FR2824788A1 - Automobile automatic air conditioning controller, uses model of air and thermal conditions inside vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
à retard sont formés par des moyens à hystérésis intogrés au régulateur.with delay are formed by means with hysteresis integrated into the regulator.
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La présente invention concerne un dispositif de commande d'un clima- The present invention relates to a device for controlling a climate
tiseur automatique d'habitacle de véhicule automobile. automatic vehicle interior screen.
On conna^'t déjà dans l'état de la technique, des dispositifs de com- We already know in the state of the art,
mande de climatiseurs automatiques qui utilisent les informations fournies par des capteurs, afin de redéfinir périodiquement les caractéristiques de l'air à injec- ter dans l'habitacle. Ceci permet d'assurer aux passagers un certain niveau de confort thermique, en fonction des conditions climatiques variables rencontrées dans l'environnement (température extérieure, ensoleillement...) et de grandeurs liées à la marche du véhicule (température du liquide de refroidissement du mo demand for automatic air conditioners which use the information supplied by sensors, in order to periodically redefine the characteristics of the air to be injected into the passenger compartment. This provides passengers with a certain level of thermal comfort, depending on the variable climatic conditions encountered in the environment (outside temperature, sunshine, etc.) and quantities linked to the running of the vehicle (coolant temperature of the mo
teur du véhicule, vitesse du véhicule...). vehicle speed, vehicle speed, etc.).
Afin d'atteindre un niveau de confort thermique souhaité dans In order to achieve a desired level of thermal comfort in
l'habitacle, on cherche à faire évoluer et à maintenir une grandeur physique, re- the passenger compartment, we seek to develop and maintain a physical grandeur,
présentant le confort dans l'habitacle, vers une valeur cible (qui évolue en fonc- presenting comfort in the passenger compartment, towards a target value (which changes in function
tion des paramètres influençant le confort thermique ressenti par les passagers). parameters influencing the thermal comfort felt by passengers).
Cette grandeur est le plus souvent une température d'air, parfois traitée pour prendre en compte les effets de vitesse d'air, de rayonnement des surfaces ou d'humidité. La loi de commande mise en _uvre par le dispositif de commande du This quantity is most often an air temperature, sometimes treated to take into account the effects of air speed, surface radiation or humidity. The control law implemented by the control device of the
climatiseur a pour but d'agir sur les actionneurs de celui-ci afin d'amener et main- air conditioner aims to act on the actuators thereof to bring and main-
tenir la grandeur de confort mesurée à la valeur cible, qui peut étre redéfinie à keep the comfort quantity measured at the target value, which can be redefined to
chaque instant.every moment.
La difficulté consiste à amener précisément la grandeur de confort à la valeur cible, avec une dynamique suffisamment rapide, en évitant toutefois de The difficulty consists in bringing precisely the quantity of comfort to the target value, with a sufficiently rapid dynamic, while avoiding however
dépasser la valeur cible.exceed the target value.
Actuellement, les stratégies de commande sont basées sur l'utilisation Currently, ordering strategies are based on usage
de répulateurs P.l.D. (Correcteur Proportionnel - Intégral - Dérivé). of repulators P.l.D. (Proportional Corrector - Integral - Derivative).
L'action proportionnelle du régulateur permet d'assurer une bonne dy- The proportional action of the regulator ensures good dy-
namique mais elle ne permet pas d'atteindre précisément la valeur cible. Il est toutefois possible de se rapprocher de cette valeur cible en augmentant le poids de l'action intégrale de celui-ci, mais il y a alors un risque de déstabilisation du but it does not allow the target value to be reached precisely. It is however possible to approach this target value by increasing the weight of the integral action thereof, but there is then a risk of destabilization of the
système.system.
L'action intégrale permet d'assurer un ralliement parfait à la valeur ci- Integral action ensures perfect rallying to the value below
ble. Mais il est difficile de trouver un niveau d'action intégrale satisfaisant aux dif- corn. But it is difficult to find a level of integral action satisfying the diff-
férentes conditions d'état du véhicule. different vehicle condition conditions.
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Le problème est essentiellement dû à la dynamique de montée en température de la source chaude (température de liquide de refroidissement du The problem is mainly due to the dynamic of temperature rise of the hot source (coolant temperature of the
moteur dans le cas d'un véhicule automobile). Cette dynamique est variable sui- engine in the case of a motor vehicle). This dynamic is variable depending on
vant les situations de vie du véhicule (moteur chaud ou froid). Si le niveau d'action intograle est choisi afin d'obtenir une commande satisfaisante dans le cas du moteur froid, ce même niveau d'action intégrale crée un dépassement au before the life situations of the vehicle (hot or cold engine). If the integral action level is chosen in order to obtain a satisfactory command in the case of the cold engine, this same integral action level creates an overshoot at
cas o le moteur est chaud.if the engine is hot.
