模糊PI控制在EMT臺架上的調(diào)速研究

杜常清，趙文帥，武冬梅

（武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點試驗室，武漢 430070）

電驅(qū)動機械式自動變速器EMT，是依據(jù)混合動力系統(tǒng)的特點開發(fā)出的動力耦合系統(tǒng)，在變速器輸入軸上將電機進行集成安裝，取消了變速器中的同步器，利用電機實現(xiàn)主動調(diào)速，能實現(xiàn)縮短換擋時間并提升換擋品質(zhì)[1]。EMT換擋過程分為5個階段，即驅(qū)動力卸載、退擋、選擋和主動同步、進擋、驅(qū)動力恢復(fù)。經(jīng)過系統(tǒng)的臺架試驗，在EMT執(zhí)行換擋過程中，EMT電機轉(zhuǎn)速主動同步所需的時間較長[2-3]。為此，進行了基于PI控制器的EMT電機速度環(huán)調(diào)速程序設(shè)計和調(diào)速試驗。但在PI控制過程中，參數(shù)難以整定，為實現(xiàn)EMT電機的調(diào)速性能的優(yōu)化，盡可能縮短調(diào)速時間，提供了能實現(xiàn)參數(shù)自整定的模糊PI控制器的設(shè)計方案，并通過試驗驗證方案的可行性[4]。本文通過軟件實現(xiàn)模糊控制，在PLC調(diào)速程序中寫入模糊PI控制子程序，包括轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)讀取、模糊化、在線查詢模糊控制表及數(shù)據(jù)輸出。即通過在線計算電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差e及偏差變化率ec，以此作為模糊PI控制子程序的輸入量，由量化因子Ke和Kec將輸入量模糊化，在PLC預(yù)定的存儲器中在線查表獲取模糊PI的控制參數(shù)。

1 EMT臺架調(diào)速系統(tǒng)

1.1 測試臺架總體結(jié)構(gòu)

EMT測試臺架由CAN總線系統(tǒng)、系統(tǒng)控制器、EMT系統(tǒng)、負載模擬系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成[5]，如圖1所示。負載電機及其控制器用來模擬換擋環(huán)境，EMT系統(tǒng)包括液壓換擋執(zhí)行機構(gòu)、齒輪系統(tǒng)及EMT電機。EMT換擋過程中，系統(tǒng)處于動力中斷階段。故在此不考慮負載模擬系統(tǒng)，僅使用EMT系統(tǒng)進行試驗研究。

圖1 EMT試驗臺架結(jié)構(gòu)示意Fig.1 EMT test bench structure diagram

1.2 EMT電機選型

EMT電機是該動力耦合系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的部件，其工作性能對EMT系統(tǒng)的換擋性能有很大影響，進而影響到整車的動力性及經(jīng)濟性。相對于直流電動機、交流異步電機，永磁電機具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點，便于在小型車上布置；對比開關(guān)磁阻電機，永磁電機的功率密度高且有較高的負荷效率[6]。因此，該臺架選擇永磁同步電機作為EMT電機，電機參數(shù)如表1所示。

1.3 模糊PI控制系統(tǒng)調(diào)速過程

系統(tǒng)控制器（PLC）從電機反饋的CAN報文中提取EMT電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速，同時讀入目標(biāo)轉(zhuǎn)速并計算偏差及偏差變化率，將計算結(jié)果進行模糊化，依此進行在線查詢模糊控制規(guī)則表[7]。將相對應(yīng)的PI整定參數(shù)傳送至PI控制器，再由PLC將模糊PI控制器的運算結(jié)果以CAN報文的形式發(fā)送給電機，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步。模糊PI控制示意如圖2所示。

表1 EMT電機參數(shù)Tab.1 EMT motor parameters

圖2 模糊PI控制示意Fig.2 Schematic diagram of fuzzy PI control

2 模糊PI控制器的設(shè)計

模糊控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要實時監(jiān)測被控制對象，并將進行模糊推理得到的結(jié)論使用在控制系統(tǒng)中。模糊控制的過程分為從被控量輸入到模糊量的轉(zhuǎn)換，即模糊化過程；建立模糊控制規(guī)則；模糊量到精確輸出量的轉(zhuǎn)換，即解模糊[8-9]。

