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江苏大学 硕士学位论文 自适应模糊控制在电涡流缓速器中的应用 姓名：唐骏 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：朱伟兴 20060401 摘要 电涡流缓速器是利用电磁学原理把汽车行驶的动能转化为热能 而散发掉，从而实现减速和制动作用的装置。实际的使用效果表明它 可以显著提高汽车的行驶安全性能。本文针对国内开发电涡流缓速器 控制器缺乏成熟理论指导的现状，以当代流行的自适应模糊智能控制 理论为基础，对电涡流缓速器的非线性自适应模糊控制进行了重点研 究，作了有益的探索，以期为国内开发具有自主知识产权的车用电涡 流缓速器控制器提供理论方法的支持。 本文一开始简要介绍了电涡流缓速器的基本结构和工作原理以 及现有的控制方法。从对其动力和热力学数学模型进行详细分析的基 础之上，推算出基于电涡流缓速器转子盘转速和电涡流缓速器温度两 个状态控制变量的非线性标准控制模型。在非线性标准型的基础上， 利用改进的h 。自适应模糊控制算法对缓速器的转子盘转速和缓速器 温度进行有效的智能控制。该自适应算法利用模糊逻辑系统对非线性 标准型中的未知复杂函数进行模糊逼近的方法，在算法中融合了人们 对电涡流缓速器转子盘转速和温度的控制经验。同时利用自适应原 理，使得算法中的模糊系统中的参数能够自调整。通过m a t l a b 仿 真可以证明该自适应模糊控制算法符合电涡流缓速器实际运行状态， 能够使得控制更加的智能化、人性化。 为了对所设计的自适应模糊控制方法进行验证，作者自行设计了 一块电涡流缓速器转速控制实验电路板，同时着重对如何将自适应模 i 糊控制方法转变为相应的控制程序进行了较为详细的讨论。对在实际 编程中所遇到的问题，例如模糊隶属度函数的计算、对包含超越函数 系数的计算、如何实时得到电涡流缓速器转子盘转速等等进行了深入 分析并提出了有效的解决方案。 文章的最后对设计的自适应模糊控制方法在实验电路板上进行 了实验验证，对实验结果作了一定的分析讨论。 关键词：电涡流缓速器、自适应模糊控制、m c u 、软件设计 江苏大学硕士论文 a b s t r a c t t h ee d d yc u r r e n tr e t a r d e r ( e c r ) i sa na u x i l i a r yb r a k i n gd e v i c et h a t t r a n s f o r m sk i n e t i ce n e r g yo fm o v i n ga u t o m o b i l ei n t ot h e r m a le n e r g ya n d d i s s i p a t e s i ti n t o a t m o s p h e r ea c c o r d i n ge l e c t r o m a g n e t i cp r i n c i p l e t h r o u g hp r a c t i c eu s e ，e c rc a nr e m a r k a b l yi m p r o v et h es e c u r i t yo f a u t o m o b i l e t h en o n l i n e a ra d a p t i v ef u z z yc o n t r o ld e s i g nm e t h o di sp u ta h i g hp r e m i u mi n t h i st h e s i sw h i c hi sa p p l i e df o rt h ec o n t r o lo ft h er e t a r d e r b yn o wt h el a c ko fd i r e c t i o no ft h e o r yi nt h ec o n t r o lo fr e t a r d e ri st h e a c t u a l i t yi nt h ed o m e s t i cc o u n t r y , s ot h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si si nf a c tt o g i v eas u p p o ni nb o t ht h e o r ya n dt e c h n o l o g yf o rd o m e s t i ce n t e r p r i s et o d e v e l o pt h ec o n t r o l l e ro f e c rt h a tt h e yh a v et h e i ri n t e l l e c t u a lp r o p e r t y t h es t r u c t u r e ，t h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n dt h ec o n t r o lm e t h o d so fe c r a r es i m p