基于模糊算法的輪轂馬達控制策略研究

姚斌　林溫建　金寅德

摘 要：重型車輛在國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和快速發(fā)展中，具有不可或缺的重要地位。重型車輛在加裝輪轂液驅(qū)系統(tǒng)后，液壓系統(tǒng)的輪轂馬達控制便成為其中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。在通過復(fù)雜路況時，通過輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的馬達助力，可以顯著提升車輛的牽引力和通過性能。本文通過模糊PID控制器控制實現(xiàn)對輪轂馬達的轉(zhuǎn)速性能控制，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。

關(guān)鍵詞：輪轂馬達 模糊PID 控制

1 前言

重型車輛在國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和快速發(fā)展中，是作為一種重要的運載工具，在我國現(xiàn)代化建設(shè)過程中，具有不可或缺的重要地位。目前，國內(nèi)市場對重型車輛的需求不斷擴大，國外各大重型汽車品牌也開始進軍我國市場，重型車輛市場競爭愈來愈白熱化。面對不斷升級的國內(nèi)外競爭，努力提高我國重型車輛車企的核心技術(shù)，不斷開拓創(chuàng)新，是我國國內(nèi)重型車輛生產(chǎn)制造企業(yè)生存發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)需求不斷提升，重型車輛經(jīng)常被要求在復(fù)雜的路面環(huán)境下行駛，有些行駛工況甚至較為惡劣，這些路面環(huán)境附著系數(shù)低，整車容易出現(xiàn)車輪打滑的情況，進而導(dǎo)致驅(qū)動力不足，這對重型車輛的牽引性能和底盤性能提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的機械式全輪驅(qū)動方案雖然在一定程度上能提高重型車輛的牽引能力，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動效率較低。輪轂液驅(qū)系統(tǒng)是新興的解決重型車輛牽引能力的一種思路，系統(tǒng)通過電液比例閥，帶動安裝在非驅(qū)動輪輪轂內(nèi)的液壓馬達，由其適時地向車輛提供輔助驅(qū)動力，從而提高重型車輛在復(fù)雜工況工況下的驅(qū)動力。相較于傳統(tǒng)的機械式全輪驅(qū)動系統(tǒng)，輪轂液驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，過載能力強，控制策略靈活，較低系統(tǒng)重量。因此，搭載了輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的重型車輛具有良好的應(yīng)用前景，市場競爭力更強。

重型車輛在加裝輪轂液驅(qū)系統(tǒng)后，液壓系統(tǒng)的輪轂馬達控制便成為其中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的一部分動力通過液壓油從而驅(qū)動輪轂馬達轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)適時四驅(qū)運行，使其輸出功率與工況需求相匹配。因此，本文就重型車輛的輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的液壓馬達，研究系統(tǒng)控制策略，從而提高重型車輛在復(fù)雜工況下的牽引力和通過性能。

2 輪轂馬達液驅(qū)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

重型汽車在通過復(fù)雜路況時，通過輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的馬達助力，可以顯著提升車輛的牽引力和通過性能。在助力模式下時，發(fā)動機動力通過變速箱等傳動機構(gòu)傳遞到后輪，而電液比例閥帶動安裝在非前輪輪轂內(nèi)的液壓馬達，實現(xiàn)適時四驅(qū)。

由此可見在重型車輛輪轂液驅(qū)系統(tǒng)模型中，發(fā)動機的輸出動力通過兩條路線，分別傳遞到前后車輪。其中一條是經(jīng)離合器、變速器、傳動軸、主減速器和差速器，傳遞到后輪驅(qū)動車輪。另外一條是取力器將發(fā)動機的一部分動能通過電液比例閥，帶動帶動前輪輪轂內(nèi)的液壓馬達運動。

液壓馬達作為輪轂液驅(qū)系統(tǒng)中的核心元件，其選型也至關(guān)重要了。為了保證車輛在復(fù)雜路況下，能有足夠的牽引力，液壓馬達必須在助力時輸出大扭矩，且應(yīng)具有高負(fù)載力、低慣性等特點，因此選擇徑向柱塞式輪轂馬達較為適合系統(tǒng)要求。在選擇液壓馬達的參數(shù)時，因以車輛行駛在復(fù)雜路況下失去牽引力時發(fā)動機傳遞到前輪的動力值，以及電液比例閥所提供的流量、功率的要求來確定液壓馬達的設(shè)計參數(shù)。

在輪轂馬達轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩理論計算時，假設(shè)電液比例閥的輸出流量，等量流入兩個前輪輪轂馬達中，則輪轂馬達轉(zhuǎn)速為：

輪轂馬達的輸出轉(zhuǎn)矩為：

其中，n為輪轂馬達的轉(zhuǎn)速，q為電液比例閥的額定流量，V為輪轂馬達排量，T為輪轂馬達的輸出轉(zhuǎn)矩，為輪轂馬達進出油口壓力差。

3 輪轂馬達控制策略

在輪轂馬達液壓系統(tǒng)中，馬達轉(zhuǎn)速的控制一般通過PID控制器來實現(xiàn)，但是PID控制器一般對線性模型控制精度較高，對于非線性、強耦合的系統(tǒng)難以達到理想的控制效果難。因此在很多非線性的控制模型中，采用了模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、專家算法等控制算法，從而達到預(yù)期的控制效果。本論文針對輪轂馬達的控制，采用模糊PID算法實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)速。

