基于模糊-PID 復(fù)合控制的底盤測(cè)功機(jī)LabVIEW 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李順，李國(guó)榮，王洋，臧其亮，馬子鵬

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州，221100；2.徐州重型機(jī)械有限公司，江蘇徐州，221000）

0 引言

西門子交流電力測(cè)功電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制采用電機(jī)編碼器SMC30 以及變頻驅(qū)動(dòng)器S120 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，S120 采用矢量控制，具有與直流伺服調(diào)速系統(tǒng)相匹敵的調(diào)速性能并能夠達(dá)到0.5%的轉(zhuǎn)速控制精度。然而測(cè)功機(jī)扭矩控制是開(kāi)環(huán)控制，雖然S120 能夠根據(jù)采集的電機(jī)參數(shù)計(jì)算電機(jī)扭矩，但是控制精度存在很大誤差，本文以電機(jī)扭矩控制為例說(shuō)明模糊-PID 復(fù)合控制在測(cè)功機(jī)上的應(yīng)用。

傳統(tǒng)PID 控制方式是針對(duì)測(cè)功機(jī)特定的扭矩控制工況完成的，當(dāng)控制參數(shù)調(diào)整好后，控制效果滿足指定扭矩工況要求[1]。扭矩控制存在參數(shù)時(shí)變、非線性等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的PID 算法不能滿足扭矩控制精度要求，我們選用模糊-PID復(fù)合控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩控制的參數(shù)整定，這種復(fù)合控制策略是在小偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性能，減少相應(yīng)過(guò)程中的超調(diào)[2]。在大偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化為PID控制，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。二者轉(zhuǎn)化通過(guò)LabVIEW 程序根據(jù)給定的扭矩偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明，采用模糊-PID 復(fù)合控制策略后扭矩控制精度能夠達(dá)到1%，滿足新能源汽車底盤的加載測(cè)試需求。

1 測(cè)功機(jī)扭矩控制硬件構(gòu)成

測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)西門子S120 四象限變頻驅(qū)動(dòng)器和加載電機(jī)組成的加載單元對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行控制,測(cè)控系統(tǒng)能夠滿足新能源測(cè)試中動(dòng)力總成系統(tǒng)性能試驗(yàn)和電控系統(tǒng)試驗(yàn)、車用電機(jī)以及動(dòng)力電池組在混合動(dòng)力系統(tǒng)中的性能試驗(yàn)及優(yōu)化標(biāo)定、純電動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)以及整車道路負(fù)載模擬試驗(yàn)，整套測(cè)功機(jī)系統(tǒng)由測(cè)功機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池模擬器、采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。測(cè)控系統(tǒng)采集并加載不同工況下車輛在道路上行駛時(shí)獲得的轉(zhuǎn)速和扭矩?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在測(cè)功機(jī)加載狀態(tài)下的道路負(fù)載模擬。

圖1 電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)

■1.1 測(cè)功機(jī)扭矩控制硬件組成

T40B 扭矩傳感器是一種非接接觸式的傳感器、由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子隨軸旋轉(zhuǎn)，扭矩以脈沖頻率信號(hào)經(jīng)定子輸出。電機(jī)基座主要包含負(fù)載電機(jī)、負(fù)載電機(jī)聯(lián)軸器、HBM扭矩傳感器、扭矩環(huán)安裝支架、扭矩環(huán)過(guò)渡聯(lián)軸器、中間支撐組件、防護(hù)罩、升降機(jī)聯(lián)軸器、升降機(jī)傳動(dòng)軸、移動(dòng)調(diào)節(jié)組件等，以此保證扭矩傳感器與電機(jī)軸同軸且電機(jī)軸輸出端位置可調(diào)，電機(jī)基座及扭矩傳感器的安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 扭矩傳感器以及安裝方式

■1.2 測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

CRIO9075 控制器作為控制核心，其使用以太網(wǎng)通訊方式與變頻驅(qū)動(dòng)器S120 進(jìn)行通訊并實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩控制，CRIO9075 同時(shí)通過(guò)CAN 總線通訊方式與發(fā)動(dòng)機(jī)和電池模擬器通訊，能夠通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電池模擬器工作，控制系統(tǒng)硬件如表1所示。

表1 CRIO測(cè)控系統(tǒng)選型

2 模糊PID 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 模糊控制原理

模糊控制器主要組成部分包括模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和模糊判決接口[3]，該模糊控制系統(tǒng)采用CRIO9075 作為控制核心，其能夠使用9401 頻率采集模塊采集T40B的輸出頻率并解析為實(shí)時(shí)扭矩值，實(shí)時(shí)扭矩值與模糊控制系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)表格進(jìn)行比較，通過(guò)LabVIEW 軟件編程計(jì)算相應(yīng)的扭矩控制輸出值進(jìn)而控制電機(jī)扭矩。模糊控制器主要是適度的調(diào)整扭矩控制輸出參數(shù)，知識(shí)庫(kù)主要是由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和規(guī)則集合構(gòu)成，規(guī)則集合主要就是由這些采樣的數(shù)據(jù)制定[4], 控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 模糊控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.2 模糊控制參數(shù)確定

(1)模糊控制輸入量的確定

本文將采集的扭矩實(shí)時(shí)偏差E、扭矩實(shí)時(shí)偏差變化率EC、扭矩偏差S（設(shè)定值與實(shí)時(shí)值差值）作為控制器的輸入量，輸出量則是變頻器輸出的扭矩控制值T，建立一個(gè)“三輸入單輸出”的控制器[5]，扭矩實(shí)時(shí)偏差及偏差變化率、扭矩偏差、輸出量的模糊語(yǔ)言分別是E、EC、S、T。

