基于轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)的液黏調(diào)速控制方法研究

汪首坤， 王曉軍， 王 亮 ， 郭劉洋， 汪滸江

(1.北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100081； 2.北京理工大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)智能控制與決策國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081；3.北京理工大學(xué)伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)與控制工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081;4.中國北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072)

引言

液黏調(diào)速系統(tǒng)利用液體黏性傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，由于其具有傳動(dòng)效率高、啟動(dòng)安全等優(yōu)勢(shì)，液黏調(diào)速系統(tǒng)在大功率傳動(dòng)設(shè)備的軟啟動(dòng)與調(diào)速過程中廣泛使用，如大型傳輸機(jī)、水泵、重型車輛車載風(fēng)機(jī)等調(diào)速系統(tǒng)。由于液黏調(diào)速系統(tǒng)工作過程中存在死區(qū)、滯環(huán)、滯后等嚴(yán)重的非線性現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速誤差較大，在調(diào)速域內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的輸出轉(zhuǎn)速控制比較困難，故一般使其工作在開關(guān)狀態(tài)，沒有充分利用其調(diào)速范圍。

隨著相關(guān)產(chǎn)品引入國內(nèi)，液黏調(diào)速離合器也受到廣泛關(guān)注，針對(duì)離合器輸出轉(zhuǎn)速控制精度不高所進(jìn)行的研究主要分為對(duì)離合器結(jié)構(gòu)的研究和對(duì)控制方法的研究。如魏宸官等[1]在深入研究液黏傳動(dòng)技術(shù)這門學(xué)科后，系統(tǒng)性地介紹了液黏調(diào)速離合器的組成、原理、理論分析與設(shè)計(jì)、實(shí)際應(yīng)用等；隨后，陳寧[2]通過對(duì)潤(rùn)滑油膜傳動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究，推導(dǎo)得出摩擦片之間油膜壓力的分布規(guī)律和動(dòng)態(tài)油膜承載力的計(jì)算方式，總結(jié)摩擦副參數(shù)對(duì)其抗熱變形能力的影響；黃家海[3]研究了摩擦副結(jié)構(gòu)和油液熱特性對(duì)液黏調(diào)速離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性的影響并提出了油槽改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。由于液黏調(diào)速方法固有特性在一定程度上造成了工作過程中的非線性現(xiàn)象，故僅針對(duì)摩擦副結(jié)構(gòu)、摩擦副溝槽形狀和黏性油液熱特性等方面所進(jìn)行的研究和改進(jìn)并不能很好地改善控制效果[4-6]。毛飛鴻等[7]采用轉(zhuǎn)速油壓雙參數(shù)閉環(huán)策略控制液黏調(diào)速系統(tǒng)，在降低轉(zhuǎn)速超調(diào)量的同時(shí)延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)時(shí)間；文獻(xiàn)[8]提出了一種基于單神經(jīng)元算法的魯棒自適應(yīng)PID控制策略來改善離合器動(dòng)態(tài)性能， 與傳統(tǒng)PID方法相比，獲得了更短的調(diào)節(jié)時(shí)間和更強(qiáng)的抗干擾能力。以上試驗(yàn)和研究主要集中在改善液黏調(diào)速離合器的動(dòng)態(tài)性能方面，較少考慮離合器在穩(wěn)態(tài)工作過程中的響應(yīng)精度，上述控制方法控制輸出轉(zhuǎn)速的精度難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求[9-11]。

為解決上述問題，本研究以履帶式車輛上的風(fēng)扇液黏調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制策略，使用擴(kuò)展卡爾曼濾波環(huán)節(jié)對(duì)轉(zhuǎn)矩測(cè)量值進(jìn)行修正，使用模糊控制方法對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行控制，并針對(duì)該控制方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙閉環(huán)控制策略有效改善液黏調(diào)速離合器調(diào)速特性。