Inversement, si l'action intégrale est réglée de façon optimale dans le cas d'un moteur chaud, alors cette action intégrale donne une dynamique de ral Conversely, if the integral action is optimally adjusted in the case of a hot engine, then this integral action gives a dynamic of ral
liement à la valeur cible très lente, dans le cas o le moteur est froid. binding to the target value very slow, in case the engine is cold.
Il est ainsi difficile de définir une action intégrale adaptée à toutes les It is therefore difficult to define an integral action adapted to all
situations de vie perturbées du véhicule. disturbed life situations of the vehicle.
Les solutions choisies jusqu'à présent pour résoudre ces problèmes, The solutions chosen so far to solve these problems,
sont les suivantes.are the following.
Selon une première solution, on utilise une commande par régulateur P.l.D. avec une action intégrale nulle. On a alors des dynamiques rapides, sans According to a first solution, a control by a P.l.D. regulator is used. with zero integral action. We then have fast dynamics, without
dépassement, mais la valeur cible n'est pas atteinte précisément. exceeded, but the target value is not precisely reached.
Selon une seconde solution, on utilise une commande par réqulateur P.l.D. avec une action intégrale non nulle. La valeur de consigne est précisément atteinte mais des dépassements ou des dynamiques lentes apparaissent dans According to a second solution, a command by P.l.D. with non-zero integral action. The setpoint is precisely reached, but overshoots or slow dynamics appear in
certaines situations de vie du véhicule. certain vehicle life situations.
Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes et consiste à s'affranchir des défauts cités ci-dessus d'une commande PID, en utilisant une The object of the invention is therefore to solve these problems and consists in overcoming the above-mentioned faults of a PID command, by using a
commande basée sur des principes différents du réqulateur PID. control based on different principles of the PID controller.
L'invention a donc pour objet un dispositif de commande d'un climati seur automatique d' habitacle de véhicu le automobile, du type comportant des moyens de réqulation de la température dans l'habitacle sur une valeur de tem pérature de consigne, à l'aide de moyens de pilotage du climatiseur, caractérisé en ce que les moyens de pilotage comprennent des moyens de modélisation du comportement aéraulique et thermique de i'habitacle du véhicule, pour calculer des informations de commande du climatiseur afin d'obtenir dans l'habitacle la The invention therefore relates to a device for controlling an automatic air conditioner of the passenger compartment of a motor vehicle, of the type comprising means for requesting the temperature in the passenger compartment on a set temperature value, at using air conditioner control means, characterized in that the control means comprise means for modeling the aeraulic and thermal behavior of the passenger compartment of the vehicle, to calculate control information for the air conditioner in order to obtain in the passenger compartment the
température de consigne établie.set temperature set.
Suivant d'autres caractéristiques de l'invention: According to other characteristics of the invention:
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- les moyens de pilotage sont reliés en entrée à des moyens d'acquisition de températures relatives à la température de consigne, la tempéra ture dans l'habitacie du véhicule, la température de liquide de refroidissement du moteur du véhicule, la température d'ambiance de l'environnement extérieur du véhicule, et à des moyens de mesure de taux d'ensoleillement; - les moyens de pilotage sont adaptés pour piloter en sortie des ac tionneurs du climatiseur, pour permettre de commander le débit et la température the control means are connected at the input to means for acquiring temperatures relating to the set temperature, the temperature in the vehicle interior, the temperature of the coolant of the vehicle engine, the ambient temperature the outside environment of the vehicle, and means for measuring the amount of sunshine; - the control means are adapted to control the output of the air conditioner actuators, to allow control of the flow rate and the temperature
d'air puisé dans l'habitacle par le climatiseur. air drawn from the passenger compartment by the air conditioner.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va The invention will be better understood on reading the description which will
suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 représente des courbes de réqulation obtenues par diffé rents types de dispositifs de commande de climatiseur; - la Fig. 2 représente un schéma synoptique d'un mode de réalisation d'un dispositif de commande d'un climatiseur automatique d'habitacle de véhicule automobile, suivant l'invention; et - la Fig.3 représente un schéma synoptique plus détaillé du mode de réalisation du dispositif de commande suivant l'invention représenté sur la figure 2. On a représenté sur la figure 1, différents tracés illustrant différents ral liements d'une valeur effective sur une valeur cible A en fonction du niveau follow, given only by way of example and made with reference to the appended drawings, in which: - FIG. 1 shows the equation curves obtained by different types of air conditioner control devices; - Fig. 2 represents a block diagram of an embodiment of a device for controlling an automatic air conditioning system for the passenger compartment of a motor vehicle, according to the invention; and - Fig.3 shows a more detailed block diagram of the embodiment of the control device according to the invention shown in Figure 2. There is shown in Figure 1, different plots illustrating different ral liements of an effective value on a target value A depending on the level
d'action intégrale retenu dans un réqulateur PID. integral action stored in a PID controller.
