DE69413562T2

DE69413562T2 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung eines luftkonditionierungssystems für kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE69413562T2
Application number: DE69413562T
Authority: DE
Inventors: Gerhard Allan Franklin Mi 48025 Dage; Leighton Ira Jr. Ann Arbor Mi 48104 Davis; Robert Wayne Ann Arbor Mi 48105 Matteson; Thomas Francis Dearborn Mi 48124 Sieja
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2014-06-22
Also published as: KR960703476A; EP0739507B1; KR100292175B1; DE69413562D1; US5427313A; EP0739507A1; JPH08509931A; WO1995001594A1

Description

VERFAHREN UND SYSTEM ZUR STEUERUNG DER KLIMATISIERUNG (HEIZUNG, LÜFTUNG UND KLIMAANLAGE) EINES FAHRZEUGES

Diese Erfindung betrifft Verfahren und Steuerungssysteme, um ein HVAC-System für Automobile zu steuern, und insbesondere Verfahren und Systeme, um ein HVAC- System für Automobile zu steuern und die Entladung von Luft innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches zu verhindern.
Diese Patentschrift bezieht sich auf die PCT-Anmeldungen 9501592 und 9501594 mit dem Titel "Method and System For Controlling an Automotive HVAC System" und "Method and System For Controlling an Automotive HVAC System".
Ein fundamentales Ziel der Systeme zum Heizen, zum Lüften und zur Klimatisierung von Automobilen (HVAC-Systeme) besteht darin, daß sich die Insassen wohl fühlen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es wichtig, daß der Entwurf des Steuerungssystems, das die Bedingungen in der Fahrgastzelle festlegt, die Abhängigkeit des Komforts von den Variablen, die diesen beeinflussen, berücksichtigt. Das Wohlbefinden des Menschen ist eine komplexe Reaktion, an der physikalische, biologische und psychologische Antworten auf bestimmte Zustände beteiligt sind. Aufgrund dieser Komplexität muß der Ingenieur viele Variablen und deren mögliche Interaktionen in der Entwurfsstrategie eines solchen Steuerungssystems oder Reglers berücksichtigen.
Beim Bestreben, die vielen Variablen, die den Komfort beeinflussen, zu messen und zu steuern, weisen moderne HVAC-Systeme für Automobile viele Fühler und Stellglieder auf. Ein typisches System könnte einen Temperaturfühler in der Fahrgastzelle besitzen, einen die Umgebungstemperatur messenden außen und noch andere, die verschiedene Temperaturen der inneren Abläufe des Systems messen. Die Insassen könnten dem System über einen Sollwert oder eine andere Einstellung eine Eingabe liefern. Es könnten zusätzliche Fühler dem System zur Verfügung stehen, die die Sonneneinwirkung, die Feuchtigkeit usw. messen. Der Satz von Stellgliedern könnte ein Gebläse mit variabler Drehzahl umfassen, eine Vorrichtung zur Temperaturänderung, Leitungen und Klappen, um die Richtung des Luftstromes und das Verhältnis zwischen frischer und umgewälzter Luft zu steuern.
Es ist die Aufgabe des Reglers, den Bereich möglicher Bedingungen auszuwählen und zu bestimmen, was für den Komfort notwendig ist, und die Steuerung des Satzes von verfügbaren Stellgliedern zu koordinieren. Dieses Steuerungsproblem der mehrfachen Eingabe und der mehrfachen Ausgabe fällt in keine anwendbare Kategorie traditioneller Steuerungstheorie. Das Leistungskriterium "Komfort" ist keine gut definierte Formel, sondern ein manchmal wechselhaftes Ziel, das empirisch bestimmt wird. Insbesondere bedeutet Steuerung des Komforts nicht dasselbe wie Temperatursteuerung. Die Antwort des Systems sowie die Beziehung zwischen den Systemvariablen und der gewünschten Leistung, dem Komfort, ist selten linear. Auch ist es wichtig anzumerken, daß trotz aller für die Steuerung verfügbaren Stellglieder und Variablen Zustände existieren könnten, unter denen der Komfort nicht erreichbar ist.
Aufgrund praktischer Erwägungen hinsichtlich der Abmessungen, des Energieverbrauchs, der Kosten und des erdenklichen Bereiches von Bedingungen, denen Automobile ausgesetzt sind, ist die Anlage unter Umständen einfach nicht in der Lage, das Benötigte zu liefern. All diese Erwägungen führen zu einem Steuerungsproblem, das sich von dem, was normalerweise in der herkömmlichen Steuerungstheorie angetroffen wird, stark unterscheidet.
Angesichts dieser Schwierigkeiten haben die meisten Entwürfe von Steuerungssystemen das Gewohnte verwendet, also lineare Steuerung, und diese durch aufgesetzte, spezielle Antworten ergänzt, um speziellen Gegebenheiten Rechnung zu tragen, wo dieses notwendig ist. Anders ausgedrückt, typische automatische Klimatisierungssysteme für Automobile verwenden eine lineare proportionale Steuerung, um eine komfortable innere Umgebung aufrechtzuerhalten.
Jedoch gibt es zwei bedeutende Einschränkungen bei einer linearen proportionalen Steuerung vom Standpunkt des subjektiven Komforts eines Insassen: Erstens gibt es in jedem HVAC-System gewisse Steuerungssituationen, die per se nicht linear sind, und es ist zweitens nicht möglich, den Komfort für den Insassen einfach durch das annähernde Aufrechterhalten einer gewünschten Temperatur herzustellen, wie detaillierter nachstehend hierin beschrieben werden wird.
Der Entwurf eines typischen HVAC-Systems zur Klimasteuerung startet mit der Notwendigkeit, akzeptable Komfortbedingungen für die Insassen unter den meisten extrem hohen und niedrigen Umgebungstemperaturen bereitzustellen, denen ein Fahrzeug begegnen kann. Unter diesen Bedingungen fordert das Steuerungssystem von der HVAC-Einheit, bei Maximalleistung in die eine oder die andere Richtung zu arbeiten. Die Erwägungen beim Entwurf fokussieren sich auf die Kapazität der Anlage und die Effizienz der Wärmeübertragung, um diese Extreme zu bewältigen. Das Steuerungssystem ist solange wirksam ausgelastet, als eines oder mehrere der Eingabesignale anzeigen, daß ein gewisser Grad an Komfortsteuerung erreichbar ist. Genau an diesem Punkt beginnt das System damit, seine Steuerung der Drehzahl des Ventilators, der Stellung der entladenen Luft (Betriebsmodus) und das Mischungsverhältnis zwischen kalter und erwärmter Luft zu moderieren. Der einfachste Ansatz zur Steuerung in diesem Bereich besteht darin, einer geraden Linie zwischen den zwei Extremen zu folgen. Solch ein linearer Steuerungsalgorithmus regelt die Ausgaben auf geeignete Weise und seine Parameter sind auf der Basis der Anfangspunkte der zwei extremen Bereiche leicht zu bestimmen. Mit einem gut definierten HVAC-System und genügend Testzeit bei der Entwicklung kann man die Koeffizienten gut abstimmen, um akzeptable Komfortbedingungen für eine Vielzahl von Betriebszuständen bereitzustellen. Der lineare Ansatz ist auch gut verständlich und leicht zu realisieren. Für einen kleineren Regler mit einem Mikroprozessor wird er mit ein paar Programmzeilen verwirklicht.