1 系統(tǒng)組成與原理

履帶式車輛上的風(fēng)扇液黏調(diào)速系統(tǒng)由液黏調(diào)速離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)、負(fù)載風(fēng)扇、液壓泵等組成。液黏調(diào)速離合器是調(diào)速系統(tǒng)的核心部件，其中控制功能由電液比例閥實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行功能由液黏調(diào)速離合器摩擦副完成；車載液壓源分別提供驅(qū)動(dòng)液壓缸工作的操縱油和填充摩擦片間隙的潤(rùn)滑油；控制器獲得油溫信號(hào)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號(hào)，并計(jì)算得出控制信號(hào)。

如圖1所示，由油溫確定車載風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速并經(jīng)過控制器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骺刂菩盘?hào)，電液比例閥驅(qū)動(dòng)液壓缸工作，液壓缸推動(dòng)摩擦副，改變摩擦片間油膜的厚度；作為主動(dòng)軸的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過傳動(dòng)箱帶動(dòng)摩擦片轉(zhuǎn)動(dòng)，厚度不同的油膜在跟隨摩擦片旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生大小不同的油膜剪切力，在主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間形成不同的傳動(dòng)比，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速的功能。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

2 系統(tǒng)模型

2.1 轉(zhuǎn)矩傳遞原理

液體黏性傳動(dòng)技術(shù)以牛頓內(nèi)摩擦定律為核心，如圖2所示，設(shè)填充在2個(gè)平板之間的油液的厚度為δ，油膜分子可以按照直線方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)若要保持上側(cè)平板以速度v1勻速運(yùn)動(dòng)，需要克服的剪切力大小為：

圖2 滑動(dòng)摩擦原理圖Fig.2 Principle of sliding friction

(1)

式中，μ—— 油液的動(dòng)力黏度

v—— 油膜在水平方向上的剪切速度

A—— 油膜剪切力作用的面積

通過式(1)可以看出，調(diào)節(jié)離合器液壓缸壓力，改變摩擦片之間的間隙，成為控制液黏調(diào)速離合器輸出的主要途徑。在液黏調(diào)速離合器摩擦片之間填充潤(rùn)滑油，環(huán)狀摩擦片相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)即可傳遞油膜剪切力轉(zhuǎn)矩，如圖3所示。

圖3 圓盤油膜轉(zhuǎn)矩傳遞的計(jì)算示意圖Fig.3 Calculation diagram of disc oil film transfer torque

設(shè)有m個(gè)圓盤摩擦副,內(nèi)徑和外徑分別為R1和R2，單個(gè)摩擦副之間的間隙是δ。主動(dòng)摩擦副和從動(dòng)摩擦副分別以大小為ω1和ω2的角速度運(yùn)動(dòng)。在環(huán)狀油膜中取1個(gè)面積為dA=2πrdr的微小圓環(huán)，在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中存在大小為μ(ω1-ω2)r/δ的切應(yīng)力τ和大小為τdA的剪切力dF。由摩擦副傳遞轉(zhuǎn)矩dT=rdF可得：

(2)

積分得到相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中液黏調(diào)速離合器理論上傳遞的轉(zhuǎn)矩如下：

(3)

2.2 摩擦狀態(tài)劃分

圖4 摩擦狀態(tài)劃分Fig.4 Division of friction state

當(dāng)摩擦片之間存在較大的間隙時(shí)，黏性油液在摩擦片表面形成連續(xù)的油膜，使摩擦片完全被隔開，此時(shí)摩擦狀態(tài)屬于液體摩擦狀態(tài)，離合器可以比較平穩(wěn)地傳遞轉(zhuǎn)矩，且隨著油膜厚度增大，摩擦系數(shù)近似成比例增大；不斷減小摩擦副之間的間隙，使摩擦副表面部分區(qū)域被油膜覆蓋，部分區(qū)域則出現(xiàn)相互接觸的現(xiàn)象，此時(shí)處于混合摩擦狀態(tài)；繼續(xù)擠壓摩擦副，使其進(jìn)入邊界摩擦狀態(tài)，摩擦副間只存在極薄的油膜，摩擦系數(shù)急劇增大；將2個(gè)摩擦副擠壓至間隙幾乎不存在油膜，幾乎保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)為靜摩擦狀態(tài)。當(dāng)液黏調(diào)速離合器工作在液體摩擦狀態(tài)和混合摩擦狀態(tài)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)速。