l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a tt h eb a s eo f t h ed e t a i l e da n a l y s i so f t h ed y n a m i c sa n dt h e n n o d ) r n a m i c sm o d e l ，id e d u c et h et w on o n l i n e a r t y p i c a lm o d e l sf o rr o t a t i n gs p e e do f e c ra n dt h et e m p e r a t u r eo fe c r a s t h eh u m a n c o n t r o l l i n ge x p e r i e n c ee b b e d i n t ot h en e wh 。a d a p t i v ef u z z y c o n t r o lm e t h o d ，t h e nt h i sm e t h o da p p l i e di nt h et w on o n l i n e a rt y p i c a l m o d e l si no r d e rt om a k et h ec o n t r o l l i n gm e t h o do fe c rm o r ei n t e l l e c t u a l a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe c r i no r d e rt ov e r i f yt h en e w a d a p t i v ef u z z yc o n t r o lm e t h o d ，id e s i g na b l o c ko fe x p e r i m e n t a lc i r c u i t a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rf o c u s e so nh o w t oc o n v e r tt h et h e o r e t i c a la d a p t i v ec o n t r o lm e t h o di n t ot h ep r a c t i c a l c o n t r o lp r o g r a m h o wt oi m p l e m e n tt h ec a l c u l a t i o no ff u z z ym e m b e r f u n c t i o na n dt h et r a n s c e n d e n t a lf u n c t i o na n dh o wt o g e te c rr o t a t i n g s p e e d a r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i l si nt h i sp a p e r f i n a l l ya ne x p e r i m e n ti sd o n eo nt h ed e s i g n e dc i r c u i ta n dd o e ss o m e a n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d s ：e c r ，a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l ，m c u ，s o f t w a r ed e s i g n 学位论文版权使用授权书 x 1 0 1 3 8 3 3 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 黜躲压投 上一汐年月儿日 厂广 指导溯虢耘鬟 删年6 月名日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： i 锨 日期：弘。6 年6 月6e l 江苏大学硕士论文 第一章绪论 良好的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。传统汽车制动方式是采用在车 轮上安装机械式摩擦制动器，但这种摩擦式车轮制动器存在一个重大的缺陷：频 繁或长时间制动会造成制动鼓( 盘) 和摩擦片( 即制动衬片) 过热，导致制动性 能衰退，甚至制动失效，从而引起重大交通事故。这个问题对城市公交车和常年 行驶在山区的载重汽车和长途大客车尤为突出。另外，由于制动器过热，不仅使 摩擦片磨损加剧，使用寿命减短，而且也易造成轮胎早期爆裂，从而使得运营成 本大增。要使车轮制动器保持良好的制动性能和长时间使用寿命，关键是要控制 好制动器的温度，使之不至于上升到危害摩擦片的程度。多年来人们对汽车制动 性能的改进，大多是围绕车轮制动器本身来进行的，如加宽制动鼓和摩擦片的尺 寸，改变摩擦片材料的配方，由鼓式制动改为盘式制动等。但这些都不足以从根 本上解决问题【l “。 