Die lineare Vorgehensweise hat offensichtliche Einschränkungen, wenn nicht lineare Situationen angetroffen werden. Sämtliche HVAC-Systeme weisen in verschiedenen Bereichen ihres Betriebes ein nicht lineares Verhalten auf. Die Wärmeübertragung als Funktion der Lüfterdrehzahl ist nicht linear. Das Auftreten jeglicher Ausgabebegrenzung der Anlage beeinflußt die gewünschte Antwort auf eine nicht lineare Weise. Die Faktoren, die die Grenzen der Anlage beeinflussen, können mit zusätzlichen Fühlern verfolgt werden, und beispielsweise gibt es ein Zusammenhang zwischen der Temperatur des Motorkühlmittels (ECT) und der Innentemperatur des Heizers, aber wiederum ist die Beziehung nicht linear. Der übliche Ansatz, spezielle nicht lineare Situationen zu behandeln, besteht in der logischen Modifizierung der üblichen linearen Strategie, wenn diese Situationen entdeckt werden. So würde der Ventilator ausgeschaltet werden, wenn sich bei kaltem Wetter die ECT unter einer bestimmten Schwelle befindet, was darauf hinweist, daß der Heizer die Kabine nicht aufwärmen kann.
Diese besondere Lösung des Problems der Nichtlinearität erzeugt ihrerseits Probleme. Im Falle des binären ECT-Schwellenschalters führt die Interaktion mit der linearen Strategie zu Schwierigkeiten. Wenn die Schwellen-ECT überschritten wird, stellt der Schalter den Lüfter an. Da der Wagen kalt ist, nimmt der Lüfter sofort seine höchste Einstellung ein und erzeugt zwei Probleme. Das erste ist der Geräuschpegel des voll laufenden Lüfters. Das zweite Problem besteht darin, daß die ganze restliche kalte Luft im System direkt auf die Füße des Kunden geblasen wird, was Unbehagen erzeugt.
Zusätzlich zu den gegenwärtigen Schwierigkeiten erzeugen neue Fahrzeuglinien weitere Probleme, die nicht leicht zu beseitigen sind. Die Verringerung des Stauraumes im Inneren und unter der Motorhaube in derzeitigen Fahrzeugentwürfen bewirkt, daß die Übertragungsfunktion für die Auslaßtemperatur sogar noch weniger linear wird, insbesondere wenn man an den Extremen der Umgebungstemperatur arbeitet.
Die Antwort einer exakten Logik (im Gegensatz zur Fuzzy-Logik) in einer Steuerungsstrategie ist unzureichend, wenn das menschliche Wohlbefinden das Ziel ist. Abrupte Veränderungen in der Umgebung werden von den meisten Personen nicht als angenehm empfunden. Natürlich kann der Effekt plötzlicher Veränderungen, die durch Übergänge der exakten Logik bewirkt werden, durch Filterung der Eingabe oder der Ausgabe maskiert werden. Auch müssen einige der entstehenden Zustände nicht unbedingt als Unbehagen von den Insassen aufgefaßt werden. Beispielsweise hat das Aufwärmen durch den Heizer, sei es linear oder nicht linear, keinen Einfluß auf das Wohlbefinden an einem heißen Tag, wenn das System maximale Kühlung entfaltet.
Wie vorstehend erwähnt wurde, wird die Beschreibung des Wohlbefindens für die meisten Menschen durch nicht besonders präzise Worte ausgedrückt. Fragt man die Personen, wie sie ihr Wohlbefinden beschreiben würden, erhält man Antworten wie "etwas kalt", "angenehm" oder "sehr heiß". Das Wohlbefinden eines Menschen kann leicht mit solchen vagen Ausdrücken benannt werden, jedoch ist es sehr viel schwieriger, diese Ausdrücke quantitativ zu erfassen. Die ungenaue Natur der Beschreibung des Wohlbefindens führt zur Verwendung von Fuzzy-Logik, um eine Strategie für die Steuerung des Wohlbefindens zu bestimmen. Die Fuzzy-Logik stellt Verfahren bereit, um ungenau ausgedrücktes Wissen einzubeziehen und trotzdem zu einer definierten, kalkulierbaren Antwort zu gelangen.
Die Fuzzy-Logik ist eine Verfahrensweise, Informationen zu behandeln, die einen gewissen Anteil an Ungewißheit oder Ungenauigkeit enthalten. Die Prinzipien der Fuzzy-Logik wurden in den 60er Jahren von L. A. Zadeh in seiner Veröffentlichung "Fuzzy Sets", Inform. Contr., 8, S. 338-353, 1965, dargelegt.
In derzeitigen Anwendungen des Ingenieurwesens wird die Fuzzy-Logik zumeist in Steuerungsproblemen in der Form einer besonderen Prozedur angetroffen, die "Maximum-Minimum"-Fuzzy-Inferenz genannt wird, wie von Ebrahim Mamdani in seiner Veröffentlichung mit dem Titel "Application of Fuzzy Logic to Approximate Reasoning Using Linguistic Synthesis", IEEE Transactions on Computers, (1977) C- 26, Nr. 12, S. 1182-1191, beschrieben wird. Diese Prozedur schließt die approximative Kenntnis geeigneter Steuerungsantworten für verschiedene Umstände in Sätze von Regeln ein, um eine bestimmte Steuerungshandlung zu errechnen. Diese Regeln werden mit Ausdrücken verbalisiert wie "WENN (der Umstand Eintritt),' DANN (entsprechende Steuerungshandlung unternehmen)". Das Ausmaß, um das eine bestimmte entsprechende Handlung ausgeführt wird, hängt von dem Ausmaß ab, um das die entsprechende Bedingung zutrifft. Der sprachliche Ausdruck eines Zustandes oder die daraus folgende Steuerungshandlung wird über spezifizierte Elementfunktionen in einen definierten Rechenvorgang übersetzt. Eine Elementfunktion quantifiziert den Inhalt eines Satzes wie "die Temperatur ist hoch", indem sie den Grad der Mitgliedschaft in der Klasse "hoch" je nach dem Wert der Eingabevariablen, also der Temperatur, festlegt.
Das US-Patent Nr. 5,148,977 verwendet einen Infrarotfühler zur Messung der Wandtemperatur und diesen Wert zur Veränderung der Raumtemperatur unter Anwendung von Fuzzy-Logik.
Das US-Patent Nr. 5,156,013 offenbart eine Steuerungsvorrichtung für einen Adsorptionskühler, der einen Generator einschließt. Das Ausmaß der Erwärmung durch den Generator wird durch eine Berechnung auf der Basis von Fuzzy-Logik gesteuert. Der Fuzzy-Logikalgorithmus verwendet eine Standardmatrizenrechnung zur Auswahl der Elementfunktionen für die Eingaben und die Ausgabe, um einen Ausgabewert auf herkömmliche Weise zu errechnen.
Das US-Patent Nr. 4,914,924 erfaßt die Absicht des Fahrers zusammen mit dem Zustand der Klimaanlage, um einen Kompromiß zwischen den konkurrierenden Eigenschaften der Leistung des Getriebezuges und der Leistung der Klimatisierung herzustellen. Die Absicht des Fahrers wird über einen Stellungsfühler für die Drosselklappe und einen Auswahlschalter erfaßt. Der Zustand der Klimaanlage wird über das normale Zusammenwirken der in den meisten Systemen angetroffenen Fühler erfaßt. Man verwendet eine Schlußfolgerung durch Standardfuzzylogik, um die Kompromisse auszusuchen und die normalen Funktionen der Klimatisierung durchzuführen.
Die Patentschrift US-A-5190096 offenbart eine Ausrüstung zur Klimatisierung eines Wagens, die folgendes umfaßt:
Eine Luftzuführungsvorrichtung, um eine konstante Luftmenge zuzuführen;
Luftstromauslässe, um Luft mit einer eingestellten Temperatur in das Innere eines Wagens zu blasen;
und einen Fühler für die Innentemperatur, um eine Temperatur im Wageninneren zu messen;
einen Fühler für die Temperatur der geblasenen Luft, um die Temperatur der aus dem Luftauslaß geblasenen Luft zu messen;
eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur für die Ausgabe eines zeitweilig sich verändernden Steuerungssignals für das Heizen und die Kühlung, das den Strom der Heizluft und den Strom der Kühlungsluft steuert und das auf der gemessenen Innentemperatur und der gemessenen Temperatur der geblasenen Luft beruht; und
eine Vorrichtung zur Einstellung der Temperatur, die eine Vorrichtung für das Heizen und die Kühlung der Luft aus der Luftzuführungsvorrichtung umfaßt und zeitweilig die Temperatur der Heizluft und der Kühlungsluft und der Kühlungsluft aus der Vorrichtung für das Heizen und die Kühlung verändert und die gemischte Luft mit der eingestellten Temperatur der Luftentladevorrichtung zuführt.