由圖5中液黏調(diào)速系統(tǒng)的輸入電壓U與輸出轉(zhuǎn)速n的關(guān)系可以看出，液黏調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程表現(xiàn)為帶有死區(qū)和飽和區(qū)的滯環(huán)現(xiàn)象。由于液黏調(diào)速離合器無法將主動(dòng)軸與從動(dòng)軸完全脫開，故在控制信號(hào)無輸入時(shí)依然會(huì)傳遞轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的輸出轉(zhuǎn)速被稱為帶排轉(zhuǎn)速；輸入轉(zhuǎn)速設(shè)定為4500 r/min，由于傳動(dòng)設(shè)備在傳遞扭矩過程中存在能量損耗，當(dāng)輸入電壓不斷增大時(shí)，在點(diǎn)D之后系統(tǒng)進(jìn)入飽和區(qū)，輸出轉(zhuǎn)速約為4400 r/min。

圖5 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調(diào)速曲線Fig.5 System steady-state speed regulation curve

圖5中以控制電壓的上升與下降趨勢(shì)為依據(jù)，將整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期劃分為上升階段(A→B→C→D)和下降階段(D→E→F→A)2個(gè)部分；通過進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在上升階段、下降階段死區(qū)之外的部分，由于油膜厚度的變化、摩擦副之間摩擦狀態(tài)進(jìn)行切換，即在點(diǎn)C和點(diǎn)F兩側(cè)，穩(wěn)態(tài)特性表現(xiàn)出了分段線性的規(guī)律，在調(diào)速過程中摩擦副主要工作在流體摩擦狀態(tài)和混合摩擦狀態(tài)這兩個(gè)摩擦狀態(tài)區(qū)域中，在這2個(gè)區(qū)域的分界點(diǎn)兩側(cè)，穩(wěn)態(tài)曲線的斜率有較大的差異，故以該閾值點(diǎn)作為運(yùn)動(dòng)周期的另一對(duì)分界點(diǎn)。針對(duì)上述現(xiàn)象，可以以期望轉(zhuǎn)速的上升下降趨勢(shì)和某一控制壓力閾值為界限，將整個(gè)運(yùn)行周期劃分為調(diào)速特性差異較大的4個(gè)部分。

3 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制方法

針對(duì)液黏調(diào)速系統(tǒng)在開環(huán)控制下無法準(zhǔn)確迅速完成無級(jí)調(diào)速的問題，本節(jié)分別提出了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略和以轉(zhuǎn)矩閉環(huán)為基礎(chǔ)的雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制方法。

轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制方法的控制結(jié)構(gòu)如圖6所示， 本系統(tǒng)的核心目標(biāo)是輸出轉(zhuǎn)速可以迅速跟蹤期望轉(zhuǎn)速，故將轉(zhuǎn)速控制作為控制外環(huán)；另外，控制內(nèi)環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，可以限制轉(zhuǎn)矩的變化范圍，抑制環(huán)內(nèi)擾動(dòng)的影響。

圖6 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Double closed loop control structure

3.1 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法

液黏調(diào)速離合器將輸入的控制信號(hào)最終轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)扇負(fù)載的轉(zhuǎn)速，首先是控制電壓經(jīng)過電液比例閥驅(qū)動(dòng)液壓缸的聯(lián)合體，電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫π盘?hào)；之后是擠壓摩擦副，壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩信號(hào)；最后是轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)負(fù)載風(fēng)扇輸出轉(zhuǎn)速。顯然液壓缸輸出的壓力與摩擦副傳遞的轉(zhuǎn)矩是介于控制信號(hào)與負(fù)載轉(zhuǎn)速之間的關(guān)鍵物理量。雖然比例閥控缸也是非線性元件，但與液黏調(diào)速離合器摩擦副相比，其線性度較好，在此看作線性元件處理，故不針對(duì)壓力采取閉環(huán)控制；在不考慮負(fù)載的大慣量的條件下，液黏調(diào)速系統(tǒng)的摩擦副傳遞的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載風(fēng)扇轉(zhuǎn)速近似呈正相關(guān)的關(guān)系，故本研究對(duì)轉(zhuǎn)矩采取閉環(huán)控制。