要解决这些问题，比较切实可行的办法就是加装辅助制动装置，将车轮制动 器的负荷进行分流，使车轮制动器温度控制在安全范围之内。采用电涡流缓速器 是一个理想的解决方案。电涡流缓速器的英文名称是“e d d yc u r r e n t r e t a r d e r ”，它是利用电磁学原理把汽车行驶的动能转化为热能而散发掉，从 而实现减速和缓速作用的装置。 1 1 电涡流缓速器的发展概况 电涡流缓速器是在十九世纪利欧傅科( l e o nf o u c a u l t ) 发现的电磁感应理论 的基础上发展起来的。1 9 0 3 年，斯特克勒( s t e c k e l ) 首先申请了一种电磁制动装置 的专利。1 9 3 6 年，鲁尔塞瑞真( r a o u ls a r a z i n ) 首次将电磁制动技术应用到汽车 上。1 9 3 8 年出现了将电涡流缓速器用万向节与中心传动法兰结合起来组成的安 全缓速制动器。1 9 6 5 年泰乐马( t e l m a ) 公司设计出首台没有中心轴，直接安 装到变速器或驱动桥上的电涡流缓速器。该类型缓速器的出现，使其结构趋于紧 凑、重量变轻，并且安装简便，从而使得电涡流缓速器在汽车上的应用更加广泛。 1 9 9 3 年出现了将电涡流缓速器与传动轴做成一体的产品。1 9 9 6 年，世界上出现 江苏大学硕士论文 了用发动机冷却液进行冷却的电涡流缓速器，该缓速器中还安装有一小型发电 机。该结构的出现使电涡流缓速器的制动能力大大提高，工作性能更为可靠，工 作时对蓄电池的供电需求很少。这种缓速器主要用于重型汽车【5 7 l 。日本的公司 则在上世纪九十年代开发出使用永磁铁励磁的电涡流缓速器【们0 0 l 。 国际上，电涡流缓速器的著名生产厂商有：法国的泰乐马( t e l m a ) 、西班 牙的弗瑞纳萨( f r e n r l s a ) 和克莱姆( k l a m ) 、德国的克罗伏特( k l o f t ) ， 以及日本的东京部品工业( t o k y o b u h i k o g y o ) 和五十铃，住友 ( i s u z u s u m i t o m o ) 等，其产品已发展成多种系列，可适合各种型式的车辆。 法国的泰乐马公司是世界电涡流缓速器最大制造商，其每年的产销量为三万多 台，仅这家公司的产品在世界上装车使用量就达5 0 多万台。其产品主要安装在 雷诺、戴姆勒一奔驰、沃尔沃、依维柯、斯堪尼亚、尼奥普兰等著名汽车公司生 产的重型汽车和大中型客车上【5 11 8 1 。现在欧美等发达国家汽车界已经把缓速器 作为标准件在多种级别的客车和中型、重型汽车上装用，作为现有汽车制动系统 的必要补充装置。 总体上讲，电涡流缓速器在我国研制、生产和应用尚处在起步阶段。虽然早 在上世纪七十年代上海客车厂曾研制过电涡流缓速器，并安装在上海到黄山的长 途客车上。但由于种种原因，电涡流缓速器在国内的应用并没得到应有的重视。 随着现在汽车的驱动功率、车速以及载荷的增加使得车轮制动器的负荷进一步加 大，加之人们对汽车的安全性、使用经济性、舒适性和环保性重视，电涡流缓速 器的作用在国内汽车界开始受到重视。2 0 0 2 年6 月1 日交通部已颁布实施中华 人民共和国交通行业标准j t f l 3 2 5 2 0 0 2 营运客车类型划分及等级评定。该标 准规定中型客车中高二级，大型客车中高一级、高二级和高三级客车都必须装置 缓速器。建设部2 0 0 2 年1 0 月1 日公布执行的c j 厂r 1 6 2 2 0 0 2 城市客车分等级技 术要求与配置也规定超二级、超一级、高级的市区和城郊城市客车必须装备缓 速器。 随着我国汽车工业的蓬勃发展，市场对电涡流缓速器的装车需求也急剧增 加。目前国内电涡流缓速器的生产和研制厂商有：深圳的特尔佳科技有限公司、 浙江嵊州汽车零部件厂、无锡三生科技有限公司、江苏超力电器有限公司、江都 洪泉实业公司、扬州华露机电有限公司、济南重汽集团发动机厂、浙江瑞立集团 江苏大学硕士论文 和嘉兴市纽曼机械有限公司等。此外，江苏大学和长安大学等一些科研院所也在 做相关开发及其运用的研究工作。 1 2 本论文研究的目的和意义 出于对潜在市场的保护，国外各研究开发缓速器的公司很少公开发表自己产 品的关键技术。因此，国内要开发出具有自主产权，而且性能优良、可靠性高的 缓速器，对于电涡流缓速器的关键技术研究还有很多的工作要做。其中对电涡流 缓速器控制装置的研究由为重要，因为控制装置直接影响到电涡流缓速器的工作 状态和工作性能。 通过文献检索发现，目前国内公开发表的文献多是介绍电涡流缓速器的结 构、原理、维护和使用效果的介绍，如 u 2 i 4 i 1 l 】【1 2 等。鲜见对车用电涡流缓 速器的控制策略和控制方法作专题研究。 从2 0 0 4 年4 月开始，作者参加了“电涡流缓速器关键技术的研究”( 镇江市 科技项目，项目编号：g y 2 0 0 2 0 4 1 ) 。本学位论文是在前人有关研究的基础之上， 以电涡流缓速器的理论数学模型为基础，结合自适应模糊控制方法，并将该算法 转化为计算机控制程序应用到实际的电涡流缓速器控制器中。论文中所谈及的电 涡流缓速器控制问题来源于上述课题研究中碰到一些关键技术问题，掌握这些关 键技术对于国内开发和研制具有自主知识产权且性能优良的电涡流缓速器控制 器，增强国内汽车电子技术和市场竞争力意义重大。 