Die Patentschrift EP-A-0522561A offenbart ein Verfahren zur Steuerung einer Klimaanlage eines Fahrzeuges, das den Durchsatz der Auslaßluft und die Temperatur der Auslaßluft der Klimatisierungsluft steuert und ein Gleichgewicht zwischen der von einer Klimaanlage gelieferten Wärmemenge und der auf ein Fahrzeug einwirkenden Wärmebelastung schafft, um die Klimatisierung der Luft in einer Fahrgastzelle einzustellen, und das den ersten Schritt des Erhaltens aus einer Wärmegleichung einer Vielzahl von Kombinationen des Durchsatzes Va der Auslaßluft und der Temperaturen To der Auslaßluft einschließt, die zum Aufrechterhalten der Temperatur der Fahrgastzelle bei einem vorbestimmten Zielwert benötigt werden, sowie den zweiten Schritt des Errechnens von Komfortindizes, die jeweils den Grad des Wohlbefindens eines Fahrgastes auf der Basis der Zustandsmenge solcher Faktoren, die das vom Fahrgast in der Fahrgastzelle wahrgenommene Wohlbefinden beeinflussen, und der im ersten Schritt erhaltenen Vielzahl von Kombinationen der Durchsätze Va der Auslaßluft und der Temperaturen To der Auslaßluft darstellen, und den dritten Schritt der Suche nach einer Kombination aus dem Durchsatz der Auslaßluft und der Temperatur der Auslaßluft, die einen Komfortindex liefern kann, der für die im zweiten Schritt errechneten Komfortindizes am dichtesten bei einem Optimalwert liegt.
Im Einklang mit der Erfindung wird ein Verfahren zur automatischen Steuerung eines Systems zum Heizen, zum Lüften und für die Klimatisierung (HVAC-System) von Fahrzeugen, das einen Luftstrom mit einer Entladetemperatur in eine Fahrgastzelle des Fahrzeuges entlädt, bereitgestellt, wobei das System einen geregelten Lüfter, eine Vorrichtung zur Veränderung der Lufttemperatur, Leitungen, Stellglieder mit Steuerungsarten, um die Richtung des Luftstromes und das Verhältnis zwischen frischer Luft und umgewälzter Luft zu steuern, Fühler zum Erfassen der Temperatur in der Fahrgastzelle, der Umgebungstemperatur und eines Temperatursollwerts umfaßt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Bestimmen der Differenz zwischen der Temperatur in der Fahrgastzelle und dem Temperatursollwert, um ein Differenzsignal zu erhalten;
Festlegen von Elementfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen dem Differenzsignal und den Steuerungsstellungen der Stellglieder; und
Erzeugen eines Satzes von Steuerungssignalen, um die Steuerungsstellungen der Stellglieder zu steuern und so das System daran zu hindern, einen Luftstrom mit einem vorbestimmten Temperaturbereich, der zwischen einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Temperatur liegt, in die Fahrgastzelle zu entladen, wobei Schritt der Erzeugung auf dem Differenzsignal, der Entladetemperatur, den Elementfunktionen und den Fuzzy-Regeln beruht.
Ferner wird im Einklang mit der Erfindung ein in einem Fahrzeug untergebrachtes Steuerungssystem zur automatischen Steuerung eines Systems zum Heizen, zum Lüften und für die Klimatisierung (HVAC-System) von Fahrzeugen, das einen Luftstrom mit einer Entladetemperatur in eine Fahrgastzelle des Fahrzeuges entlädt, bereitgestellt, wobei das HVAC-System einen geregelten Lüfter, eine Vorrichtung zur Veränderung der Lufttemperatur, Leitungen, Stellglieder mit Steuerungsarten, um die Richtung des Luftstromes und das Verhältnis zwischen frischer Luft und umgewälzter Luft zu steuern, und Fühler zum Erfassen der Temperatur in der Fahrgastzelle, der Umgebungstemperatur und eines Temperatursollwerts umfaßt, wobei das System noch folgendes umfaßt:
Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Differenz zwischen der Temperatur in der Fahrgastzelle und dem Temperatursollwert, um ein Differenzsignal zu erhalten;
eine Vorrichtung zur Festlegung von Elementfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen dem Differenzsignal und den Steuerungsstellungen der Stellglieder; und
eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Satzes von Steuerungssignalen, um die Steuerungsstellungen der Stellglieder zu steuern und so das HVAC-System daran zu hindern, einen Luftstrom mit einem vorbestimmten Temperaturbereich, der zwischen einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Temperatur liegt, in die Fahrgastzelle zu entladen, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung des Satzes von Steuerungssignalen auf dem Differenzsignal, der Entladetemperatur, den Elementfunktionen und den Fuzzy-Regeln beruht.
Die Erfindung wird nun weiter auf dem Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Abb. 1 ein schematisches Diagramm ist, das ein Lüftungssystem zeigt, das durch das Verfahren und das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung gesteuert werden kann;
Abb. 2 ein schematisches Blockdiagramm des Steuerungssystems der vorliegenden Erfindung ist;
die Abb. 3a bis 3e graphische Darstellungen eines Satzes von Regeln für die Drehzahlen des Lüfters sind, die vorausgehende und entsprechende nachfolgende Elementfunktionen einschließen;
Abb. 4 graphisch die Oberfläche der Antworten darstellt, die sich aus dem Satz von Regeln der Abb. 3a bis 3e ergibt;
die Abb. 5a bis 5e graphische Darstellungen eines Satzes von Regeln zur Verschiebung des Betriebsmodus sind, die vorausgehende und entsprechende nachfolgende Elementfunktionen einschließen;
Abb. 6 graphisch die Oberfläche der Antworten darstellt, die sich aus dem Satz von Regeln der Abb. 5a bis 5e ergibt;
die Abb. 7a bis 7 h graphische Darstellungen eines Satzes von Verschiebungsregeln sind, die vorausgehende und entsprechende nachfolgende Elementfunktionen einschließen;
die Abb. 8a bis 8c graphische Darstellungen eines Satzes von Regeln zur Einstellung des Zielwertes sind, die vorausgehende und entsprechende nachfolgende Elementfunktionen einschließen;
die Abb. 9 der Graph einer variablen Einstellung des Zielwertes als Funktion der Umgebungstemperatur ist;
die Abb. 10a bis 10c graphische Darstellungen eines Satzes von Regeln eines Verstärkungsfaktors G&sub3; sind, die vorausgehende und entsprechende nachfolgende Elementfunktionen einschließen;
die Abb. 11a bis 11c graphische Darstellungen eines Satzes von Regeln eines Verstärkungsfaktors G&sub4; sind, die vorausgehende und entsprechende nachfolgende Elementfunktionen einschließen;
Abb. 12 ein Graph der Auslaßtemperatur gegen die Stellung der Mischklappe ist, wobei die ausgeschlossenen Temperaturen durch eine Hystereseschleife veranschaulicht sind;
in Abb. 13 Graphen der Spannung des Lüftermotors und der Stellungen der Mischklappe gegen die Temperatur im Wagen wiedergegeben sind;
in Abb. 14 Graphen der Temperatur der Fahrgastzelle gegen die Umgebungstemperatur für den Stand der Technik und die vorliegende Erfindung bei einem Einstellwert von 75ºF gezeigt werden;
Abb. 15 ein Graph der Drehzahl des Lüfters gegen die Temperatur des Motorkühlmittels beim Aufwärmen des Heizers ist;
Abb. 16 ein schematisches Diagramm eines Modells des Systems zur Luftbehandlung von Abb. 1 ist; und
Abb. 17 ein schematisches Diagramm eines Beispiels einer einzelnen Interaktion zwischen einem Luftquantum mit einer gewissen Eingangstemperatur und einem Teil des Systems zur Luftbehandlung ist.