在調(diào)速過程中輸出轉(zhuǎn)矩在小范圍內(nèi)波動(dòng)非常劇烈，針對(duì)摩擦副輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率大的問題，結(jié)合其滯后的非線性特征，設(shè)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速這對(duì)變量關(guān)系的狀態(tài)空間方程為：

(4)

式中,xk—— 一維狀態(tài)向量

uk—— 一維控制輸入向量

yk—— 一維輸出向量

wk，vk分別為系統(tǒng)噪聲和測(cè)量噪聲，對(duì)xk求偏導(dǎo)計(jì)算線性化模型，獲得轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的映射關(guān)系。在采集轉(zhuǎn)矩信號(hào)的過程中加入可以較好處理非線性狀態(tài)的擴(kuò)展卡爾曼濾波環(huán)節(jié)，通過對(duì)最優(yōu)卡爾曼增益的求解獲得變化平緩的轉(zhuǎn)矩信號(hào)。

同時(shí)由于整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)具有大滯后特性的非線性系統(tǒng)，針對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制精度不需要太精確，可以采用較低的控制頻率，以節(jié)約計(jì)算資源。

3.2 雙閉環(huán)控制方法

在液黏調(diào)速控制系統(tǒng)中，在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)PID的基礎(chǔ)上建立恰當(dāng)?shù)哪：刂埔?guī)則，對(duì)速度環(huán)PID控制參數(shù)進(jìn)行整定[12-14]，在轉(zhuǎn)矩閉環(huán)外側(cè)采用模糊控制與前饋控制相結(jié)合的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

本研究中模糊PID控制器的具體參數(shù)為調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速誤差和控制壓力，根據(jù)模糊規(guī)則找出PID的3個(gè)參數(shù)與轉(zhuǎn)速誤差和控制壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系[15-17]，控制參數(shù)根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行狀況結(jié)合模糊表自適應(yīng)地變化，使被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)。此時(shí)的PID參數(shù)修正公式為：

(5)

轉(zhuǎn)速誤差的變化范圍即模糊集上的基本論域是[-4000,+4000]，系統(tǒng)輸出的控制壓力的分界點(diǎn)為0.2 MPa，模糊子集記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。該系統(tǒng)使用如下的模糊規(guī)則：

(1) 當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速之間的誤差較大，此時(shí)應(yīng)該使用較大的比例系數(shù)，而為了避免在開始階段轉(zhuǎn)速誤差過大導(dǎo)致微分過飽和，取較小值作為微分系數(shù)，為預(yù)防積分飽和，將積分系數(shù)設(shè)為0；

(2) 當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后,速度偏差處于中等大小時(shí),為使轉(zhuǎn)速具有較小的超調(diào)，可以減小比例系數(shù)和微分系數(shù)的取值，適當(dāng)增大積分系數(shù)以保證系統(tǒng)有較小的凈差；

(3) 當(dāng)控制壓力較大時(shí)，各項(xiàng)控制參數(shù)整體偏大。

由上述模糊規(guī)則總結(jié)為模糊規(guī)則表，見表1。

表1 模糊規(guī)則表Tab.1 Fuzzy rule

為消減調(diào)速過程中出現(xiàn)的大滯環(huán)現(xiàn)象，在期望轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)發(fā)生改變時(shí)，在原本計(jì)算得出的控制信號(hào)基礎(chǔ)上施加較大的補(bǔ)償量，使調(diào)速系統(tǒng)迅速脫離控制死區(qū)，讓輸出轉(zhuǎn)速在短時(shí)間內(nèi)靠近期望轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)盡快恢復(fù)到變?cè)鲆孓D(zhuǎn)速閉環(huán)可控的范圍內(nèi)。

