基于模糊控制的某重型車輛起步仿真分析

張雨佳 李紅勛 彭超 李心宇

摘要：根據(jù)濕式離合器起步過(guò)程的工作狀態(tài)，利用MATLAB軟件的模糊邏輯工具箱設(shè)計(jì)了某重型車起步模糊控制器，建立了起步仿真模型并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，所設(shè)汁的模糊控制器能夠顯著減少滑摩功和沖擊度，具有較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：起步過(guò)釋

濕式離合器

模糊控制 MATLAB

中圖分類號(hào)：U469.2.03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-0226（2017）09-0084-04

1前言

模糊控制是一種基于規(guī)則的智能控制方式，其特點(diǎn)是將專家的經(jīng)驗(yàn)表示為模糊語(yǔ)言，按照模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理，輸出目標(biāo)參數(shù)的值。模糊控制采用近似判斷模擬專家的思維、動(dòng)作和語(yǔ)言，不需要精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于復(fù)雜、非線性系統(tǒng)具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力。

車輛起步過(guò)程的離合器控制需要根據(jù)駕駛員的意圖和車輛狀態(tài)對(duì)結(jié)合壓力進(jìn)行連續(xù)不斷地調(diào)節(jié)和控制。以往結(jié)合壓力大多采用比例控制，這樣的控制策略難以適應(yīng)平地、坡道等復(fù)雜行駛條件，且不能反映駕駛員意圖，而對(duì)離合器采用模糊控制可以解決上述問(wèn)題。本文對(duì)某重型車輛的起步模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真分析其控制效果。

2模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，設(shè)計(jì)能夠協(xié)調(diào)起步過(guò)程產(chǎn)生的滑摩功與沖擊度的模糊控制器是非常重要的。文獻(xiàn)提出的發(fā)動(dòng)機(jī)局部恒轉(zhuǎn)速起步控制策略具有良好的控制效果，其模糊推理系統(tǒng)包括兩個(gè)模糊控制器：反映駕駛員起步意圖的模糊控制器和計(jì)算離合器壓力的模糊控制器。

2.1模糊控制器的原理

模糊控制策略的推理過(guò)程如同1所示，駕駛員意圖模糊控制器根據(jù)油門開(kāi)度及其變化率推理出反映駕駛員起步意圖的比例系數(shù)；比例系數(shù)乘以發(fā)動(dòng)機(jī)理論目標(biāo)轉(zhuǎn)速得到真實(shí)目標(biāo)轉(zhuǎn)速；離合器壓力模糊控制器根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速與真實(shí)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差及其變化率推理出濕式離合器的結(jié)合壓力。

2.1.1駕駛員意圖模糊控制器

為廠滿足車輛行駛要求，駕駛?cè)藛T需要根據(jù)需求調(diào)節(jié)油門開(kāi)度和開(kāi)度的變化率，隨著油門開(kāi)度的改變，駕駛員希望發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到的目標(biāo)轉(zhuǎn)速（發(fā)動(dòng)機(jī)不同油門開(kāi)度下最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為目標(biāo)轉(zhuǎn)速）也隨之改變。在實(shí)際起步過(guò)程中，駕駛員控制的油門開(kāi)度和開(kāi)度變化率與希望達(dá)到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是非線性火系的，因此需要對(duì)駕駛員意圖進(jìn)行模糊推理和控制。

比例系數(shù)模糊控制器是雙輸入、單輸出的模糊控制器，輸入變量為油門開(kāi)度和開(kāi)度的變化率；輸出變量為比例系數(shù)。油門開(kāi)度和開(kāi)度變化率越大， 說(shuō)明此時(shí)駕駛員希望快速起步，駕駛員意圖比例系數(shù)就應(yīng)當(dāng)越小；反之，則起步比例系數(shù)應(yīng)當(dāng)越人。

2.1.2離合器壓力模糊控制器

為了使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近，提高起步的品質(zhì)，離合器的結(jié)合壓力需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差值以及變化率來(lái)調(diào)節(jié)，隨著結(jié)合壓力的改變，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速變化率也隨之改變。在起步過(guò)程中，結(jié)合壓力與轉(zhuǎn)速差同樣是非線性的，需要對(duì)結(jié)合壓力進(jìn)行模糊推理。