1 3 本论文研究的构思和主要内容 本篇论文研究的基本思路是：首先在前人对电涡流缓速器所提出的热力动力 学状态方程的基础上给电涡流缓速器进行数学建模，然后对该模型进行分析处理 将其转化为非线性标准型。在此基础上对近年来控制理论界中非常热门的h 。自 适应模糊控制理论进行比较深入的研究，在分析前人所得出的一些理论成果基础 上提出一种新的间接自适应模糊控制算法，将其应用到电涡流缓速器的控制逻辑 中。最后将理论算法编制成控制软件，并在自己开发的电涡流缓速器控制实验电 路板上进行验证。 江苏大学硕士论文 本文在现有条件的允许之下，紧密围绕课题研究的基本构思思路，主要进行 了以下的几个方面的研究： 1 、在细读分析文献 1 7 1 的基础上，分析其中提出的电涡流缓速器热力动力 学状态方程。根据对该状态方程分析考虑的结果，用m a t l a b 进行数学建模， 为下面进行自适应模糊控制算法研究做好铺垫。 2 、在阅读文献 2 5 2 6 1 的基础上，深入分析h 。自适应模糊控制方法，提出 一种新的间接h 4 自适应模糊控制算法，并将该新算法应用到电涡流缓速器中。 为了验证算法的可行性，进行基于电涡流缓速器数学模型的m a t l a b 控制仿真。 3 、在上述理论研究的基础上，设计自适应算法的工作流程图，将自适应模 糊控制算法转化为实际的控制程序。同时，自行设计电涡流缓速器实验控制电路 板。 4 、对所设计的电涡流缓速器软硬件进行验证：首先将控制软件在单片机仿 真开发方式下进行充分的调试。调试通过后将程序烧录进m c u 内，进行实际的 电涡流缓速器实验系统验证。 4 江苏大学硕士论文 第二章电涡流缓速器结构原理和主要控制方法 2 1 电涡流缓速器的基本原理和结构 2 1 1 电涡流缓速器的基本原理 电涡流缓速器简单地讲其工作原理是：利用电磁学原理把汽车行驶的动能转 化为热能而散发掉，从而实现汽车的减速和制动【1 1 】 12 1 。 一旋转方向 鱼l 函，凶i 鲴囟因囟i 凶凶l 圆 一i l 7 - 主舀- 。一i j j 西年专 图2 1 电涡流缓速器的磁场 图2 2 电涡流缓速器的制动力矩 电涡流缓速器制动力矩的产生过程是：当驾驶员将缓速器的控制手柄打到相 应挡位( 或踩下制动踏板) 进行减速或制动时，电涡流缓速器的励磁绕组就通以 经过调节的直流电流而励磁，产生的磁场在定子磁极、气隙和前后转子盘之间构 成回路，如图2 1 所示。磁极的磁通量的大小与励磁绕组的匝数以及所通过的电 流大小有关。在旋转的转子盘上，其内部闭合导线所包围面积内的磁通量就会发 生变化( 或者说其内部闭合导线就切割励磁绕组所产生的磁力线) ，从而在转子 、江苏大学硕士论文 盘内部产生无数个旋涡状的感应电流，即涡电流( 简称涡流) 。以磁极的正上方 为界，在转子盘内就会分别产生磁通正在减少和磁通正在增加的两种涡流，其方 向相反。一旦涡电流产生后，磁场就会对带电的转子盘产生阻止其转动的阻力( 即 产生制动力) ，阻力的方向可由弗莱名( f l e m i n ) 左手法则来判断。阻力的合力 沿转子盘周向形成与其旋转方向相反的制动力矩，如图2 2 所示。同时涡流在具 有一定电阻的转子盘内部流动时，会产生热效应而导致转子盘发热。这样，车辆 行驶的动能就通过感应电流转化为热能，并通过转子盘上的叶片产生的强劲的风 力将热量迅速散发出去1 1 8 j 。 图2 3 是在试验台架上测得的某电涡流缓速器四个不同档位上产生的制动力 矩随转子转速变化的特性曲线。从特性曲线上可以看出力矩随转速的增大而迅速 增大，达到一定转速时有极大值，而后随着转速增加制动力矩略有下降。这主要 是由于涡流去磁效应影响的结果i l ”。 0 7 5 0 1 5 0 0 2 2 5 03 0 0 0 转连n ，( r l , m o 图2 3 各档制动力矩与转速的特性曲线 2 1 2 电涡流缓速器的基本结构 电涡流缓速器的结构是由机械装置和电控装置两部分组成【1 2 】【1 3 】。 图2 4 电涡流缓速器的结构剖视图 电涡流缓速器的机械装置是由定子、转子及固定架等部分组成。 6 江苏大学硕士论文 广a 卜转子盘；2 一铁心；3 一磁轭；4 一励磁绕组；5 一转子轴；6 一轴承； 7 一固定架；8 一气隙；9 一接线柱 图2 5 电涡流缓速器结构示意图 如图2 5 所示，电涡流缓速器定子上一般有八个高导磁材料制成的铁心( 2 ) ， 呈圆周分布，均匀地安装在高强度的固定架( 7 ) 上。八个励磁绕组( 4 ) 套于铁 心上，共同构成磁极。圆周上相对两个励磁绕组串联或并联成一组磁极，并且相 邻两个磁极均为n 、s 相间，这样就形成了相互独立的四组磁极。 转子通常由前转子盘、后转子盘( 1 ) 和转子轴( 5 ) 构成，前后转子盘均为 圆环状，一般用导磁性能高且剩磁率低的铁磁材料制成。实际生产中常选用电磁 纯铁或低碳钢等材料。为了及时将涡流产生的热量散发掉，通常转子盘上铸有散 热片和通风气道。转子通过连接凸缘与传动轴相连，并随传动轴自由转动。前后 转子盘和定子磁极间保持有极小的、均匀的气隙( 8 ) ，以使转子盘旋转时不会刮 擦到定子上。