圖3 模糊PI控制查詢表的生成Fig.3 Fuzzy PI control query table generation

2.1 模糊化過程

采用Mamdani模糊模型，使用模糊關(guān)系表來實現(xiàn)模糊規(guī)則，即用兩維輸入的可查詢表格表示模糊規(guī)則庫，利用前后的模糊語言變量進行在線查模糊關(guān)系表計算控制量[10]。文中涉及到的模糊控制器的結(jié)構(gòu)是單變量二維模糊控制器，利用EMT電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差e和偏差變化率ec作為系統(tǒng)的輸入變量，以ΔKe、ΔKi作為輸出變量。

2.1.1 基本論域

設(shè)定EMT電機臺架測試的最高目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1424 r/min，允許誤差為±2%，為便于系統(tǒng)計算，將目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實時轉(zhuǎn)速均除以1000。偏差e的論域為［-0.3，+0.3］，偏差變化率 ec 的論域為［-2，+2］，輸出 ΔKp的論域范圍為［-0.3，0.3］，輸出 ΔKi的論域范圍為［-0.25，0.25］。綜合考慮控制精度以及模糊PI控制器的計算效率，將輸入變量劃分為7個等級。輸入模糊語言變量E和EC的描述為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，相對應(yīng)的符號分別為 E=｛NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB｝，EC=｛NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB｝。 輸出控制量 ΔKp和 ΔKi對應(yīng)語言變量劃分為5個等級，描述為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大；對應(yīng)符號為｛NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB｝。將偏差e和偏差變化率ec量化為模糊論域｛-3，-2，-1，0，+1，+2，+3｝。 輸出量 ΔKp和ΔKi量化為模糊論域｛-3，-2，-1，0，+1，+2，+3｝。

2.1.2 量化因子

在模糊化處理過程中，須將輸入變量從基本論域經(jīng)量化因子作用轉(zhuǎn)換到對應(yīng)的模糊集論域中[11]。偏差的量化因子Ke=n/xe=3/0.3=10，偏差變化率的量化因子Kec=m/xec=3/2=1.5。

在偏差較大的范圍采用低分辨率隸屬函數(shù)模型，即PB、NB采用S形隸屬度函數(shù)；在偏差較小的范圍使用高分辨率隸屬函數(shù)的模型，即其他語言變量采用三角形隸屬度函數(shù)[12]。

圖4 偏差e和偏差變化率ec的隸屬度函數(shù)Fig.4 Membership function of deviation and deviation rate

圖5 ΔKp和ΔKi的隸屬度函數(shù)Fig.5 Membership function of ΔKpand ΔKi

2.2 模糊控制規(guī)則及解模糊化

根據(jù)模糊控制相關(guān)理論及大量實際試驗制定ΔKp和ΔKi的模糊控制規(guī)則，利用Matlab模糊工具箱進行分析。規(guī)則的核心為當(dāng)偏差較大時，需要提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，取較大的比例系數(shù)Kp；中等偏差時，取較小的Kp和適當(dāng)?shù)腒i，降低系統(tǒng)超調(diào)量；偏差較小時，取較大的Kp和Ki，保證系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性。輸出量ΔKp和ΔKi的模糊規(guī)則云圖如圖6、圖7所示。在此，選取適用于隸屬度函數(shù)對稱的加權(quán)平均法解模糊[13-14]。

圖6 輸出ΔKp的規(guī)則云圖Fig.6 Rule cloud chart of ΔKp

圖7 輸出ΔKi的規(guī)則云圖Fig.7 Rule cloud chart of ΔKi

2.3 模糊控制規(guī)則查詢表的生成

根據(jù)所設(shè)計的模糊控制器，利用Simlink建立測試模型，使用其中的System Test工具進行模型測試，得到離散化的輸入與輸出的關(guān)系數(shù)表，如圖8、圖9所示。

圖8 ΔKp的三維模糊控制查詢圖表Fig.8 3D fuzzy control query chart of ΔKp

圖9 ΔKi的三維模糊控制查詢圖表Fig.9 3D fuzzy control query chart of ΔKi

編寫PLC程序，將測試得到的模糊PI查詢數(shù)表寫入數(shù)據(jù)塊，由中斷程序定義掃描周期，程序初始化時載入模糊控制數(shù)表。在PLC工作中周期性地計算偏差及偏差變化率，并進行模糊化、查詢模糊控制表、解模糊化運算，返回所需要的PI控制參數(shù)。

