（机械工程专业论文）汽油机调速系统的研究与实现.pdf

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘要 在环境恶化问题目趋严重的今天，汽车行业也在不断的变革和更新。我 国在加严排放法规的同时也在加大对电动汽车的研制和开发。电动汽车虽然 环保，但电动汽车也存在着充电时间长、行驶罩程短、车身自重沉、动力不 足等缺点。为了兼顾环保和用户使用的要求，混合动力汽车出现在人们面 前。 混合动力汽车是利用汽油机的动力和蓄电池的电能来驱动车体的。由汽 油机驱动发电机，发电机发出电能驱动车体前进，如动力不足则蓄电池也可 提供电能共同驱动车体。汽油机在调速系统的控制下，保持转速恒定，转速 值设定在油耗低、排放污染小的转速上。 汽油机调速系统是指在负载变化的情况下，汽油机能够维持稳定的转 速。这不仅使其能为混合动力汽车、精密电站等提供动力，而且对扩展汽油 机应用领域也具有深远意义。 本论文针对汽油机工作过程中具有明显的非线性、时变性、和不确定 性，很难建立精确数学模型情况下，提出了汽油机复合型模糊控制电子调速 系统。这种控制方法表现了其它控制方法所不具备的独到之处，它不必对被 控系统建立完整的数学模型，并也能取得令人满意的控制精度。并用这一控 制方法对d a 4 6 2 型汽油机进行调速控制，使其精度满足混合动力汽车和二 级电站的动力要求精度。 调速器的系统设计是本论文的关键，对于该系统的调速控制，主要分 两部分。当检测到汽车转速偏差比较小时采用比例控制器进行控制，因为这 种控制器具有响应速度快，计算简单的特点；当汽车转速偏差较大时，则采 用模糊控制，因为这种控制器是非线性控制，系统稳定性好，对系统参数变 化不敏感。通过分段控制，它兼顾了快速性和超调的要求，很好的实现了设 计的要求。 最后通过对系统进行稳态性和动态性试验，证明该系统超调量小且进入 稳态域时间短，动态指标非常好，达到了预期的效果。 关键词混合动力汽车；调速系统；模糊控制；汽油机 一： ：墼堡兰垡窒些篁：二：一：= ：一 a b s t r a c t w i t ht h ed e t e r i o r a t i o no ft h ee n v i r o n m e n t ，r e f o r m sa n dm o d i f i c a t i o na r e c o n s t a n t l ym a d e i nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y 。i na d d i t i o nt ot i g h t e n i n gt h em u l e s o ne x h a u s te m i s s i o n ，o u rc o u n t r yi st r y i n gt o d e v e l o pe l e c t r i ca u t o m o b i l e s 。 t h o u g he l e c t r i ca u t o m o b i l e sd on o tp o l l u t et h ea i r ，t h e yh a v es u c hd e f e c t sa s l o n g t i m ec h a r g e ，s h o r tm i l e a g e ，g r e a tw e i g h ta n dd e f i c i e n c y o fp o w e r 。t o s a r i s f yb o t ht h en e e do fp r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n ta n dc o n s u m e r s d e m a n d ， m i x - p o w e r a u t o m o b i l e sc o m ei n t ob e i n g 。 t h e m i x p o w e ra u t o m o b i l ei sp o w e r e db o t hb y t h eg a s o l i n ee n g i n ea n db yt h e e l e c t r i c i t yf r o mt h es t o r a g eb a t t e r y a t h ea u t o m o b i l ei s p o w e r e db ye l e c t r i c i t y g e n e r a t e db yt h eg e n e r a t o rw h i c hi s d r i v e nb yt h eg a s o l i n ee n g i n e 。i nc a s eo f p o w e rd e f i c i e n c y ，t h ea u t o m o b i l ei sp o w e r e db yt h ee l e c t r i c i t yp r o v i d e db yt h e s t o r a g eb a t t e r y 。u n d e rt h ec o n t r o lo ft h eg o v e r n o rs y s t e m ，t h eg a s o l i n ee n g i n e m a i n t a i n sac o n s t a n t s p e e d ，w h i c hi s s e ta tap r o p e rl e v e ls oa st oe n s u r e m i n i m u m g a s o l i n ec o n s u m p t i o na n de x h a u s t e m i s s i o n 。 t h eg o v e r n o rs y s t e mo ft h eg a s o l i n ee n g i n ei sas y s t e mt h a tc a nm a k et h e g a s o l i n ee n g i n em a i n t a i nt h ec o n s t a n ts p e e dr e g a r d l e s so f t h el o a d ，t h i ss y s t e m c a np r o v i d ep o w e rf o r m i x p o w e r a u t o m o b i l e sa n dp r e c i s e e n g i n eg e n e r a t o r s e t s ，a n d e x p a n dt h ea p p l i c a t i o no f g a s o l i n ee n g i n e 。 