(2)模糊控制器論域及比例因子的確定

在控制系統(tǒng)中通常輸入、輸出的基本論域是連續(xù)的，而其模糊論域是離散的，在該扭矩模糊控制系統(tǒng)中，輸入變量為扭矩偏差、扭矩實(shí)時(shí)偏差、扭矩實(shí)時(shí)偏差變化率，輸出量則是電機(jī)輸出的扭矩[6]，這些變量的基本論域分別記為{-s,+s}，{-e,+e}，{-ec,+ec}和{-t,+t}，基本論域在控制過(guò)程中恒定。

對(duì)于基本論域中的元素，我們需要采用一定的變換得到模糊論語(yǔ)中的元素，才能夠進(jìn)一步地得到其模糊量，進(jìn)而用于模糊推理，在本質(zhì)上就是將連續(xù)的基本論域量化為離散的模糊論域，經(jīng)模糊處理之后，S、T的量化論域分別為{-3，-2，-1，0，1，2，3}、{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，E、EC 量化論域?yàn)閧-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}。

在T的論域上定義三個(gè)語(yǔ)言值，分別是“負(fù)大”、“零”，“正大”；在E、EC、S 定義五個(gè)語(yǔ)言值分別是“負(fù)大”、“負(fù)小”、“零”、“正小”、“正大”。

比例因子分別表示為：

(3)模糊變量的賦值表的建立

在建立隸屬函數(shù)時(shí)，誤差在“零”的范圍，使用分辨率“高”的隸屬函數(shù)，誤差變化比較大時(shí)，分辨率相反，建立如圖4所示模糊變量S、E、EC、T的三角形隸屬函數(shù)[7]。

圖4 模糊控制系統(tǒng)隸屬函數(shù)

建立模糊變量E、EC、S、T 賦值表。

3 測(cè)控系統(tǒng)LabVIEW 程序設(shè)計(jì)

■3.1 扭矩曲線設(shè)定程序設(shè)計(jì)

扭矩編輯表格主要包括扭矩控制時(shí)間、扭矩起始值、扭矩最終值以及扭矩轉(zhuǎn)速限制值，扭矩值設(shè)定主要是在扭矩控制時(shí)間段內(nèi)，電機(jī)扭矩從扭矩起始值線性變化為扭矩最終值。當(dāng)扭矩或者轉(zhuǎn)速超過(guò)限制值時(shí)電機(jī)停機(jī)，LabVIEW 扭矩程序根據(jù)扭矩編輯表格數(shù)據(jù)將扭矩的變化值以秒為單位劃分為不同的扭矩值，測(cè)控系統(tǒng)畫面根據(jù)扭矩值繪制整個(gè)扭矩控制的流程曲線，流程編輯程序如圖5所示。

圖5 扭矩設(shè)定輸出LabVIEW 程序設(shè)計(jì)

■3.2 模糊-PID 復(fù)合控制程序設(shè)計(jì)

利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)輸出扭矩T 進(jìn)行修改，找出T與偏差E、偏差變化率EC、扭矩偏差S的模糊關(guān)系，在運(yùn)行過(guò)程中不斷檢測(cè)E、EC、S，并對(duì)輸出扭矩在線修改，使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，計(jì)算量小，這種復(fù)合控制方式綜合了PID 控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，在這種控制策略下提高了控制的靈敏度和精度以及系統(tǒng)抗干擾和適應(yīng)內(nèi)部參數(shù)的魯棒性，改善了動(dòng)態(tài)性能[7]，且在LabVIEW 程序設(shè)計(jì)中易于實(shí)現(xiàn)，模糊-PID 復(fù)合控制原理圖如圖6所示。

圖6 PID 參數(shù)自整定模糊控制原理圖

根據(jù)扭矩偏差值e 來(lái)判斷控制方式，扭矩偏差為扭矩設(shè)定值與扭矩實(shí)時(shí)值的差值，當(dāng)|e|>3時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)采用PID 控制，當(dāng)|e|≤3 時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)采用模糊控制，控制策略與扭矩偏差的關(guān)系如下：

在LabVIEW 環(huán)境下通過(guò)模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)器建立隸屬函數(shù)，如圖7所示。

圖7 模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)器設(shè)計(jì)隸屬函數(shù)

模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)器確立隸屬關(guān)系后保存為torque.fs文件，程序啟動(dòng)后加載torque.fs 數(shù)據(jù)，并根據(jù)扭矩偏差值采用不同的控制策略，LabVIEW 程序如圖8所示。

圖8 模糊-PID復(fù)合控制程序切換

實(shí)驗(yàn)證明扭矩設(shè)定值與實(shí)時(shí)值存在一定的時(shí)間延時(shí)，延時(shí)時(shí)間約為2 秒左右，扭矩傳感器真實(shí)值與設(shè)定值總體曲線保持一致。使用模糊-PID 復(fù)合控制算法后電機(jī)加載過(guò)程中扭矩整體控制精度滿足底盤測(cè)試中電機(jī)扭矩加載的基本需求，LabVIEW 實(shí)測(cè)曲線如圖9所示。

圖9 測(cè)功機(jī)設(shè)定扭矩與實(shí)時(shí)扭矩LabVIEW 采集值

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一套基于CRIO9075 為核心的測(cè)功機(jī)模糊-PID 復(fù)合扭矩控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)與常規(guī)PID 控制相比提高了抗干擾和適應(yīng)內(nèi)部參數(shù)變化的魯棒性，減少超調(diào)，實(shí)驗(yàn)表明整體的控制精度基本滿足新能源測(cè)試過(guò)程中對(duì)電機(jī)扭矩的控制要求。