Le tracé B illustre un ralliement rapide mais avec dépassement de la vaieur cible, tandis que le tracé C illustre un ralliement correct en temps mais sur une valeur imprécise et que le tracé D illustre un ralliement précis sur la valeur Trace B illustrates a rapid rally but with exceeding the target value, while trace C illustrates a correct rally in time but on an imprecise value and that trace D illustrates a precise rally on the value
cible mais trop long.target but too long.
Le tracé E illustre un ralliement correct. Route E illustrates a correct rally.
Le dispositif de commande d'un climatiseur automatique d'habitacle de véhicule automobile selon l'invention est représenté à la figure 2. Ce dispositif comporte des moyens d'acquisition d'informations désignés par la référence gé nérale 1, regroupant différents capteurs d'entrée tels que des capteurs de tempé rature de consigne 2 du dispositif, de température 3 dans l'habitacie du véhicule, de température 4 de liquide de refroidissement du moteur du véhicule, de tempé The device for controlling an automatic air conditioner of a motor vehicle cabin according to the invention is shown in FIG. 2. This device comprises means for acquiring information designated by the general reference 1, grouping different sensors for input such as setpoint temperature sensors 2 of the device, temperature 3 in the vehicle interior, temperature 4 of the vehicle engine coolant, temperature
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rature 5 d'ambiance de l'environnement extérieur du véhicule, et des moyens de mesure de taux d'ensoleillement 6, etc. rature 5 of the ambient environment of the vehicle, and means of measuring sunshine rate 6, etc.
Les différentes informations issues de ces différents capteurs sont dé- The different information from these different sensors is determined
livrées à des moyens de pilotage 7 comprenant des moyens de commande pré dictive 8, adaptés pour piloter un climatiseur 9 et plus particulièrement au moins l'un des actionneurs de celui-ci comme par exemple l'actionneur de mixage d'air chaud / froid 10, I'actionneur de puiseur 11, etc. Les moyens de pilotage 7 comportent des moyens de traitement des entrces 12 et des moyens d'élaboration des commandes 13 des différents ac delivered to control means 7 comprising pre-dictative control means 8, adapted to control an air conditioner 9 and more particularly at least one of the actuators thereof, for example the actuator for mixing hot / cold air 10, the puller actuator 11, etc. The control means 7 comprise input processing means 12 and means for developing commands 13 for the various ac
tionneurs du climatiseur.air conditioner operators.
Les moyens d'élaboration des commandes 13 comportent des moyens de modélisation thermique et aéraulique 14 de l'habitacle du véhicule et les moyens de commande prédictive 8. Les moyens de traitement des entrées 12 sont à la fois reliés aux moyens de modélisation 14 et aux moyens de commande The means for developing the controls 13 comprise means for thermal and aeraulic modeling 14 of the passenger compartment of the vehicle and the predictive control means 8. The input processing means 12 are both connected to the modeling means 14 and to the control means
prédictive 8 pour élaborer les commandes du climatiseur. predictive 8 to develop the air conditioner controls.
Ainsi, le fonctionnement du dispositif est déclenché dès lors que l'on Thus, the operation of the device is triggered as soon as one
veut faire fonctionner le climatiseur 9. wants to operate the air conditioner 9.
Les moyens de modélisation thermique et aéraulique 14 permettent d'élaborer une stratégie de commande à une valeur de confort pour l'habitacle The thermal and aeraulic modeling means 14 make it possible to develop a control strategy with a comfort value for the passenger compartment
grâce aux moyens de commande prédictive 8 qui sont en relation avec le com- thanks to the predictive control means 8 which are related to the com-
portement thermique et aéraulique du véhicule, estimé par le biais de ces thermal and ventilation performance of the vehicle, estimated using these
moyens de modélisation.modeling means.