i nv i e wo ft h ef a c tt h a ti ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s hap r e c i s em a t h e m a t i c a l m o d ef o r s o l v i n g t h e n o n l i n e a r i t y ，t i m e v a r i a t i o na n du n s t e a d i n e s si nt h e o p e r a t i n gp r o c e s so f t h eg a s o l i n ee n g i n e ，t h i sp a p e rs u g g e s t sa c o m p o u n df u z z y c o n t r o lg o v e r n o rs y s t e mf o rt h eg a s o l i n ee n g i n eat h ef u z z y - c o n t r o lm e t h o dh a s o r i g i n a lt h o u g h tt h a tt h es y s t e mc a no b t a i nas a t i s f a c t o r yp r e c i s i o nw i t h o u ta c o m p l e t em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e m 。i na d d i t i o n ，t h em e t h o dc a nb e a d o p t e d i nd a 4 6 2 g a s o l i n ee n g i n et or e a l i z et h ec o n t r o lo fg o v e r n o ra n dm a k e i t s p r e c i s i o nm e e t t h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n to f m i x p o w e ra u t o m o b i l e sa n dg r a d e2 e n g i n eg e n e r a t o r s e t s 。 t h e d e s i g no fg o v e r n e rs y s t e mi st h ek e y o ft h i st h e s i s ，a d j u s tf o rt h a t s y s t e mt oc o n t r o l ，m a i nd i v i d et w op a r t s w h e ne x a m i n e dt h ew i n d a g e o ft h e a u t o m o b i l e sr o t a t es p e e di sl i t t l e r ，a d o p tt h ec o m p a r i s o nc o n t r o l l e r , b e c a u s et h i s i l 哈尔滨工业大学_ 程硕士学位论文 k i n do fc o n t r o l l e rh a st h es p e e do fr e s p o n dt oq u i c k ，c o m p u t et h es i m p l e c h a r a c t e r i s t i c s ；w h e ne x a m i n e dt h ew i n d a g e o ft h ea u t o m o b i l e sr o t a t es p e e di s l i t t l e rb i g g e r , a d o p tt h ef u z z yc o n t r o l e r , b e c a u s et h i sk i n do f c o n t r o l l e ri sn o n l i n e a rc o n t r o l ，t h es y s t e ms t a b i l i t yg o o d ，c h a n g et ot h es y s t e mp a r a m e t e r n o t s e n s i t i v e p a s st od i v i d eac o n t r 0 1 i tl o o k e da f t e rb o t hs i d e st h ef a s ta n ds u p e r r e q u e s tf o ra d j u s t ，c a r r i e do u tt h er e q u e s to fd e s i g n w e l l p a s st oc a r r yo ns t e a d ys t a t e sa n dd y n a m i cs t a t e s e x p e r i m e n t t ot h e s y s t e mf i n a l l y , d i s c o v e rt h a tt h a ts y s t e m i ss u p e rt oa d j u s tt h eq u a n t i t ys m a l la n d e n t e rt h es t e a d ys t a t e sa r e at i m es h o r t ，a n dt h ed y n a m i cs t a t ei n d e xs i g ni sv e r y g o o d ，c o m i n g t oat h ea n t i c i p a n tr e s u l t k e y w o r d g o v e r n o rs y s t e m ，f u z z yc o n t r o l ，g a s o l i n ee n g i n e l i i 哈尔滨工业大学工程硕士论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 哈尔滨东安( 集团) 公司的民品主要是车用微型汽油机，由于汽车的行 驶路况比较复杂，汽油机的转速变化范围也相对较大，车用汽油机并不需要 调速系统，但是在一些特殊场合，由汽油机驱动的设备却需要汽油机的转速 恒定或转速变化很小。