Allgemein wird die Steuerung der Temperatur innerhalb eines Automobils durch die Verwendung verschiedener Stellglieder zur Einstellung der Temperatur und des Luftstromes erreicht, der der Fahrgastzelle des Fahrzeuges zugeführt wird. Abb. 1 zeigt schematisch ein System zur Luftbehandlung eines HVAC-Systems (zum Heizen, zum Lüften und zur Klimatisierung), das allgemein mit 20 bezeichnet ist. Das System 20 umfaßt die Anordnung der Stellglieder oder Klappen für das Armaturenbrett bzw. die Enteisung, den Boden und das Armaturenbrett, die Temperatureinstellung und die Umwälzung der Außenluft, die jeweils mit 22, 24, 26 und 28 bezeichnet sind. Die Klappen 22, 24 und 28 sind durch (nicht gezeigte) Vakuummotoren zwischen ihren verschiedenen Stellungen für das Vakuum, das partielle Vakuum und kein Vakuum auf herkömmliche Weise gesteuert, wie in Abb. 1 gezeigt ist. Die Klappe 26 wird von einem elektrischen Servomotor ebenso auf herkömmliche Weise gesteuert.
Das System 20 umfaßt auch einen Lüftermotor oder Ventilator 30 mit geregelter Drehzahl, der ein Lüfterrad 32 einschließt.
Das System umfaßt ferner Heiz- und Kühlelemente, wie einen Heizkern 34 und einen Verdampfer 36 einer typischen Klimaanlage eines Fahrzeugs. Jedes der vorstehenden Bestandteile befindet sich mit der Leitung 38 zur Steuerung der Temperatur, der Richtung des Luftstromes und des Verhältnisses zwischen Frischluft und umgewälzter Luft in Verbindung.
Für die automatische Steuerung der Temperatur und des Luftstromes in der Fahrgastzelle werden die Zustände innerhalb und außerhalb der Fahrgastzelle von Fühlern überwacht, und ein elektronischer Regler erzeugt Signale zur Steuerung der Stellglieder der Anlage gemäß den von den Fühlern angezeigten Bedingungen. Wie in Abb. 2 gezeigt ist, stellt eine typische Zusammenstellung von Fühlern des HVAC-Systems Signale bereit, die die Temperatur im Wagen, der Umgebungs- oder Außenluft, des Motorkühlmittels (ECT), der entladenen Luft und der Sonneneinwirkung darstellen. Zusätzlich liegt ein Einstellsignal oder Temperatursollwert vor, die die von Hand vom Fahrer eingestellte gewünschte Temperatur anzeigen. Andererseits werden ein Incar-Set Temperatursignal (Wageninnentemperatur minus Solltemperatur) und ein Set-75-Signal (Solltemperatur minus 75ºF) erzeugt oder errechnet.
Die Signale werden nach deren Aufbereitung durch einen Aufbereitungsschaltkreis 42 einem elektronischen Regler 40 als Eingabe zugeführt. Der Regler 40 rechnet die Eingabesignale um und stellt angepaßte Ausgabesignale für die Verwendung durch einen Hardwareregler 44 bereit, der seinerseits die Klappen 22 bis 28 zur Regelung der Temperatur und des Luftstromes und letztlich zur Aufrechterhaltung des Wohlbefindens des Fahrers und der Fahrgäste im Fahrzeug steuert.
Nun ist unter Bezugnahme auf Abb. 16 ein Modell der Auslaßtemperatur auf der Basis eines physikalischen Modells der Klimaanlage von Abb. 1 gezeigt. Man nimmt an, daß der zum Erhalt eines Luftquantums einer bestimmten Temperatur verwendete Prozeß in eine Reihe von Interaktionen zwischen diesem Quantum und verschiedenen Elementen des Systems aufgespalten werden kann. Abb. 17 gibt ein Beispiel einer solchen Interaktion zwischen einem Luftquantum bei der Temperatur Tin und einem Teil der Anlage bei einer Temperatur Telement wieder. Die Temperatur der Einlaßluft "verfällt" gegen die Temperatur des Teiles je nach der Dauer des Kontaktes der Luft mit dem Element. Die nach der Interaktion resultierende Temperatur der Luft wird wiedergegeben durch:
Tout = Tin + (Telement Tin) · (1 - e-Δt/t1)
wobei Telement die Temperatur der Komponente, t die Zeitdauer der Interaktion und t&sub1; eine Zeitkonstante für die Interaktion ist. Diese Formel stellt sicher, daß die resultierende Temperatur zwischen Telement und Tin liegt. Die Dauer der Interaktion ist eine Funktion der Drehzahl des Lüfters: Normalerweise würde man erwarten, daß die Interaktionsdauer umgekehrt proportional zur Drehzahl des Lüfters ist, jedoch weisen die Daten im Falle der Interaktion mit dem Heizkern 34 auf eine direkte Proportionalität hin.
Das System von Abb. 16 beginnt mit der Luft bei Tambient oder Tincar, je nach der Stellung der Klappe 28 für die Umwälzung. Diese Luft interagiert zunächst mit dem A/C-Kern oder Verdampfer 36 (wenn man davon ausgeht, daß keine Temperaturveränderung durch das Lüfterrad 32 stattfindet) und wird dann durch die Mischklappe 26 auf zwei Pfade aufgeteilt. Ein Teil der Luft interagiert mit dem Heizkern 34, und der Rest wird umgeleitet, um erneut auf die erhitzte Luft zu treffen und sich mit ihr zu vermischen. Es wird angenommen, daß die zum Heizkern 34 umgeleitete Luftmenge direkt proportional zur Stellung der Mischklappe ist (jedoch kann jede geeignetere mathematische Beziehung dafür eingesetzt werden). Die letzte Interaktion findet mit den Wänden der Auslaßleitung hinter der Mischklappe 26 statt. Nimmt man an, daß sich die Wände bei Tincar befinden, dann hängen die Interaktionsdauer sowie Twall von der Stellung der Klappe ab. Die verschiedenen Parameter dieses Modells werden entweder durch den gesunden Menschenverstand oder von Hand ausgewählt, um zu den Daten zu passen. Beispielsweise werden 44ºF als Tevaporator, ECT als Theater und, wie erwähnt, Tincar als Twall ausgewählt. Die Zeitkonstanten für die Interaktionen werden alle von Hand passend gemacht. Beispielsweise weisen die Daten darauf hin, daß t&sub1; groß ist, also TB Tevaporator Wie vorstehend erwähnt wurde, ist die Interaktionszeit im Falle des Heizkerns 34 zur Drehzahl des Lüfters proportional.
Das Anpassen der Parameter könnte auch über ein genaueres Verfahren wie das der kleinsten Quadrate realisiert werden.
Der errechnete Wert für die Auslaßtemperatur von diesem Modell wird mit einer Zeitkonstanten von 15 Sekunden gefiltert, um den endgültigen Wert zu liefern, der, wie unten beschrieben, von der bevorzugten Steuerungsstrategie verwendet wird. Diese Vorgehensweise beseitigt den Bedarf an einem zusätzlichen Fühler und ergibt dennoch eine Auslaßtemperatur, die innerhalb ein paar Grade entfernt vom Istwert liegt.
Ein Steueralgorithmus ist ein Name für das mathematische Verfahren, das die Fühlereingaben aufnimmt und die Steuerausgaben erzeugt. Nachstehend ist detailliert eine Steuerungsstrategie auf der Basis von Fuzzy-Logik beschrieben, wie durch die Sätze von Regeln 46 in Abb. 2 zur Steuerung der Temperaturregelung und des Wohlbefindens der Fahrgäste veranschaulicht ist.
Im Blockdiagramm des Fuzzy-Logiksystems von Abb. 2 werden die Fühlereingaben aufbereitet, angepaßt und in eine Fuzzy-Inferenzvorrichtung des Reglers 40 geleitet. Sätze von Regeln für die verschiedenen Steuerungsfunktionen Lüfterdrehzahl, Verschiebung, Sollwert, Verschiebung des Betriebsmodus, Verschiebung des Verhältnisses zwischen umgewälzter und frischer Luft, Termkalibrierung, usw. - liefern der lnferenzvorrichtung die Details der auszuführenden Strategie. Die Fuzzy-Ausgaben werden angepaßt und den Routinen weitergeleitet, um die Motoren, die Stellglieder und die Klappen zu steuern, die das Umleiten und die Klimatisierung der in die Fahrgastzelle gelieferten Luft durchführen. Der Basisregelsatz für die Steuerung organisiert die Strategie auf eine Weise, die eine leichte Kalibrierung und Einstellung der Steuerungsprozedur zuläßt.