La commande du climatiseur est alors élaborée à partir des moyens d'acquisition d'informations 1 (nécessaires à la mesure de grandeurs relatives au The control of the air conditioner is then developed from the information acquisition means 1 (necessary for the measurement of quantities relating to the
confort régnant dans l'habitacle), ainsi que du comportement thermique et acrau- comfort prevailing in the passenger compartment), as well as the thermal and
lique de l'habitacle prédit par les moyens de modélisation 14, afin d'amener les passenger compartment predicted by the modeling means 14, in order to bring the
grandeurs relatives au confort, aux valeurs souhaitées. quantities relating to comfort, desired values.
Les moyens de commande prédictive 8 sont basés sur l'étude du comportement d'un modèle embarqué dans les moyens d'élaboration des com The predictive control means 8 are based on the study of the behavior of an on-board model in the means for developing the com
mandes 13.mandes 13.
On fixe un comportement désiré pour la grandeur que l'on cherche à One fixes a behavior desired for the quantity which one seeks to
contrôler (la valeur cible à savoir la température dans l'habitacle). check (the target value, namely the temperature in the passenger compartment).
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Ce comportement désiré est appelé " trejectoire de référence ". La This desired behavior is called "reference trajectory". The
lecture inverse du modèle permet de déterminer l'action à appliquer sur le clima- reverse reading of the model makes it possible to determine the action to be applied on the climate
tiseur, qui permet de suivre au mieux, la trajectoire de référence. tizer, which makes it possible to follow the reference trajectory as well as possible.
L'application de cette action (déterminée par le modèle) sur le proces sus, (les actionneurs du climatiseur 9 et en particulier l'actionneur 10 de mixage d'air puisé) engendre un comportement effectif de la valeur de confort dans The application of this action (determined by the model) on the process, (the actuators of the air conditioner 9 and in particular the actuator 10 of forced air mixing) generates an effective behavior of the comfort value in
l' ha bitacl e.the ha bitacl e.
Une comparaison entre les comportements prévus (trajectoire de réfé- A comparison between the expected behaviors (reference trajectory
rence) et les comportements effectivement réalisés permet de prendre en rence) and the behaviors actually carried out allow taking into
compte, à terme, une prévision de l'écart entre le modèle du comportement ther- eventually counts a forecast of the deviation between the model of thermal behavior
mique et aéraulique de l'habitacle du véhicule et le comportement effectif de mique and aeraulique of the passenger compartment of the vehicle and the effective behavior of
l'habitacle du véhicule.the passenger compartment of the vehicle.
La grandeur relative au confort thermique peut être principalement fournie par au moins une mesure de température d'air dans l'habitacle. On peut également prendre en compte des paramètres tels que l'ensoleillement, le rayonnement des surfaces ou les vitesses d'air dans l'habitacle, dans The quantity relating to thermal comfort can be mainly provided by at least one measurement of the air temperature in the passenger compartment. We can also take into account parameters such as sunshine, surface radiation or air speeds in the passenger compartment, in
l'élaboration de cette grandeur relative au confort régnant dans l'habitacle. the development of this quantity relating to the comfort prevailing in the passenger compartment.
Un modèle de l'évolution dynamique de la température d'air dans l'habitacle ou d'une grandeur relative au confort thermique, peut être obtenu à partir des caractéristiques de l'air injecté dans l'habitacle (température, débit et humidité). On pourra, par exemple prendre un modèle thermique et aoraulique tel A model of the dynamic evolution of the air temperature in the passenger compartment or of a quantity relating to thermal comfort can be obtained from the characteristics of the air injected into the passenger compartment (temperature, flow rate and humidity) . We could, for example take a thermal and aoraulic model such
qu'il est décrit dans le document FR-A-2 779 097. that it is described in document FR-A-2 779 097.
On peut également utiliser un modèle simplifié de la forme: Th.Th + Th = h.Text+ (1-\h) Ts h = UA pCpV = r' UA+pCpQs We can also use a simplified model of the form: Th.Th + Th = h.Text + (1- \ h) Ts h = UA pCpV = r 'UA + pCpQs
avec p la masse volumique de l'air.with p the density of air.
Cp est la capacité de chaleur massique de l'air. Cp is the specific heat capacity of the air.
V est le volume d'air dans l'habitacle. V is the volume of air in the passenger compartment.
Qs est le débit d'air injecté dans l'habitacle. Qs is the air flow injected into the passenger compartment.
UA est le coefficient d'échange thermique moyen entre UA is the average heat exchange coefficient between
l'habitacle et l'extérieur. Il dépend notamment de la vitesse du véhicule. the interior and exterior. It depends in particular on the speed of the vehicle.
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TeX est une mesure de la température extérieure fournie par un cap- TeX is a measurement of the outside temperature provided by a cap-
teur, après traitement.after treatment.