从减小磁阻角度讲，气隙越小越好，但气隙的确定还必须考虑加工 的公差和转子、定子受热后的热膨胀的影响，因此气隙又不能太小，要综合各种 影响因素而定。不同结构形式的电涡流缓速器的气隙一般都在0 7 6 1 7 0 m m 范 围内变动。 电涡流缓速器的定子一般是通过固定架安装在车架上或变速器的后端外壳， 或驱动桥的主减速器的外壳上，两者呈刚性连接，即相对车架而言定子是固定不 动的。 电涡流缓速器的电控装置部分，一般是由手( 脚) 控制开关、仪表指示灯、 制动压力信号传感器、继电器等装置组成，还有车速信号传感器和a 1 3 s ( a n t i l o c k b r a k i n gs y s t e m ) 联结器等”1 。 江苏大学硕士论文 图2 6 电涡流缓速器电控装置 图2 7 电涡流缓速器典型控制线路图 图2 7 所示为电涡流缓速器的一种典型控制方式。“1 。 手控开关一般有o 4 个档位。开关处于o 档位时，5 条线全部断开；第l 档位时，1 号线搭铁，继电器盒内i 号继电器吸合，则第一组励磁绕组通电，这 时缓速器产生的制动力矩约为最大力矩的四分之一；第2 档位时，l 号线与2 号 线同时搭铁，继电器盒内i 号与i i 号继电器吸合，则第一组和第二组励磁绕组同 时通电，这时缓速器产生的制动力矩约为最大力矩的二分之一；第3 、4 档位类 推。 脚控开关是为方便驾驶员的操纵而增加的一个让缓速器能自动工作的开关， 它受制动气压控制。当驾驶员踩下制动踏板时，缓速器自动起作用，并根据制动 踏板的行程，脚控开关上4 个压力传感器将依次接通，其作用与手控开关一样。 继电器盒内有4 个大电流继电器，分别为每组励磁绕组提供励磁电流。同时，接 通缓速器工作指示信号灯与车辆制动信号灯。该电流取自每一个继电器输出端， 因此，无论哪一个继电器吸合，都会有指示。 8 江苏大学硕士论文 a b s 联接器由数十片数字逻辑电路组成，其作用是根据车辆状况自动调节 缓速器的工作状态。其输入信号有：a b s 控制信号，a b s 报警信号，车速信号， 手控开关与脚控开关信号。a b s 联接器主要有3 种功能：( 1 ) 如果a b s 探测到 某个车轮打滑，它将立即终止缓速器的制动作用；当打滑一旦结束，a b s 联接 器又一级一级地接通缓速器档位，始终保持缓速器所产生的制动力不大于汽车后 轮的附着力。( 2 ) 当车速低于某一值时，切断缓速器的脚控功能，以避免不必要 的电流消耗。( 3 ) 当a b s 有故障时，它将切断缓速器的控制功能以保证行车安 全i l “。a b s 联接器的工作时序如图2 7 所示。 a b $ 报警信号 低速切断竹号t a b s 控制信号 牲逮器手捧 疆述嚣脚控 f厂厂 ：i l j jl i ，j 1 ； t 卜厂 - q 图2 7a b s 联接器工作时序图 车速信号传感器实际上产生零速开关信号，通过控制器的控制，使得当汽车 被制动静止时，自动切断缓速器的励磁电流，避免驾驶员在汽车停后忘掉将控制 手柄开关置于0 档，而仍向励磁绕组通电造成浪费和损坏绕组。 2 2 电涡流缓速器的主要控制方法 电涡流缓速器发展到了今天，国内外的学者主要研究的对象基本上都是其结 构、材料、制动力矩的计算方法等等，很少有对其控制策略和控制算法进行专门 的研究。但随着现代生活的不断提高，人们对驾乘工具的制动性能的要求也是越 来越高，对汽车的制动性能要求快速、灵敏、有效、少跳跃性和更加的舒适，因 此现今在电涡流缓速器中所采用的一些传统而又简单的控制方式很显然已经满 足不了人们对汽车制动系统的要求。根据作者对电涡流缓速器研究和分析的结果 来看，电涡流缓速器实际上是一个高度的非线性系统，运用传统的控制方法难以 取得良好的控制效果，因此有必要采用一些现代智能控制方法对其进行有效控 9 江苏大学硕士论文 制。下面就电涡流缓速器传统控制方式和新近出现的新型控制方式做一些简要介 绍。 2 2 1 传统继电器控制 现有的电涡流缓速器多采用传统的继电器分级控制方式，该种控制方法的优 点是：控制电路简单、控制逻辑简单、价格低廉，所以现在很多厂商仍然采用继 电器控制方法。但这种控制方法没有包含任何的控制算法在内，对电涡流缓速器 的控制只是通过驾驶员在行驶过程中对行车状况的简单判断，将装载在车内的操 纵手柄推至1 4 档其中的一档，实际上就是将控制器中继电器盒中某组继电器 吸合或断开来使得电涡流缓速器中的一组或几组励磁线圈工作，从而产生相应的 制动力矩。其系统如图2 8 所示。 图2 8继电器控制系统工作示意图1 1 4 1 因为对电涡流缓速器励磁绕组中的电流无法进行有效的控制，所以这样所产 生的制动力矩是分级阶梯状不连续的，无法实现一些诸如恒流、恒转矩、恒转速 的控制功能，而且由于电涡流缓速器是以发热耗能方式实现缓速的，所以当温度 升高时不仅影响制动盘的电磁性能，还会导致机械结构的变化，这种情况随着制 动力矩的上升而越发的明显。 2 2 2 p w m 控制 为了实现对励磁线圈绕组中电流的有效控制，从而实现对电涡流缓速器制动 力矩的控制，人们采用了利用p w m 电路来调节励磁电流的控制方法。