此外，隨著系統(tǒng)運(yùn)行過程中積分量的不斷累積，可能影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此在期望轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)由下降變?yōu)樯仙霓D(zhuǎn)折點(diǎn)處將系統(tǒng)積分量清零重置，避免對(duì)后續(xù)控制過程產(chǎn)生影響。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文研究的液黏調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)由液黏調(diào)速離合器、電液比例閥、電動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇負(fù)載、傳動(dòng)箱以及液壓泵組成，如圖7所示。電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)力源，可輸出大小為0～200 N·m的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過傳動(dòng)箱和其他環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)速度匹配；液壓泵提供操縱油和潤(rùn)滑油；該試驗(yàn)使用的液黏調(diào)速離合器包括14對(duì)摩擦副，內(nèi)徑為42 mm，外徑為128 mm，總間隙為6.5 mm；電液比例閥輸出壓力范圍為0～2.5 MPa。同時(shí)基于QTCreator開發(fā)運(yùn)行在Windows 10平臺(tái)上的試驗(yàn)軟件，通過UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊，將實(shí)驗(yàn)、控制、監(jiān)測(cè)等功能集成于一體。

以該樣機(jī)為平臺(tái)，使用測(cè)控軟件針對(duì)上文所提控制算法的可行性與控制效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 開環(huán)控制試驗(yàn)

為了確定控制效果的衡量指標(biāo)，以液黏調(diào)速離合器開環(huán)工作為條件進(jìn)行試驗(yàn)。將控制信號(hào)的變化周期固定為80 s，系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速間隔設(shè)定為1000 r/min，依次改變輸入轉(zhuǎn)速的大小，分別為1500, 2500, 3500, 4500 r/min。使控制信號(hào)在0%至一定值之間進(jìn)行緩慢地變化，此時(shí)液黏調(diào)速離合器摩擦副從全分離狀態(tài)到全貼合狀態(tài)，再到全分離狀態(tài)循環(huán)變化，記錄下每組控制信號(hào)與輸出轉(zhuǎn)速之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，獲得調(diào)速系統(tǒng)輸入電壓和輸出轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如圖8所示。

在調(diào)速系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)速不同的條件下，液黏調(diào)速離合器表現(xiàn)出形狀相似的穩(wěn)態(tài)性能曲線，控制信號(hào)與輸出轉(zhuǎn)速之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系存在飽和、死區(qū)以及滯環(huán)等非線性現(xiàn)象；在離合器摩擦片完全分開的，即黏性油液將2個(gè)摩擦片完全隔開的條件下，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速有關(guān)，輸入轉(zhuǎn)速越大，輸出轉(zhuǎn)速越大，此時(shí)的輸出轉(zhuǎn)速稱為帶排轉(zhuǎn)速；在上升階段死區(qū)大小基本不變，約為47%，在下降階段，輸入轉(zhuǎn)速越大，控制信號(hào)死區(qū)范圍越大，為27%～44%；在高轉(zhuǎn)速差位置或低轉(zhuǎn)速差位置滯環(huán)較大，為43%，中轉(zhuǎn)速差位置滯環(huán)較小，為18%;上升階段非線性度為5%～30%，下降階段非線性度約為20%。

4.2 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制試驗(yàn)

在加入轉(zhuǎn)矩閉環(huán)和模糊控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)之前，將系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速設(shè)置為3500 r/min，采用PID控制策略對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速性能進(jìn)行修正，獲得控制信號(hào)與系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，如圖9、圖10所示。

圖9 閉環(huán)PID控制下控制信號(hào)與輸出轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.9 Relationship between control signal and output speed under closed-loop PID control

圖10 閉環(huán)PID控制下輸出轉(zhuǎn)速與時(shí)間關(guān)系Fig.10 Relationship between output speed and time under closed-loop PID control