3 臺架試驗

3.1 試驗程序的編寫

EMT電機調(diào)速試驗分為程序初始化、實時轉(zhuǎn)速讀取及差值分析、在線查表、PI控制器、超速保護。程序初始化用于對程序運行中所用到的標(biāo)志位、計數(shù)器的初始化，并定義程序運行周期，CAN報文的設(shè)置以及數(shù)據(jù)存儲區(qū)的定義也在初始化時進行。實時轉(zhuǎn)速讀取及差值分析用于獲取模糊PI控制器的輸入偏差e及偏差變化率ec。通過獲取的偏差e及偏差變化率ec進行模糊化運算，并依據(jù)運算得出的模糊語言變量進行在線查表，獲得PI控制器的控制參數(shù)。超速保護模塊用來防止因電機或程序故障而出現(xiàn)不可控的轉(zhuǎn)速波動。

圖10 EMT電機模糊PI調(diào)速程序流程Fig.10 Flow chart of EMT motor fuzzy PI speed regulation program

3.2 臺架試驗及數(shù)據(jù)采集

低壓系統(tǒng)上電后，使用LabVIEW編寫的上位機監(jiān)控系統(tǒng)解析通過智能CAN接口卡傳輸?shù)腃AN報文，以此獲得EMT電機的狀態(tài)參數(shù)和高壓供電系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)。在進行試驗之前，EMT置于空擋且充分預(yù)熱，使用PLC的填表指令將離線計算的模糊PI查詢表的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)表的形式存放在堆棧式存儲器中，并將采用STEP7編制好的PLC程序及組態(tài)下載至S7-200中。使用CANTest軟件以10 ms為周期，以適當(dāng)?shù)臅r間間隔依次發(fā)送不同的目標(biāo)轉(zhuǎn)速報文，在每一個掃描周期內(nèi)，PLC接收CAN報文后進行解析，提取目標(biāo)轉(zhuǎn)速與EMT電機實時轉(zhuǎn)速并將二者進行比對計算。通過PLC程序的順序掃描，計算得到轉(zhuǎn)速偏差e及偏差變化率ec，模糊化后進行查詢表模塊操作，將偏差及偏差變化率對應(yīng)的ΔKp和ΔKi解模糊化后傳送給PI控制器，將PI控制器的運算結(jié)果進行CAN報文填寫，進而輸出給EMT電機控制器。

在臺架試驗過程中，上位機監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示EMT電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩曲線、電機動態(tài)參數(shù)，并實時記錄保存試驗數(shù)據(jù)，試驗進行3次。試驗結(jié)束后，利用Matlab進行數(shù)據(jù)整理，剔除穩(wěn)定階段的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，重點展現(xiàn)電機控制器內(nèi)置模塊與模糊PI控制算法在調(diào)速階段的差異，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制圖形。

以試驗臺架換擋過程中一擋與二擋間擋位切換為例，在升至二擋的調(diào)速過程中，轉(zhuǎn)速由1424 r/min降低至912 r/min，平均調(diào)速時間由155.6 ms減少到102.5 ms，試驗結(jié)果如圖11所示；在退至一擋的調(diào)速過程中，轉(zhuǎn)速由646 r/min升高至1158 r/min，平均調(diào)速時間由166.3 ms減少到96.8 ms，有輕微超調(diào)現(xiàn)象但超調(diào)量不到1.5%，試驗結(jié)果如圖12所示。

圖11 一擋升至二擋時，兩種調(diào)速方式的對比Fig.11 Rose to the second gear，the two speed mode comparison

圖12 二擋降至一擋時，兩種調(diào)速方式的對比Fig.12 Down to the first gear，the two speed mode comparison

經(jīng)計算分析，調(diào)速完成后的穩(wěn)態(tài)偏差在±1.2%以內(nèi)，滿足EMT換擋對調(diào)速精度的要求。因此，所設(shè)計的模糊PI控制算法能使EMT電機調(diào)速性能得到較為明顯的改善，EMT系統(tǒng)能在更短的時間內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步，換擋過程所耗費時間減少且因擋位切換引起的沖擊較小。

4 結(jié)語

本文基于EMT測試試驗臺架，重點對傳遞轉(zhuǎn)矩大，對調(diào)速精度要求高的低擋位進行試驗。依次完成在線獲取實時轉(zhuǎn)速及電機運行參數(shù)；依靠Matlab中的模糊控制工具箱進行了隸屬度函數(shù)的選取，模糊規(guī)則的制定以及模糊控制查詢表的生成；以PLC為硬件載體進行了模糊控制與PI控制相結(jié)合的控制算法的程序化實現(xiàn)等工作。經(jīng)過多次試驗與修正，所設(shè)計的模糊PI控制調(diào)速程序能實現(xiàn)對EMT換擋中調(diào)速過程的優(yōu)化，縮短轉(zhuǎn)速同步時間，能更好地改善轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的接續(xù)性并減少換擋過程的沖擊。

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