Die Steueralgorithmen sollten berücksichtigen, daß ein Bereich von Auslaßtemperaturen als nicht besonders angenehm empfunden wird. Die übliche Vorgehensweise besteht darin, die von der Anlage gelieferten Luft zu "verbergen", wenn sich ihre Temperatur innerhalb eines gewissen Bereiches befindet. Die Luft wird "verborgen", indem sie teilweise durch den Auslaß für die Enteisung und teilweise über den Boden geleitet wird anstatt über das Armaturenbrett. Die vorliegende Patentschrift beschreibt eine Vorrichtung, wodurch überhaupt kein unangenehmer Bereich von Temperaturen erzeugt wird und doch die Einstellung und das Wohlbefinden der Insassen beibehalten werden.
Der Algorithmus zum Ausschluß der Luft wirkt, indem er die Temperatur der Auslaßluft etwas unterhalb der unteren Grenze des unangenehmen Bereiches hält, wenn dieser Bereich von unten angenähert wird, und er hält bei einer Annäherung von oben die Temperatur der Auslaßluft etwas oberhalb des unangenehmen Bereiches. Die Abb. 12 ist ein Graph der Abhängigkeit der Temperatur der Auslaßluft von der Stellung der Mischklappe (wobei andere Variablen konstant gehalten werden), der den Bereich der ausgeschlossenen Temperaturen zeigt. Die Annäherung an diesen Bereich wird mit einem beliebigen aus einer Vielzahl von Verfahren erfaßt: Tatsächliche Messung der Auslaßtemperatur, Erarbeitung der Auslaßtemperatur aus den bekannten Informationen der Fühler und der Stellglieder, oder wenn die Mischklappe gewisse obere oder untere Stellungen für bestimmte Zustände der Umgebungstemperatur erreicht, und durch die Temperatursollwerte. Wie in Abb. 2 gezeigt ist, erfolgt eine Rückkopplung der Stellung der Mischklappe zum Regler 44, was mittels eines rückkehrenden Pfeiles dargestellt ist.
Die Implementierung dieser Strategie erfolgt durch die Berechnung einer fuzzy_mode genannten Variable, die, wie in Abb. 6 gezeigt, auf die Umgebungstemperatur und die Regelungsabweichung konditioniert ist, wobei die anderen Variablen, etwa die Sonneneinwirkung und die Auslaßtemperatur, als konstant angenommen werden. Der Wert dieser Variablen bestimmt den Zeitpunkt, zu dem Übergänge zwischen den Betriebsarten stattfinden (wie durch die Pfeile in Abb. 12 wiedergegeben ist). Wenn der gegenwärtige Betriebsmodus den Boden betrifft und die entsprechende Variable eine gewisse Schwelle überschreitet, dann schaltet der Modus zum Armaturenbrett um (d. h. der Vakuummotor bewegt die Boden/Armaturenbrett-Klappe 24 in ihre NV-Position, wobei sich die Armaturenbrett/Enteisung-Klappe in ihrer V- Position befindet). Wenn der gegenwärtige Modus das Armaturenbrett betrifft und die entsprechende Variable unter eine gewisse Schwelle fällt, dann schaltet der Modus zum Boden (d. h. der Vakuummotor bewegt die Boden/Armaturenbrett-Klappe 24 in ihre V-Position, wobei sich die Armaturenbrett/Enteisung-Klappe 22 in ihrer V-Position befindet).
Die Abb. 6 zeigt den Wert von fuzzymode als Funktion der Einstellungsabweichung und der Umgebungstemperatur (diese werden angepaßt zwischen -1 und 1 gezeigt anstatt in ihren tatsächlichen Bereichen zwischen -20 und +20 für die Einstellungsabweichung und 10 und 120 für die Umgebungstemperatur). Der L-förmige flache Bereich in der Mitte der Oberfläche wird bei null bestimmt. Die Größe dieses Bereiches bestimmt die Hysterese beim Umschalten zwischen den Betriebsarten.
Gleichung 1 unten zeigt die Formel für eine lineare Steuerung aus dem Stand der Technik. Der errechnete Steuerungswert ist angepaßt und er wird sowohl für die Drehzahl des Lüfters als auch für die Betätigung der Mischklappe verwendet. Die Koeffizienten K&sub1;, K&sub2;, K&sub3; und K&sub4; sind konstante Verstärkungsfaktoren, die kalibriert werden müssen, um den Einfluß ihrer jeweiligen Ausdrücke auf die sich ergebende Steuerung auszugleichen.
Control_Value = Offset - K&sub1;*SUM + K&sub2; *(Set Point-75) + K&sub3; *(75-Ambient) + + K&sub4; *(Set_Point - Incar) (1)
In der linearen Fuzzy-Steuerung der vorliegenden Patentschrift nimmt die Berechnung die gleiche Gestalt wie oben in Gleichung 1 an, wobei nun nur einige der Koeffizienten und Variablen Fuzzy-Ausgabevariablen sind. Man betrachte beispielsweise
FL_Value = - &sub1; * SUM + G&sub2;*(Set_Point-75) + &sub3; *(75-Ambient) + + &sub4; *(Target - Incar), (2)
wo sämtliche unterstrichene Symbole Fuzzy-Ausgabevariablen darstellen, die als Funktionen der Fühlereingaben errechnet werden. Mit dem Ausdruck "Fuzzy- Ausgabevariablen" werden Variablen gemeint, die nach dem üblichen Maximum- Minimum-Algorithmus der Fuzzy-Logik aus den Fühlereingaben, wie in der oben angeführten Veröffentlichung von Mamdani beschrieben, unter Verwendung eines Satzes von Regeln errechnet werden. Diese Form schließt offensichtlich die lineare Steuerung in ihrem möglichen Steuerungsverhalten ein, sie kann jedoch in geeigneter Weise nicht linear sein und auch eine direkte Fuzzy-Steuerung enthalten, wie nachstehend hierin beschrieben ist.
Die Auswahl eines beliebigen der verschiedenen Verstärkungsfaktoren als Fuzzy- Variable erlaubt das Mischen der Kalibrierung. Angenommen, man hat als Kalibrierungswerte für &sub4; den Wert 0.45 bei Tests im Winter erhalten, den Wert 0.50 im Frühling und 0.60 im Sommer. Das in den Abb. 11a bis 11c veranschaulichte Fuzzy-Verfahren zur Auswertung könnte dazu verwendet werden, um diese Kalibrierungswerte auf eine vernünftige Weise als Funktion der Umgebungstemperatur zu mischen. Keiner der Kalibrierungswerte muß bestätigt und ausgewählt werden, stattdessen wird die Umgebungstemperatur als Indikator dafür verwendet, welche Einstellungen bei der Bestimmung des Wertes von &sub4; eine Rolle spielen.
Die Fuzzy-Variable "Target" in Gleichung 2 kann dazu verwendet werden, die Abweichung der Steuerung zu kompensieren, die verständlicherweise mit Veränderungen im Sollwert einhergeht, entweder aus physikalischen, mechanischen oder sogar psychologischen Gründen. Man nehme beispielsweise an, daß ein solcher Wert von 72ºF als das bestimmt wird, was die meisten Kunden mit "angenehm" bezeichnen; dann bedeutet ein Sollwert gerade für diesen Wert unter den meisten Bedingungen, aber in verschiedenen Jahreszeiten, unterschiedliche Temperaturen. Im Winter könnte "angenehm" eine tatsächliche Temperatur von 75ºF bedeuten, obwohl die Einstellung des Kunden bei 72ºF liegt. Im Sommer könnte ein tatsächlicher Wert von 68ºF eine Einstellung von 72ºF bedeuten. Die Abb. 11a bis 11c zeigen, wie diese "Verschiebung von der Auffassung" des Kunden durch die Fuzzy- Variable kompensiert werden könnte. Man wählt = Set_Point + , wobei sich wie im Graphen verhält.
Die Fuzzy-Variable in Gleichung 2 wird dazu verwendet, sämtliche anderen nicht linearen Effekte zu kompensieren, die nicht leicht den obigen Kategorien zugeordnet werden können. Die Abb. 7a bis 7 h zeigen die Elementfunktionen, die die Verschiebungen festlegen. Wenn man beispielsweise für den Start bei kaltem Wetter den Luftstrom über dem Heizkern 34 unterbrechen will, damit sich der Motor schneller aufwärmen kann, würde als Fuzzy-Variable der Motortemperatur ausgewählt werden. Der Wert von würde zwischen seinem gewöhnlichen Kalibrierungswert und einem Wert ausgewählt werden, der den Heizkern 34 als Funktion der Motortemperatur vollständig blockieren würde, genauso wie die Verstärkungsfaktoren als Funktion der Umgebungstemperatur gemischt wurden.