因为采用 了p w m ( 脉宽调制) 技术，可以通过对控制器输出脉宽大小的改变来改变励磁 1 0 江苏大学硕士论文 电流的大小，使得控制更为精细，而且因为在控制电路中采用了微电脑控制，能 够实时采集汽车的车速，a b s 控制报警信号等等，使得微电脑能够根据一定的 车况来调节励磁电流的大小，一定程度上实现了自动控制功能f 1 6 。其控制系统 如图2 9 所示。 控 列 中 m 图2 9p w m 控制系统工作示意图i “l 该控制系统中的控制策略和算法仍然非常简单，只是对车速信号、a b s 信号等 做了一些门限控制方法。其一般控制规则如下： ( 1 ) 车速信号 当车速低于3 4 公里d , 时，车速控制信号为低于5 h z 的方波，控制器切断 电磁线圈电流。 当车速高于6 7 公里，j 、时，车速控制信号为高于1 0 h z 的方波，控制板正 常输出脉宽调制信号： 手控0 档，控制板无输出，电磁线圈无电流： 手控l 档，电磁线圈电流为总电流的2 5 ； 手控2 档，电磁线圈电流为总电流的5 0 手控3 档，电磁线圈电流为总电流的7 5 ； 手控4 档，电磁线圈电流为总电流的1 0 0 ； 无速度信号视为速度低于3 公里d , 时。 ( 2 ) a b s 信号 a b s 正常工作时，a b s 报警信号悬浮，说明a b s 控制信号有效，这时a b s 控制信号接地，说明刹车没有抱死，控制板输出正常脉宽调制信号；a b s 控制 信号接正，说明刹车抱死，控制板切断励磁线圈中的励磁电流，刹车抱死解除后， 控制板脉宽调制信号输出以延迟的方式恢复；a b s 损坏时，a b s 报警信号接地， 说明a b s 控制信号无效。 江苏大学硕士论文 2 2 3 基于贝尔曼动态规划法的电涡流缓速器控制算法 正如上文所述，因为电涡流缓速器实际上是一个高度非线性系统，因此对其 控制应该采用如最优控制、智能控制等方法。1 9 9 4 年s c o r k i m b r o u g h 在s a e 上 发表的一篇“o p t i m a lc o n t r o lo f e l e c t r o m a g n e t i cb r a k er e t a r d e r s ”论文，在该论文 中，他采用了b e l l m a n 动态规划法的最优控制理论来对电涡流缓速器进行了有效 的控制，取得了良好的控制效果。该方法具体描述如下： 动态规划最优设计依赖于最优性原理，如果定义性能指标函数【l ”为： ，( x ( 门) ，“( “ ) ；“ ，) = g ( x ，“，f ) ( 2 1 ) k i 其中x 一代表系统的状态变量( 例如电涡流缓速器的电流比) ；g 一最小化的状态 和控制的某个函数。运用最优原理，可以推导出递归控制方程 j ( x ( n ) ；玎，n ) = m i n ( u ( n ) ，g ( 工( 玎) ，“( 行) ，n ) + t ，( 工( 玎+ 1 ) ；( 门+ 1 ) ) )( 2 2 ) 其中x ( n + 1 ) = a d ( x ( n ) ，“( 片) ) 而且，+ q ( h ) ；h ，) 为性能指标函数的最小值。这个 方程通过为最后步长开始，继续往后移动反相求解。 通过对电涡流缓速器的动态分析可以得到一个动力热力学状态方程( 该方程 将在下面的文章中做具体介绍) ： l(-(-f,-fdxh c ( t 一豢韶 ( 2 ，) = li z j l l ( 一一瓦) + c 文) tj 、 这个状态方程可以表示为 主= a ( x ，p )( 2 4 ) 其中x 是状态向量，“是控制量，p 是参数。对于电涡流缓速器来说，控制量就 是实际电流和最大电流之比，而参数有两个分别为坡角倾斜度日和环境温度瓦。 为了实现动态规划设计和数字仿真，状态方程必须离散化有， x ( n + 1 ) = 工( n ) + a ( x ，u ，p ) d t( 2 5 ) 其中成是选择的时间步长，而步长必须足够的小以使得离散方程保持足够的精 度。令 江苏大学硕士论文 那么有 选择性能指标函数为 x ( n + 1 ) = a d ( x ，“，p ) ( 2 6 1 口d ( z ，“，p ) = x ( n ) + a ( x ，“，p ) d t ( 2 7 ) t ，= ( x ( f ) 一屹) 2 ( 2 8 ) 相对应的性能指标函数的最小值，意味着实际车速x 和理想车辆速度v 的误差 的最小平方和。 将由动态规划最优设计应用到简化了的电涡流缓速器离散状态方程中，可以 使在其控制中得到优化。这种优化控制方法产生了较好的速度调节和防止了缓速 器的过热情况的出现，具体结果可见参考文献 1 7 】。 2 3 本章小结 本章首先介绍了电涡流缓速器的基本工作原理和基本结构，包括了其机械结 构和电子控制结构。然后着重介绍了现在市场上已经出现的电涡流缓速器的控制 方法：继电器控制方法和p w m 脉宽调制励磁电流的方法，分析了两种控制方法 的基本控制结构和各自的优点和缺点。在本章中还介绍了一种运用b e l l m a n 动态 规划最优设计来对电涡流缓速器控制进行优化设计的控制算法。 江苏大学硕士论文 第三章h 。自适应模糊控制在电涡流缓速器中的应用 正如第二章中所述，实际上电涡流缓速器在工作过程中是一个高度非线性系 统，运用一般的经典控制方法无法对其实现良好的自动控制。 