由開環(huán)穩(wěn)態(tài)特性曲線和閉環(huán)穩(wěn)態(tài)特性曲線可以看出，滯環(huán)寬度有一定的減少，減小至32%，但是調(diào)速過程不夠平穩(wěn)，出現(xiàn)一定程度的震蕩，調(diào)速過程中非線性度為14%，依然存在死區(qū)現(xiàn)象，特別是下降階段的死區(qū)，針對(duì)該區(qū)域的轉(zhuǎn)速控制效果很差，僅使用PID控制策略無法有效地改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性中存在的滯環(huán)和死區(qū)的問題；由轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系曲線可以看出，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速的誤差幅值達(dá)到輸入轉(zhuǎn)速的25%，控制精度很低；在液黏調(diào)速離合器由摩擦片完全貼合的靜摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ疗糠纸佑|的混合摩擦狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速誤差達(dá)到最大值，這是由于摩擦副脫離過程中片間的碟簧作用力較小，恢復(fù)到擠壓前摩擦副間隙的大小所需要的時(shí)間比較長(zhǎng)。對(duì)液黏調(diào)速系統(tǒng)使用單閉環(huán)PID控制策略，依然存在死區(qū)和滯環(huán)現(xiàn)象，此外還出現(xiàn)了較大的轉(zhuǎn)速震蕩，控制效果不佳，系統(tǒng)自身的滯后特性和摩擦片間摩擦狀態(tài)的變化是PID控制策略效果差的重要因素。

4.3 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制試驗(yàn)

轉(zhuǎn)矩內(nèi)閉環(huán)控制器可以使液黏調(diào)速離合器輸出轉(zhuǎn)矩保持在一定范圍內(nèi)，是雙閉環(huán)控制方法的基礎(chǔ)，故先對(duì)內(nèi)環(huán)參數(shù)進(jìn)行整定；之后確定外環(huán)模糊控制器和PID控制器參數(shù)取值。

將調(diào)速系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)速固定為3500 r/min，采用轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制策略對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速性能進(jìn)行修正，獲得控制信號(hào)與系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，如圖11、圖12所示。

圖11 雙閉環(huán)控制下控制信號(hào)與輸出轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.11 Relationship between control signal and output speed under double closed loop control

圖12 雙閉環(huán)控制下輸出轉(zhuǎn)速與時(shí)間關(guān)系Fig.12 Relationship between output speed and time under double closed loop control

在穩(wěn)態(tài)特性曲線中，雙閉環(huán)控制下的藍(lán)色曲線與單閉環(huán)控制下的紅色曲線相比，滯環(huán)大幅減小，全過程均小于11%，上升階段和下降階段的死區(qū)范圍明顯減小，非線性度也有很大優(yōu)化，全過程小于10%；由轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系曲線可以看出，輸出轉(zhuǎn)速跟蹤期望轉(zhuǎn)速的速度較快、誤差較小，轉(zhuǎn)速誤差小于200 r/min。模糊控制器的變參數(shù)轉(zhuǎn)速控制使系統(tǒng)能在各個(gè)運(yùn)行階段都較好得跟蹤期望轉(zhuǎn)速，前饋補(bǔ)償抑制了滯環(huán)和死區(qū)現(xiàn)象，采用本研究提出的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)該系統(tǒng)控制取得了較好的控制效果。

5 結(jié)論

針對(duì)液黏調(diào)速系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速跟蹤精度低的問題，本研究設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)模糊控制策略，模糊控制器輸出參數(shù)可變的特點(diǎn)可以更好地適應(yīng)摩擦副處于不同摩擦狀態(tài)下工作特性多變的情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速控制過程的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

在液黏調(diào)速系統(tǒng)樣機(jī)上的實(shí)際試驗(yàn)表明，輸出轉(zhuǎn)速跟蹤效果有較大提升，轉(zhuǎn)速誤差小于200 r/min，調(diào)速過程中線性度良好，小于10%，調(diào)速過程運(yùn)行平穩(wěn)。

此外，本研究設(shè)計(jì)的方法簡(jiǎn)單易行，在實(shí)際工程中可以保證取得較好控制效果的同時(shí)減少計(jì)算資源的消耗。