Die Fuzzy-Ausgabevariable &sub3; in Gleichung 2 wird dazu verwendet, einen höheren Wärmeverlust auszugleichen, wenn die Umgebungstemperatur sehr niedrig ist. Man fügt einfach eine Regel hinzu, die festlegt, daß wenn AMB gleich LOW ist, &sub3; groß ist (im Vergleich zu seinem normalen Wert).
All diese Eigenschaften stellen die Vorteile nicht linearer Steuerung bereit, die z. B. eine direkte Fuzzy-Logiksteuerung liefern könnte, jedoch mit einer einfacheren und natürlicheren Ordnung, die eine leichtere Kalibrierung und Einstellung erlaubt, wobei die Entwicklungszeit verkürzt wird.
Bezieht man sich wieder auf die Abb. 1 und 2 zusammen mit den Abb. 3a-3e und die Abb. 4, kann die gewünschte Lüfterdrehzahl eines Heiz- und Klimatisierungssystem 20 eines Automobils als Funktion der Temperaturabweichung (Temperatur im Wagen - Sollwert der Temperatur) und der Temperatur des Motorkühlmittels (ECT) angesehen werden. Wenn die Abweichung klein ist, ist eine niedrigere Lüfterdrehzahl erwünscht. Wenn die Abweichung positiv und hoch ist (es ist im Inneren warm), dann wird zum Abkühlen der Fahrgastzelle eine hohe Drehzahl benötigt. Wenn die Abweichung negativ ist (es ist innen kalt) und der Motor ist kalt, dann wird für die Enteisung eine niedrige Drehzahl erforderlich, aber wenn der Motor warm ist, wird zum Aufwärmen der Fahrgastzelle eine hohe Drehzahl benötigt. Die Beschreibungen "kleine Abweichung", "hohe Drehzahl" usw. sind von den Elementfunktionen in dem Satz von Regeln der Abb. 3a-3e festgelegt.
In den Abb. 3a-3e wird die Gültigkeit einer Regel aus den vorausgegangenen Elementfunktionen auf der linken Seite errechnet, die von ihren jeweiligen Eingabewerten abhängig sind. Die sich daraus ergebenden Elementfunktionen auf der rechten Seite definieren das Ausmaß der Steuerungsaktion (Drehzahl des Lüfters), die unternommen werden soll, wenn die vorausgehende Bedingung erfüllt ist.
Die heuristischen Regeln für die Drehzahlen des Lüfters sind die folgenden:
1. Wenn Incar (Wageninnentemperatur) ungefähr gleich Set Temperature ist, dann bevorzugt der Lüfter eine niedrige Drehzahl;
2. wenn Incar-Set groß ist, dann bevorzugt der Lüfter eine hohe Drehzahl;
3. wenn Ambient Temperature (Umgebungstemperatur) sehr hoch oder sehr niedrig und Incar ungefähr gleich Set Temperature ist, dann bevorzugt der Lüfter eine mittlere Drehzahl;
4. wenn Incar-Set negativ und Engine Coolant Temperature (ECT) hoch ist, dann bevorzugt der Lüfter eine hohe Drehzahl; und
5. wenn Ambient Temperature niedrig und Engine Coolant Temperature niedrig ist, dann bevorzugt der Lüfter eine niedrige Drehzahl.
Auf diese Weise variiert die Drehzahl des Lüfters mit ECT (100º bis 180ºF); die Drehzahl des Lüfters nimmt langsam zu, um unbemerkt Restluft zu entfernen; und das Geräusch des Lüfters wird aufgrund der sanften Zunahme der Drehzahlen verringert.
Die Auswertung der fünf Regeln ergibt die in Abb. 4 gezeigte Antwort. Anders ausgedrückt zeigt Abb. 4 die Antwortoberfläche, die aus dem Satz von Regeln in den Abb. 3a bis 3e resultiert. Die Drehzahl des Lüfters ist eine Funktion der Temperatur des Motorkühlmittels (ECT) und der Differenz zwischen der Wageninnentemperatur und dem Sollwert. Die Temperaturdifferenz und ECT sind in Grad Fahrenheit wiedergegeben, und die Lüfterdrehzahl ist auf die Spannung des Lüfterventilators umgerechnet. Diese eher nicht lineare Antwort ergibt für alle in den festgelegten Regeln beschriebenen Bedingungen einen Sinn und stellt doch einen sanften Übergang zwischen den Bereichen her.
Die Fuzzy-Logik ist von Natur aus nicht linear. Lineare Steuerung ist Fuzzy-Steuerung untergeordnet, und es ist möglich, Fuzzy-Steuerung linear zu machen, falls dieses erwünscht ist. In vielen Steuerungsaufgaben ist die Nichtlinearität mit Schwierigkeiten verbunden. Die bei der Fuzzy-Steuerung auftretenden Nichtlinearitäten folgen jedoch natürlich aus der Logik der gewünschten Strategie. Wenn die Strategie für die Aufgabe geeignet ist, sollte keine besondere Schwierigkeit mit der entstehenden nicht linearen Antwort auftreten. Eine beliebige andere Verfahrensweise, beispielsweise mit einer Tabelle, könnte die gleiche gewünschte Antwort erzeugen, die in Abb. 4 ersichtlich ist. Andererseits ist die beschreibende Ordnung, die zur Antwort führt, im Falle der Fuzzy-Logik besonders einfach und verständlich. Es ist gerade die Ordnung der Steuerungsstrategie als Satz von Regeln, die die Fuzzy-Logikstrategie leicht verständlich und zu warten macht.
Ein weiteres Merkmal des Fuzzy-Steuerungsalgorithmus ist, daß die Antwort in jedem besonderen Winkel (in diesem Beispiel etwa die Lüfterdrehzahl für die Enteisung) separat eingestellt werden kann, ohne anderweitig die Antwort zu beeinflussen. Wenn ein Bereich des Steuerungsraumes besonders berücksichtigt werden muß, kann eine Regel hinzugefügt werden, um eine genügende Steuerung bereitzustellen, ohne die Steuerungsaktion in anderen Bereichen des Steuerungsraumes zu beeinträchtigen. Unter erneuter Bezugnahme auf Abb. 2 verwendet der Klimaregler 40 auf der Basis von Fuzzy-Logik vorzugsweise einen Mikroprozessor "Motorola 68HC11" für seine Berechnungen. Dieser Mikroprozessor besitzt 512 Byte RAM und 12 kByte darin eingebautes ROM. Er verwendet einen 8 MHz Taktgeber, der eine Befehlszyklusdauer von 500 ns liefert. Ein A/D-Wandler mit acht Kanälen ist in den Mikroprozessor integriert. Vier der acht Kanäle werden zur Messung der vom Steuerungssystem verwendeten Eingaben verwendet, also: Umgebungs- oder Außentemperatur, Temperatur des Motorkühlmittels, Innentemperatur und Sonneneinwirkung. Eine weitere Eingabe zum System ist der Temperatursollwert, der von den Insassen des Fahrzeuges durch die Verwendung von Knöpfen auf der Vorderseite der Steuereinheit eingestellt werden kann. Die Ausgaben des Systems sind: Lufteinlaßmodus bzw. Luftauslaßmodus (Frischluft oder Umwälzung), Stellung der Mischklappe und Lüfterdrehzahl. Die letzten zwei Ausgaben nehmen kontinuierliche Werte an und der erste diskrete. Der Rechenvorgang der Fuzzy- Logiksteuerung nimmt angepaßte Eingabewerte auf und erzeugt einen einzelnen relativen Ausgabewert. Weil es vier Systemausgaben gibt, existieren vier Sätze von Regeln. Für die Ausgaben mit kontinuierlichen Werten wird der Ausgabewert der Fuzzy-Logik angepaßt und direkt verwendet; für die diskreten Ausgaben werden die Ausgabewerte mit Schwellenwerten verglichen, um bestimmte Betriebsarten oder Zustände des Systems zu erzeugen.
Der Regler 40 wird vorzugsweise hauptsächlich in C programmiert und mit einem Kreuz-Assembler zu Instruktionen des Mikroprozessors übersetzt. Jeder Satz von Fuzzy-Regeln wird in die Fuzzy-Vorrichtung als Satz von Tabellen eingegliedert, die zuvor in eine Form konvertiert wurden, die eine effiziente Berechnung zur Laufzeit erlaubt. Die Steuerungsprozedur auf der Basis der Fuzzy-Logik wird als Teil der Hauptschleife aufgerufen, die alle 30 Millisekunden ausgeführt wird. Die Fuzzy- Logikvorrichtung nimmt ungefähr 600 Byte ROM und 12 Byte RAM während ihrer Ausführung ein. Die Ausführungszeit für eine Fuzzy-Berechnung beträgt typisch 20 Millisekunden.