Ts est la température d'air soufflé dans l'habitacle. Cette grandeur peut provenir d'une mesure ou étre issue d'un calcul d'estimation, prenant en compte les caractéristiques du climatiseur et de ses organes (type de climatiseur, tempé- Ts is the temperature of air blown into the passenger compartment. This quantity can come from a measurement or be the result of an estimation calculation, taking into account the characteristics of the air conditioner and its components (type of air conditioner, temperature
rature de la source chaude et de la source froide, position de l'actionneur de ges- deletion of the hot and cold sources, position of the management actuator
tion de la température, débit d'air soufflé, température d'air extérieure, position de temperature, supply air flow, outside air temperature, position
l'actionneur de recyclage, distribution adoptée). recycling actuator, distribution adopted).
Th est une température d'habitacle qui est estimoe par le modèle et Th is a cabin temperature which is estimated by the model and
dont on cherche à commander la grandeur mesurée. which one seeks to control the measured quantity.
Dans le cas du modèle simplifié cité ci-dessus, on pourra par exem- In the case of the simplified model cited above, we can for example
ple, calibrer une commande prédictive par un temps de réponse désiré de 180 ple, calibrate a predictive command by a desired response time of 180
secondes et un horizon de commande de 33 secondes, en considérant un mo- seconds and a command horizon of 33 seconds, considering a mo-
dèle en évolution indépendante vis-à-vis de celle du processus. independent evolving model vis-à-vis that of the process.
Une estimation de l'écart modèle-processus pourra étre donnée par une estimation linéaire. Ainsi, à l'instant n.Tech (ou Tech est le temps d'échantillonnage), on estimera l'écart à la date (n+m).Tech par: é(n+m) =e(n)+m.[ê(n)-ê(n-1)] An estimate of the model-process deviation can be given by a linear estimate. Thus, at time n.Tech (where Tech is the sampling time), we will estimate the difference at the date (n + m) .Tech by: é (n + m) = e (n) + m . [e (n) -ê (n-1)]
Les moyens d'élaboration des commandes sont détaillés à la figure 3. The means of developing orders are detailed in Figure 3.
Des moyens de modélisation 15 de l'habitacle reçoivent en entrée, des informations 16 issues des moyens d'acquisition décrits précédemment afin de Means for modeling the passenger compartment 15 receive, as input, information 16 from the acquisition means described above in order to
fournir un modèle sous la forme d'une température calculée 17 de l'habitacle. provide a model in the form of a calculated temperature 17 of the passenger compartment.
Cette température 17 est un des paramètres d'entrce des moyens de commande prédictive 18 et de moyens de comparaison 19 de la température calculée et d'une température mesurée 20 après passage dans des moyens de traitement This temperature 17 is one of the input parameters of the predictive control means 18 and of comparison means 19 of the calculated temperature and of a measured temperature 20 after passing through processing means.
21, pour l'estimation d'écart entre le modèle et le processus effectif. 21, for estimating the difference between the model and the actual process.
La température mesurée 20 est également une entrée de la com The measured temperature 20 is also an input of the com
mande prédictive 18, après traitement. predictive command 18, after treatment.
La commande prédictive reçoit également en entrée en plus des deux températures d'habitacle, la prédiction d'écart 22 entre les deux températures délivrée par les moyens de comparaison 19, la valeur cible 23, les paramètres du The predictive command also receives, in addition to the two cabin temperatures, the prediction of deviation 22 between the two temperatures delivered by the comparison means 19, the target value 23, the parameters of the
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modèle thermique et aéraulique 24, et les paramètres de réglage de la com- thermal and aeraulic model 24, and the parameters for adjusting the com-
mande prédictive 25.predictive command 25.
La commande prédictive 18 pilote en sortie la consigne de mixage d'air 26, la consigne de puiseur d'air 27, la consigne de distribution 28, et la consigne de recyclage d'air 29 afin de suivre au mieux la valeur cible, en pilotant The predictive control 18 outputs the air mixing setpoint 26, the air filler setpoint 27, the distribution setpoint 28, and the air recycling setpoint 29 in order to best follow the target value, in driving
les actionneurs du climatiseur.the air conditioner actuators.
L'invention permet de résoudre certains problèmes qui ne sont pas pris en compte par une commande classique P.l.D., comme la prise en compte des non-linéarités du système à commander, la prise en compte des saturations de la commande, ou encore la possibilité de définir un temps de réponse de convergence. The invention makes it possible to solve certain problems which are not taken into account by a conventional PlD command, such as taking into account the non-linearities of the system to be controlled, taking into account the saturations of the command, or even the possibility of define a convergence response time.
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