模糊控制是基于模糊规则的一种智能控制，控制系统的设计不依赖被控对象 的精确模型，具有鲁棒性好、响应速度快等特点【2 0 1 1 2 3 1 。而近年来，控制理论界 对日。意义下j 系统鲁棒性和稳定性的研究十分活跃，是整个控制理论领域中最活 跃和成果最丰富的领域之- - 2 2 1 。将模糊控制理论和h 。鲁棒自适应控制结合起来 是一种对非线性系统实现有效控制的很好的尝试，在文献 3 4 1 1 3 5 3 6 1 1 3 7 q b 都大 量将该方法用于非线性系统控制中并取得了非常好的控制效果。 在本章中，尝试将文献【2 6 】中所讨论的间接h 。自适应模糊控制算法应用到 电涡流缓速器控制中。用模糊逼近函数来逼近电涡流缓速器动态热力动力学方程 中的未知函数，并在此基础上对文献 2 6 】中的自适应控制算法做了一定的改进， 使得自适应控制规律中的自适应权值能够变化。最后将改进后的算法做了相应的 m a t l a b 仿真。 3 1 电涡流缓速器数学模型 为了设计自适应模糊控制算法，首先必须了解电涡流缓速器的数学模型。根 据电涡流缓速器的理想工作状态：恒转速，转子盘温升不大，所以如果要建立其 数学模型应该以其转速和转子盘温度为两个状态变量，而控制量应该为励磁电 流。但因为电涡流缓速器的实际工作状态比较复杂，想要建立其完整的数学模型 有相当的困难。在文献【1 7 中提出了一个简易的动力热力学模型，这个状态方程 虽然是一个近似方程，但是它确实抓住了电涡流缓速器在工作过程中的物理学本 质。下面就对该状态方程进行相应的解释。 在文献 1 7 1 中对装载了电涡流缓速器的汽车在下坡过程中的车速的动力学 状态方程表述如式( 3 1 ) 所示， 江苏大学硕士论文 v = - - 鲁一墨+ g s i n 臼 ( 3 1 ) ，”m 其中m 表示汽车的质量，f 是由缓速器所产生的制动力，乃是车辆自身的拖力， g 是重力加速度，p 是下坡坡度。而车辆自身的拖力乃也是汽车自身速度的函数 如式( 3 2 ) ， 乃= c 1 + c 2 v + c 3 v 2( 3 2 ) 其中c f ( f _ 1 , 2 ，3 ) 是定值常数。而由电涡流缓速器所产生的制动力f 是励磁电流 t 、缓速器转子盘温度r 和车速的函数如式( 3 3 ) ， c = 。丁( 7 0 0 - t ) ( 3 3 ) 其中t 为电涡流缓速器温度，c 。是由励磁电流所产生的实际制动力，根据文 献 1 8 】 1 9 】可以得到c 。的表达式， 。：坐丝丝( 3 4 ) z p r 其中n p 是磁极对数，& 为电涡流缓速器中气隙的面积，a 。是工程计算中常采用 的等效透入深度，b 是磁感应强度，国是转子盘转速，p 是转子盘电导率的倒数， r 是电涡流缓速器转子盘缘侧到缓速器质心的距离。 因为电涡流缓速器是和汽车的传动轴相连，所以其转子盘的转速和汽车的车 速之间是成一定比例关系的，设它们之间的比例系数为屯一。，车速和传动轴也即 缓速器转速之间的关系如式( 3 5 ) 所示。 v = 吒一，( 3 5 ) 通过式( 3 5 ) 可以知道不仅f 可以用电涡流缓速器转子盘转速、转子盘温度、 励磁电流来表示，而且式( 3 i ) 也可以转化为转子盘转速的状态方程，只要将 车速v 除以比例系数吒一，就可n a y ，因此式( 3 1 ) 改写为， 甜：一幽y a 6 0 ) g s i n 曰( 3 6 ) 在文献 1 7 】中电涡流缓速器转子盘温度的热力学状态方程表述如式( 3 7 ) , 9 7 江苏大学硕士论文 k t = - h 。( t 一瓦) + f v ( 3 7 ) 其中k 是缓速器的热电容，h c 是对流系数，l 是环境温度可以取为0 。或是室温。 对流系数吃是车速的函数如式( 3 8 ) ， 嚏：c 4 打 ( 3 8 ) 其中a 为常数。通过式( 3 5 ) ，可以将玩转变为转子盘转速的函数， h c = c 4 五 ( 3 9 ) 其中c 4 = t a 。同上面对车速状态方程讨论的一样，可以将式( 3 7 ) 的温度 热力学状态方程转化为转子盘转速和温度的状态方程。 于：一掣( r 一瓦) + 宰f , ( o j , r ，l ) ( 3 1 0 ) 野托 将式( 3 6 ) 和式( 3 1 0 ) 联立，可以得到电涡流缓速器转子盘转速和转子盘 温度的状态方程。 珊：一塑坚盟一型一g s i n o l ，、mk 所 ( 3 1 1 ) r ：一掣( r 一瓦) + 拿e ( 峨r ，t 。 丘肝 对于式( 3 1 i ) 的状态方程中的参数具体化后可以用m a t l a b 建立其s i m u l t n k 模型如图3 1 所示。 图3 1 电涡流缓速器s i m u l i n k 模型 为了便于运用下面自适应模糊控制算法，必须将式( 3 1 1 ) 化为非线性标准 型。因为在实际电涡流缓速器控制中存在着稳定转速和稳定转子盘温度的矛盾， 1 6 江苏大学硕士论文 所以在本文中将式( 31 1 ) 转化为两个标准模型，一个是转速的，另一个是温度 的。 如果令一= 彩，x ：= m ，可将式( 3 1 1 ) 化为转子盘转速的非线性状态方程标 准型。 