Unter erneuter Bezugnahme auf Abb. 2 sind die wichtigsten Eingaben an die Fuzzy-Vorrichtung die Differenz zwischen der Temperatur im Wageninneren und der eingestellten Temperatur und die absolute Temperatur des Motorkühlmittels. Die eingestellte oder Zieltemperatur wird aus einer linearen Kombination der Abweichungen von der Temperatur im Wagen von der Solltemperatur, der Umgebungstemperatur von 75ºF und der eingestellten Temperatur von 75ºF zusammen mit der Eingabe aus dem Fühler für die Sonneneinwirkung erhalten. Die Zieltemperatur wird als die Temperatur im Wageninneren definiert, die das System anstrebt, um die Abweichung von null zu erzeugen.
Während des Betriebs bei warmgelaufenem Motor wird der Verlauf der Spannung des Lüfters gegen die Zieltemperatur grob als V-förmige Kurve angegeben, wobei das Minimum der Lüfterspannung bei der Zieltemperatur auftritt. In dem Maße, wie die Temperatur im Wagen von der Zieltemperatur abweicht, nimmt die Lüfterspannung auf beiden Seiten des Zieles zu. Indem man den Elementkurven der Fuzzy- Logikeingaben eine geeignete Form verleiht, wird für jede Abweichung der Temperatur im Wagen von der Zieltemperatur eine optimale Lüfterspannung erhalten. Beim Aufwärmen von einem Kaltstart unter Heizbedingungen treten die Fuzzy- Regeln, die ihre Eingabe von der Temperatur des Motorkühlmittels erhalten, in Aktion. Wenn ECT geringer als die Temperatur CELO ist (110ºF), dann wird die Lüfterspannung bei einem Minimum gehalten und die Betriebsart der Enteisung ist wirksam. Bei der Temperatur CELO findet ein Wechsel des Betriebsmodus zum gemischten Modus statt. Der gemischte Modus bleibt für zehn Sekunden aktiv und ihm folgt dann der Bodenmodus. Oberhalb der Temperatur CELO und bis zu 180ºF besteht eine schrittweise Zunahme der Lüfterausgabe, die schließlich einen Maximalwert erreicht, der normalerweise unter Bedingungen warmgelaufenen Motors erhalten werden würde. Dieser Anstieg des Lüfters wird durch eine geeignete Formgebung der Fuzzy-Logikregeln gesteuert, die ECT und die Abweichung der Temperatur im Wagen von der Zieltemperatur als Eingabe annehmen.
Die Strategie mit der Mischklappe ist als lineare Kombination von Incar-Set, 75- Ambient, Set-75 und der Werte der Sonneneinwirkung implementiert. Die Wirkung der Mischklappe wird durch eine Eigenschaft verstärkt, die gewisse Temperaturen der Auslaßluft ausschließt. Weil es unerwünscht ist, warme Luft aus den Leitungen am Armaturenbrett und kalte Luft aus den Leitungen am Boden zu entladen, wird die Stellung der Mischklappe bei gewissen Stellungen blockiert, um ungeeignete Temperaturen der Auslaßluft zu verhindern, wenn man Übergänge im Betriebsmodus erreicht. Diese blockierten Stellungen folgen der Hysterese beim Umschalten des Betriebsmodus und erzeugen eine koordinierte Steuerung zwischen den Temperaturen der Auslaßluft und dem Umschalten des Betriebsmodus.
Zusätzlich kann der gemischte Modus, um die Temperaturen der Auslaßluft besser mit dem Umschalten des Betriebsmodus zu koordinieren, nur im automatischen Modus während des Umschaltens vom Boden zum Armaturenbrett und nicht beim Umschalten vom Armaturenbrett zum Boden begonnen werden. Beim Umschalten der Betriebsmodi sind die Stellungen der Sekundärklappen zeitlich leicht verzögert, so daß die Mischklappe die Möglichkeit hat, ihre neue Zielstellung zu erreichen, bevor die tatsächlichen Übergänge der Betriebsmodi stattfinden.
Nun kann unter Bezugnahme auf die Abb. 5a bis 5e der gewünschte Modus, um Luft in das HVAC-System 20 zu leiten, als Funktion der Umgebungstemperatur und der Temperaturabweichung betrachtet werden (lineare Temperatur - Sollwerttemperatur). Die Beschreibungen sind von den Elementfunktionen im Satz der heuristischen Regeln festgelegt, die in den Abb. 5a bis 5e gezeigt sind und wie folgt lauten:
1. Wenn Incar-Set groß ist, dann bevorzugt der Modus das Armaturenbrett;
2. wenn Incar-Set klein ist, dann bevorzugt der Modus den Boden;
3. wenn Incar ungefähr gleich Set Temperature ist, dann bevorzugt der Modus den Mittelweg zwischen Boden und Armaturenbrett;
4. wenn Incar-Set klein ist und Ambient Temperature niedrig ist, dann bevorzugt der Modus den Boden; und
5. wenn Incar-Set groß ist und Ambient Temperature hoch ist, dann bevorzugt der Modus das Armaturenbrett.
Die Auswertung der fünf Regeln gibt die in Abb. 6 gezeigte Antwort.
Das Verfahren und das System der vorliegenden Erfindung stellen zahlreiche Vorteile bereit. Beispielsweise kann das Wohlbefinden der Insassen zuverlässiger über einen größeren Bereich von Zuständen aufrechterhalten werden. Insbesondere wird das Wohlbefinden bei sich verändernder Umgebungstemperatur merklich besser beurteilt als bei der linearen Strategie aus dem Stand der Technik. Abb. 14 zeigt die Antwort des Systems auf eine ständige Zunahme der Umgebungstemperatur und wie sie von der existierenden linearen Strategie merklich abweicht. Sie stimmt an den Temperaturen an den Extremen und im mittleren Bereich überein, wurde jedoch zur Verbesserung des Wohlbefindens durch Testverfahren nachgestellt, um das Wohlbefinden zu verbessern und anderswo unterschiedlich anzusprechen.
Dieses System ist auch in der Lage, besonderen Anforderungen des Kunden in gewissen Betriebsbereichen gerecht zu werden. Die Schwankungen der Drehzahl des Lüfters werden beseitigt, wodurch das mit dem regellosen Geräusch des Lüfters einhergehende Problem verringert wird. Ein weiterer Bereich der Belange der Kunden, jener des Beginns der Drehzahl des Lüfters bei kaltem Wetter, wurde oben erörtert. Das Verfahren und das System berücksichtigen die langsame Zunahme der Temperatur des Motorkühlmittels, indem sie die Drehzahlen des Lüfters langsam anheben, wodurch sie dem System erlauben, unbemerkt die Leitungen von der restlichen kalten Luft zu befreien und den Lüfter allmählich zu seiner optimalen Drehzahl zu bringen, wie in den Abb. 3a bis 3e gezeigt ist. Der Kurve der Entwicklung der Lüfterdrehzahl kann durch die Einstellung der Elementfunktionen der Abb. 3a-3e eine passende Form verliehen werden.
Die Verwendung der folgenden Erfindung in Strategien für Systeme zur Klimasteuerung ergibt einen verbesserten Komfort der Insassen. Die Fähigkeit, maßgerecht eine allmähliche, nicht lineare Antwort bereitzustellen, hat dem Entwurf der Strategie die Behandlung gewisser Situationen ermöglicht, die in der Vergangenheit inadäquat behandelt wurden. Insbesondere wurden Belange wie die Entwicklung der Lüfterdrehzahl beim Aufwärmen bei kaltem Wetter und der auf die Umgebungstemperatur ausgerichtete Ausgleich durch den zweckmäßigen Einsatz der zusätzlichen Flexibilität verbessert, die die vorliegende Erfindung bereitstellt. Neue Fahrzeuglinien und die Erfordernisse der damit einhergehenden Ingenieurleistungen verringern die zur Entwicklung neuer automatischer Strategien zur Klimasteuerung verfügbare Zeit. Folglich sollte die Steuerungsstrategie zur gleichen Zeit entwickelt werden, in der das HVAC-System entworfen wird. Die Ordnung und Flexibilität der vorliegenden Erfindung erlauben die Entwicklung eines Satzes von Grundregeln noch bevor die Eigenschaften eines HVAC-Systems festgelegt wurden.