結(jié)合壓力模糊控制器以發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速差為輸入變量，結(jié)合壓力變化率為輸出變量。偏差和偏差變化率越人，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將更大地偏離目標(biāo)轉(zhuǎn)速，此時(shí)應(yīng)當(dāng)減小結(jié)合壓力；反之則應(yīng)當(dāng)增人結(jié)合壓力。

2.2隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則的確定

2.2.1駕駛員意圖模糊控制器

2.2.1.1隸屬度函數(shù)的確定

油門開(kāi)度的物理范同為[0，1]，取量化因子為1，可得模糊論域?yàn)閇0，1]。將油門開(kāi)度劃分為很?。╒S）、較?。⊿），一般（M），較大（B）和很大（VB）五個(gè)隸屬函數(shù)；開(kāi)度變化率物理范圍為[0，0.2/s]，同樣取量化因了為1，可得其模糊論域?yàn)閇0，0.2]，同樣將油門開(kāi)度變化率劃分為很小、較小，一般，較大和很大五個(gè)隸屬函數(shù)。駕駛員意圖比例系數(shù)的物理論域?yàn)閇0.9，1]，模糊論域同樣為[0.9，1]，將駕駛員意圖劃分為緊急起步（VS）、急起步（S）、正常起步（M）、慢起步（B）和爬行工況（VB）五個(gè)隸屬函數(shù)。

隸屬度函數(shù)曲線以識(shí)別率高的三角形隸屬函數(shù)和穩(wěn)定性能好的高斯型隸屬函數(shù)為主，結(jié)合隸屬度函數(shù)個(gè)數(shù)和模糊論域，制定隸屬度曲線如圖2所示。

2.2.1.2模糊規(guī)則和清晰化的設(shè)定

根據(jù)駕駛員意圖確定推理規(guī)則：當(dāng)油門開(kāi)度處于很大且開(kāi)度變化率很大時(shí)，表明駕駛員希望快速起步，為了縮短起步時(shí)間，此時(shí)希望發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠快速到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，即目標(biāo)轉(zhuǎn)速的比例系數(shù)應(yīng)當(dāng)處于緊急起步；當(dāng)車輛油門開(kāi)度處于很小且變化率處于負(fù)小時(shí)，表明駕駛員希望慢起步，此時(shí)希望發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速緩慢接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速，即比例系數(shù)應(yīng)當(dāng)處于爬行起步，制定駕駛員意圖比例系數(shù)模糊規(guī)則如表1所示。

使用MATLAB模糊工具箱設(shè)計(jì)的比例系數(shù)模糊控制器，其推理方法采用簡(jiǎn)單直觀、廣泛采用的Mamdani型推理，根據(jù)推理規(guī)則得到的比例系數(shù)模糊推理系統(tǒng)輸出曲面，如圖3所示。清晰化計(jì)算方法采用的是具有平滑輸出推理控制的重心法計(jì)算公式為

2.2.2離合器壓力模糊控制器

2.2.2.1隸屬度函數(shù)的確定

轉(zhuǎn)速偏差的物理范圍為[-500r/min，500r/min]，設(shè)計(jì)模糊論域?yàn)閇-6，6]，則比例因子為0.012，模糊論域包括負(fù)大（NB）、負(fù)小（NS）、中（Z）、正?。≒S）、正大（PB）五個(gè)隸屬函數(shù)。速差變化率物理范圍定為[-lOOOr/min/s，lOOOr/min/s]，同樣設(shè)計(jì)模糊論域?yàn)閇-6，6]，則其比例因子為0.006，其模糊論域與偏差一致。不同國(guó)家的沖擊度標(biāo)準(zhǔn)不同，我國(guó)為17.64m/S³，德國(guó)為10m/S³，前蘇聯(lián)為31.4m/S³。根據(jù)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定結(jié)合壓力變化率的目標(biāo)變化范圍為[-500N/s，500N/s]，模糊論域?yàn)閇-6，6]，此時(shí)比例系數(shù)為83。在MATLAB模糊工具箱中設(shè)定轉(zhuǎn)速差、速差變化率以及離合器壓力變化率隸屬度函數(shù)如圖4所示。