x i = x 2 x 2 = ：( x ) + g 。( x ) “+ 丸( 3 1 2 ) y 2x 、 注意：通过对电涡流缓速器数学模型的讨论看出，方程中的参数比较多而且包含 很多非线性函数和超越函数，即使费时费力地得到最终详细的状态方程，对于分 析来说也是没有多少用处的。因此可以改换一种思路即将状态方程中的 兀( x ) 和( 工) 函数认为是未知的，这样就可以运用下面的模糊逻辑系统来逼近 了。 同理，如果令x i = t ，x 2 = t ，则可以将式( 3 1 1 ) 转化为转子盘温度的非线 性状态方程标准型。 x i2 t 王2 = 石( j ) + g r ( x ) u + d r( 3 1 3 ) y2 式( 3 1 2 ) 和式( 3 1 3 ) 中的“是励磁电流t ，破( n 是方程的不定项可以认为是 外界干扰。 通过如上分析将文献【1 7 】中所建立的电涡流缓速器热力动力学状态模型转 化为两个状态变量( 和t ) 的非线性标准型，只是其中的厂 ) 和g ( x ) 函数认为 是未知函数并且为各自状态变量国和丁的复杂函数，为下面应用模糊逻辑系统对 两个函数进行模糊逼近作好了准备。 江苏大学硕士论文 3 2 权值可调整的。间接自适应模糊控制算法设计 3 2 1 模糊逻辑逼近系统描述 通过文献 2 4 2 5 1 1 2 8 1 的阅读，可以知道模糊逻辑系统的一个重要用途就是可 以作为非线性系统的数学逼近模型。利用s t o n e w e i e r s t r a s s 定理可以证明一个模 糊逻辑系统能够在任意精度上一致逼近任何定义在一个致密集上的非线性函数 【2 5 】。在自适应模糊控制算法中，为了使得系统拥有h 。鲁棒性能和稳定性，对式 ( 3 1 2 ) 和式( 3 1 3 ) 非线性标准型中未知的非线性函数( x ) 和g ( x ) 可以采用对 应的模糊逻辑系统来逼近。 一个模糊逻辑系统的系统结构如图3 2 所示。 叵 一 1 意i 图3 2 模糊逻辑系统图f 2 5 i 图3 2 所表示的模糊逻辑系统主要由4 部分组成：( 1 ) 模糊化，这部分的作 用是将输入的精确量转化为模糊量。其中输入量包括系统外界的输入和状态等。 ( 2 ) 知识库，其中包含了具体应用领域中的知识和要求控制的目标。通常由数 据库和模糊控制规则两部分组成。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，尺 度变换因子以及模糊空间的分级数等：规则库包括了用模糊语言变量表示的形如 式( 3 1 4 ) 的一系列控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识。( 3 ) 模糊推 理，这部分是模糊逻辑系统的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。 该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。( 4 ) 清晰化，这 部分的作用是将模糊推理得出模糊控制量变换为实际用于控制的清晰量1 2 5 1 。 r ：矿( 满足一组条件) t h e n ( 可以推出一组结论)( 3 1 4 ) 上面的模糊逻辑系统中可以包含多种模糊逻辑模式，对一种特定的系统有很 多种选择。可以选用其中的一种来作为模糊逼近系统，因此得出如下重要的结论。 1 8 江苏大学硕士论文 影璎j 鲫：如果在一个模糊逻辑系统中解模糊采用重心法，而模糊运算采用 乘积运算，模糊化采用单点模糊化的方法，那么这个模糊逻辑系统可以用下面的 等式来表示， ，( 曲：酱m - - 兰i 些n 型型1y l d2 1 广。一 【3 5 ) ( n ：，如) ) 其中y 。是模糊隶属度函数一取得最大值时的y 。这里因为采用了单点模糊的方 法所以隶属度函数的最大值为1 ，即心，( y ) = 1 。 式( 3 1 5 ) 又可以改写为， y ( d = 旦7 孝( 兰)( 3 1 6 ) 其中o = ( 歹1 ，尹) 7 是参数列向量，而f ( 墨) 是一个回归函数列向量 ( f 1 ( 兰) ，f ”( d ) 7 ，其中每个元素f 。( d 都是一个回归函数，也就是参考文献【2 5 j 中所定义的模糊基函数，如式( 3 1 7 ) 所示。 乳护共幺旦( 3 1 7 ) e ( 1 - 1 ：。一( x i ) ) 从上面对模糊逼近函数的讨论我们可以得到如下的结论：1 ) 形如式( 3 1 5 ) 的模糊逻辑系统是一个广义逼近器，也就是说，在任意致密连续的u 上定义的任 意的函数厂，都存在着形如式( 3 1 5 ) 的模糊逻辑系统可以在任意给定的精度下 逼近函数f ；2 ) 因为式( 3 1 5 ) 是由图3 2 推导出来的，所以在其中包含了基于 i f t h e n 人类控制经验的模糊规则，从而使得以这种模糊逻辑逼近为基础的自 适应模糊控制具有足够的智能化与人性化。 3 2 2 非线性系统日”鲁棒性能定义 考虑如下的r l 阶单输入单输出系统口9 j 【3 0 1 。 ( 3 1 8 ) d+“ ) 一n xrr (g + ) 一n xxr (， = r 帕 1 | y 江苏大学硕士论文 假设其中