Claims

1. Ein Verfahren zur automatischen Steuerung eines Systems zum Heizen, zum Lüften und für die Klimatisierung (HVAC-System) von Fahrzeugen, das einen Luftstrom mit einer Entladetemperatur in eine Fahrgastzelle des Fahrzeuges entlädt, wobei das System einen geregelten Lüfter, eine Vorrichtung zur Veränderung der Lufttemperatur, Leitungen, Stellglieder mit Steuerungsarten, um die Richtung des Luftstromes und das Verhältnis zwischen frischer Luft und umgewälzter Luft zu steuern, und Fühler zum Erfassen der Temperatur in der Fahrgastzelle, der Umgebungstemperatur und eines Temperatursollwerts umfaßt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

Bestimmen der Differenz zwischen der Temperatur in der Fahrgastzelle und dem Temperatursollwert, um ein Differenzsignal zu erhalten;

Festlegen von Elementfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen dem Differenzsignal und den Steuerungsstellungen der Stellglieder; und

Erzeugen eines Satzes von Steuerungssignalen, um die Steuerungsstellungen der Stellglieder zu steuern und so das System daran zu hindern, einen Luftstrom mit einem vorbestimmten Temperaturbereich, der zwischen einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Temperatur liegt, in die Fahrgastzelle zu entladen, wobei Schritt der Erzeugung auf dem Differenzsignal, der Entladetemperatur, den Elementfunktionen und den Fuzzy-Regeln beruht.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt des Festlegens von Elementfunktionen und den Fuzzy-Regeln zwischen der Umgebungstemperatur und den Steuerungsarten der Stellglieder umfaßt und worin der Schritt des Erzeugens auch auf der Umgebungstemperatur beruht.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin einer der Fühler die Temperatur der Sonneneinwirkung mißt und worin das Verfahren ferner den Schritt des Festlegens von Elementfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen der Temperatur der Sonnenweinwirkung und den Steuerungsarten der Stellglieder umfaßt und worin der Schritt des Erzeugens auch auf der Temperatur der Sonneneinwirkung beruht.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin das System daran gehindert wird, Luft mit einer Temperatur innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches in die Fahrgastzelle zu entladen, indem die Temperatur der Luft so gesteuert wird, daß sie sich unter der ersten vorbestimmten Temperatur und über der zweiten vorbestimmten Temperatur befindet.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin das System daran gehindert wird, Luft mit einer Temperatur innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches in die Fahrgastzelle zu entladen, solange sich die Temperatur der Luft in den Leitungen unter einer dritten vorbestimmten Temperatur und über einer vierten vorbestimmten Temperatur befindet.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 5, worin die zweite und die dritte vorbestimmte Temperatur im wesentlichen gleich sind.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 5, worin die erste und die vierte vorbestimmte Temperatur im wesentlichen gleich sind.

8. Ein in einem Fahrzeug untergebrachtes Steuerungssystem zur automatischen Steuerung eines Systems zum Heizen, zum Lüften und für die Klimatisierung (HVAC- System) von Fahrzeugen, das einen Luftstrom mit einer Entladetemperatur in eine Fahrgastzelle des Fahrzeuges entlädt, wobei das HVAC-System einen geregelten Lüfter, eine Vorrichtung zur Veränderung der Lufttemperatur, Leitungen, Stellglieder mit Steuerungsarten, um die Richtung des Luftstromes und das Verhältnis zwischen frischer Luft und umgewälzter Luft zu steuern, und Fühler zum Erfassen der Temperatur in der Fahrgastzelle, der Umgebungstemperatur und eines Temperatursollwerts umfaßt, wobei das System folgendes umfaßt:

Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Differenz zwischen der Temperatur in der Fahrgastzelle und dem Temperatursollwert, um ein Differenzsignal zu erhalten;

eine Vorrichtung zur Festlegung von Elementfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen dem Differenzsignal und den Steuerungsstellungen der Stellglieder; und

eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Satzes von Steuerungssignalen, um die Steuerungsstellungen der Stellglieder zu steuern und so das HVAC-System daran zu hindern, einen Luftstrom mit einem vorbestimmten Temperaturbereich, der zwischen einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Temperatur liegt, in die Fahrgastzelle zu entladen, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung des Satzes von Steuerungssignalen auf dem Differenzsignal, der Entladetemperatur, den Elementfunktionen und den Fuzzy-Regeln beruht.

9. Ein System nach Anspruch 8, das ferner eine Vorrichtung zum Festlegen von Elementfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen der Umgebungstemperatur und den Steuerungsarten der Stellglieder umfaßt und worin die Vorrichtung zur Erzeugung den Satz von Steuerungssignalen auch auf der Grundlage der Umgebungstemperatur erzeugt.

10. Ein System nach Anspruch 8, worin einer der Fühler die Temperatur der Sonneneinwirkung mißt und worin das System ferner eine Vorrichtung zum Festlegen von Elementfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen der Temperatur der Sonneneinwirkung und den Steuerungsarten der Stellglieder umfaßt und worin die Vorrichtung zur Erzeugung die Steuerungssignale auch auf der Grundlage der Temperatur der Sonneneinwirkung erzeugt.

11. Ein System nach Anspruch 8, worin das HVAC-System daran gehindert wird, Luft mit einer Temperatur innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches in die Fahrgastzelle zu entladen, indem die Temperatur der Luft so gesteuert wird, daß sie sich unter der ersten vorbestimmten Temperatur und über der zweiten vorbestimmten Temperatur befindet.

12. Ein System nach Anspruch 8, worin das HVAC-System daran gehindert wird, Luft mit einer Temperatur innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches in die Fahrgastzelle zu entladen, solange sich die Temperatur der Luft in den Leitungen unter einer dritten vorbestimmten Temperatur und über einer vierten vorbestimmten Temperatur befindet.

13. Ein System nach Anspruch 12, worin die zweite und die dritte vorbestimmte Temperatur im wesentlichen gleich sind.

14. Ein System nach Anspruch 12, worin die erste und die vierte vorbestimmte Temperatur im wesentlichen gleich sind.