輪轂馬達的控制驅(qū)動主要是根據(jù)車輛行駛狀態(tài)以及當(dāng)前液驅(qū)系統(tǒng)實時狀態(tài)來進行控制，通過電液比例閥，進而控制輪轂馬達的輸出。

在輪轂馬達控制系統(tǒng)中，控制對象是輪轂馬達的轉(zhuǎn)速性能控制，因此可將馬達的轉(zhuǎn)速的偏差以及偏差的變化率設(shè)定為控制器的輸入變量。利用模糊控制器，從而實現(xiàn)對PID控制器中比例、微分、積分變量的調(diào)整，進而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，如圖1所示。

圖1，r（t）為系統(tǒng)期望值;y（t）為系統(tǒng)實際輸出值;e和ec分別代表了系統(tǒng)偏差和偏差變化率;E和EC分別代表模糊后系統(tǒng)偏差和偏差變化率;KP，KI，和KD分別代表了模糊PID控制器中的比例、積分和微分控制參數(shù)。輪轂馬達通過模糊PID控制器使y（t）達到期望值r（t）。

設(shè)計的模糊PID控制器將被控對象輪轂馬達的轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化率作為控制器的輸入變量，通過分析兩者的變化來決定輸出變量KP，KI，和KD。在控制參數(shù)模糊化前，首先要確定其基本語言值，然后根據(jù)語言值確定其隸屬函數(shù)和論域。一般來說，一個語言變量的語言值越多，對事物的描述就越準(zhǔn)確，可能得到的控制效果就越好。不過，過細的劃分反而有可能使控制規(guī)則變得很復(fù)雜。因此，應(yīng)依據(jù)具體情況而定。

本系統(tǒng)中設(shè)計的模糊PID控制器將轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化率的論域量化為[-5，5]，將變量e和ec模糊化，其對應(yīng)的模糊變量分別為很低（NM），比較低（NS），適中（O），比較高（PS），很高（PM）五個模糊子集，即：

e={NM，NS，O，PS，PM}

ec={NM，NS，O，PS，PM}

對于隸屬函數(shù)的確定主要靠經(jīng)驗，即總結(jié)實驗中的操作經(jīng)驗，根據(jù)實驗中測得的數(shù)據(jù)，對隸屬度值進行相應(yīng)的擬合，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計輪轂馬達模糊PID控制器時可采用三角函數(shù)作為隸屬函數(shù)，同時三角函數(shù)具有形狀簡單，計算工作量小，而且三角形狀的隸屬函數(shù)比正態(tài)隸屬函數(shù)更具有較大的靈敏度，當(dāng)存在偏差時，就能迅速的產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。

模糊控制器設(shè)計的核心是通過總結(jié)理論知識以及實驗中的操作經(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表，本系統(tǒng)通過分析輪轂馬達轉(zhuǎn)速偏差E和轉(zhuǎn)速偏差變化率EC的變化來計算輸出變量KP，KI，和KD的值。當(dāng)輪轂馬達轉(zhuǎn)速偏差E較大時，為縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間，取較大的KP;當(dāng)輪轂馬達轉(zhuǎn)速偏差E和轉(zhuǎn)速偏差變化率EC為中等數(shù)值時，為避免控制系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，則取較小的KP和適當(dāng)?shù)腒I;當(dāng)輪轂馬達轉(zhuǎn)速偏差E較小時，取較大的KP和KI值，同時根據(jù)變化率EC，選取合適的KD值。

模糊變量的清晰化方法有很多種，本系統(tǒng)采用加權(quán)平均判決法對變量進行清晰化處理，為簡單起見，選取隸屬函數(shù)作為加權(quán)系數(shù)。這種計算方法類似重心的計算，所以在很多情況下也稱其為重心法。用上述方法，輸入模糊PID控制器的輪轂馬達轉(zhuǎn)速偏差E和轉(zhuǎn)速偏差變化率EC的每一個值，都能夠用加權(quán)平均判決法計算出確定的輸出值，根據(jù)模糊控制規(guī)則以及模糊變量的清晰化方法，對所有可能的輸入，都進行離線計算，最終實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

利用MATLAB軟件繪制出輪轂馬達轉(zhuǎn)速偏差E和轉(zhuǎn)速偏差變化率EC的模糊規(guī)則曲面圖，如圖2和圖3所示。

該窗口以圖形的形式顯示了模糊推理系統(tǒng)的輸入輸出特性曲面，在該窗口內(nèi)可用菜單選項改變相應(yīng)的參數(shù)可以查看不同性質(zhì)的圖像。由圖像觀察，所建立的輪轂馬達模糊PID控制推理系統(tǒng)的輸入輸出特性曲面較為光滑，沒有突變，曲面性能較好。

4 結(jié)語

重型汽車在通過復(fù)雜路況時，通過輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的馬達助力，可以顯著提升車輛的牽引力和通過性能。本文通過模糊PID控制器控制實現(xiàn)對輪轂馬達的轉(zhuǎn)速性能控制，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。

基金項目：2021年浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院科研項目（青年專項）“輪轂液驅(qū)系統(tǒng)熱力學(xué)建模及控制策略研究”（KY202122）。

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