车环境风洞的温度控制方法，其特征在于：S3中，预设的第二条件为Q＞0且△e＞0。

5.根据权利要求1所述的用于汽车环境风洞的温度控制方法，其特征在于：热负荷总量Q=Q风机+Q阳光+Q车辆+Q钢流道+Q雪；其中，Q风机表示主风机机械功耗散到循环空气中的热量；Q阳光表示阳光模拟系统辐射散热到循环空气中的热量；Q车辆表示试验车辆散热器、冷凝器散发到循环空气中的热量；Q钢流道表示环境风洞钢流道散热量；Q雪表示雪试验时水相变为雪过程中产生的热负荷。