2.2.2.2模糊規(guī)則和清晰化的設(shè)定

車輛所用發(fā)動(dòng)機(jī)為WP12.480型柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)如表2所示。

離合器壓力的模糊推理為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差處于正大且變化率處于正大時(shí)，說(shuō)明此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，為了在起步過(guò)程中使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近，離合器需要傳遞更大扭矩，即結(jié)合壓力變化率應(yīng)當(dāng)處于正大；當(dāng)轉(zhuǎn)速差處于負(fù)大而變化率亦處于負(fù)大時(shí)，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速，為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載扭矩，離合器扭矩應(yīng)當(dāng)降低，即結(jié)合壓力變化率應(yīng)當(dāng)處于負(fù)大。根據(jù)結(jié)合壓力變化率原理制定離合器結(jié)合壓力的模糊推理規(guī)則如表3所示

根據(jù)模糊規(guī)則得到輸出量和輸入量的函數(shù)關(guān)系曲面表示與前文類似，在此不予列出，結(jié)合壓力模糊控制器的清晰化仍采用重心法。

3模糊控制系統(tǒng)的建立

將駕駛員意圖模糊控制器和離合器壓力模糊控制器嵌入模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）模塊中，使用信號(hào)（SignalBuilder）模塊模擬油門開(kāi)度，將不同油門開(kāi)度的目標(biāo)轉(zhuǎn)速輸入到查表（Look Up Table）模塊中，以油門開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速為輸入，離合器結(jié)合壓力為輸出，基于MATLAB/Simulink平臺(tái)建立離合器結(jié)合壓力的模糊控制系統(tǒng)如圖5所示。

4仿真結(jié)果分析

某重型特種車輛仿真主要參數(shù)如下：整車質(zhì)量為15000kg，一到七擋傳動(dòng)比分別為7.63、3.51、1.91、1.43、1、0.74、0.64，倒擋傳動(dòng)比為4.8，主減速比為9，迎風(fēng)面積為5㎡，空氣阻力系數(shù)為0.816，車輪半徑為501mm，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.018。

為了對(duì)比車輛起步時(shí)模糊控制策略的有效性，以在Simulink平臺(tái)下給定比例變化的壓力仿真結(jié)果作為對(duì)比，對(duì)起步過(guò)程仿真結(jié)果進(jìn)行處理，得到車輛起步?jīng)_擊度和離合器滑摩功的仿真結(jié)果如圖6、7所示。

圖6仿真結(jié)果可以看出，在車輛起步過(guò)程中，模糊控制策略時(shí)，車輛的起步?jīng)_擊度為14.64m/s³，滿足沖擊度小于17.64m/S³的標(biāo)準(zhǔn)值；而當(dāng)采用比例控制策略時(shí)，車輛的起步?jīng)_擊度為26.93m/s³，將嚴(yán)重影響乘坐的舒適性及車輛安全性。

根據(jù)圖7仿真結(jié)果可以看出，模糊控制策略時(shí)，僅用時(shí)1.1s，離合器閾值就從100%降為0，此時(shí)離合器產(chǎn)生的滑摩功為29000J；當(dāng)采用比例控制策略時(shí)，離合器閾值從100%降為0需要1.7s，產(chǎn)生的滑摩功為49000J，參考某重型特種車起步過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，起步滑摩時(shí)間應(yīng)在1s左右，滑摩功應(yīng)控制為30000J左右，因此該模糊控制策略將極大地延長(zhǎng)離合器使用壽命，控制效果良好。

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)離合器結(jié)合壓力進(jìn)行了模糊控制，在Simulink仿真平臺(tái)建立了車輛起步的控制系統(tǒng)并進(jìn)行了起步仿真，結(jié)果表明車輛獲得了更高的起步品質(zhì)，降低了起步?jīng)_擊度的同時(shí)縮短了離合器滑摩時(shí)間，減少了滑摩功，可見(jiàn)制定的模糊控制策略能夠有效改善車輛的起步品質(zhì)。

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