面临激烈的企业竞争，生产汽油机的基地有必要开发 新的产品，对汽油机的改进开发以增强其生命力、扩展其应用领域，开拓更 大的市场，显得尤为重要，汽油机调速系统的研究就是其中比较重要的一 项。 长期以来汽车的动力以汽油机、柴油机居多，但是随着环保呼声的日益 增高以及排放法规的加严，人们又开始研究电动汽车，主要是因为电动汽车 行驶平稳，而且在频繁起动及停车的行驶条件下，电动汽车比较经济，并且 污染特别小，这非常适合城市行驶路况。尤其在环境问题日趋严重的2 0 世 纪末，对现代电动汽车的需求又与日俱增起来。当前，不论是美国、日本， 还是欧洲各国，都在大力研究开发现代电动汽车的同时，还致力于电动汽车 的普及和推广。在这种形式下，我国在加严排放法规的同时，也开始加大研 究电动汽车的力度。 虽然电动汽车有很多优点，但其也存在着充电时间长、行驶里程短的缺 点，并且又由于蓄电池多而使车身自重增加很多，从而限制了它的应用，所 以人们开始研究混合动力车“1 。混合动力车是指用蓄电池的电能和汽油机的 动力来驱动汽车。汽油机起动以后，就一直以某一恒定转速运转，即使停车 时转速也不变。首先由汽油机驱动发电机，发电机产生的电能可以直接输送 给电动机以驱动车体，在停车或负载很小的情况下，过多的电能也可以给蓄 电池充电；当车速要求很高或者负载很大的情况下，如果发电机所发出的电 能不足以驱动车体，那么可以由蓄电池提供电能与发电机一起来驱动车体。 当然，蓄电池也可以预先直接充入市电，混合动力车动力传动系统参见图 1 一l 。这样的好处不言而喻，一方面可以减少蓄电池的数量，从而可以减少 车体自重；另一方面电能主要来源于汽油机，可以解决行驶里程短的问题。 混合动力车虽然不象电动汽车污染那么小，但比一般的汽油机车的排放指标 哈尔滨 ：业丈学工程硕。l - 论文 幽卜1 混合动力车动力传动系统刁惹图 要好得多。这是因为，汽油机排放量最差主要发生在怠速、加速、减速的工 况下。而漫合动力车的汽油机工作在某一恒定的转速之下，一般都将其设定 在油耗低、排放污染小的转速上，从而可以降低排放污染，使排放指标相对 容易控制。而且这种混合动力车的经济性也相对较好，由汽油机的特性曲线 图卜2 可以看出( 图中n 为汽油机曲轴转速、m e 为汽油机的扭矩、p e 为汽 油机的有效功率，g e 为汽油机的燃油消耗率) ，当曲轴转速为n ：时，汽油机 m e 图卜2 汽油机转速特性 发出最大扭矩。当转速小于n ：时汽油机燃烧不良：另外，转速降低，每个 工作循环的对问就增长，燃烧气体与汽缸壁接触时间也增长，由于冷却而产 生的热量损失就更大，因而扭矩略为减小。转速由n 。不断增加，由于进气 行程时问短，气体流速高，阻力大，充气量较少，而且摩擦损失有加大，故 m e 电随之减小。 当转速达到m 时，有效功率p e 达到最大值。功率是转速和扭矩的乘 积。在l 1 ：范围内，因为m e 与n 都是渐渐增加，即p e 也增加。故在转速 哈尔滨工业大学 _ 程硕士论文 n 一n 。范围内p e 随n 的增加而增加。在n 。一n 。范围内，n 虽然继续增加， 但6 【i e 却逐渐降低，不过降低较缓慢，故p e 是缓慢增加的，到n 。时p e 达最 大。转速超过n 。时，虽然n 是增加的，但由于m e 下降很快，故p e 也逐渐 下降。 由图卜2 还可以看出，汽油机最小燃油消耗率的相应转速为n 。，它的 数值一般是介于最大扭矩和最大功率时转速之间。1 。一般来说，某一一型号汽 油机的最小燃油消耗率在负载一定的前提下，转速在某一较小的范围内变 化。如图卜3 所示，该图是我公司的产品d a 4 6 2 型汽油机的万有特性曲线 ”1 ，以曲轴转速1 2 为横坐标，以扭矩m e 纵坐标，画出了若干条等功率曲线 p e 和等燃油消耗率曲线g e ( 环形线) ，图上每一点都代表汽油机一个工况。 由图卜3 的等燃油消耗曲线可以看出，在环的中心处油耗最低，转速大约在 如 ( k a g ) s ) s ) 图卜3d a 4 6 2 型汽油机万有特性 3 0 0 0 r p m 而功率在1 5 p s 附近，尽管此时的扭矩和功率并不是最大，但油耗 却最低。在权衡扭矩、功率和燃油消耗率的前提下，使发电机能够适应这一 哈尔滨工业大学工程硕上论文 转速变化，这一转速变化范围一般不大，并且都尽量把转速恒定在某一型号 汽油机的最经济转速附近，这就使得混合动力车在降低排放的同时，还能够 使汽油机控制在经济转速附近，提高其经济性。 清华大学汽车系与厦门金龙客车厂合作开发混合动力车，欲使用我公司 的新产品4 g 1 系列汽油机，金龙客车厂想要把中巴改装成混合动力车，因为 混合动力车比较适合于城市行驶路况，而中巴却又是城市路况中行驶车辆最 典型的代表。城市的行驶路况是经常发生交通堵塞，机动车走走停停，速度 很低。以北京市为例，机动车经常工作在加速、减速、怠速等工况，车速平 均每小时不会超过4 0 公里，该工况的排放极差并且油耗还比较高。由于中 巴每到一站还要停上几分钟，此时汽油机又不能关闭，只能使怠速的时间加 长，排放将会更差。而混合动力车，却可以是汽油机一直工作在经济转速 上，即使车停下来( 怠速) 、加速、减速时，它的转速一直不变，既有利于 排放，又可以降低油耗，这对于人口密集的大城市来说，是非常适宜的。 除了清华大学研究混合动力车欲使用我公司的汽油机外，岳阳空调厂也 曾请求我公司为其空调配备动力，他们选择了我公司的d a 4 6 2 微型汽油机 “3 ，但由于受到空调的限制5 1 1 ，使得汽油机必须有调速能力。对于空调来 说，其主要动力为电，然而在偏远的地方或者空调客车等电力所不及的场 所，采用其它式动力就很必然了。 但是用在这些系统上的汽油机，如果转速在很短时间内发生急剧的变 化，会在运动件连接处引起附加的动载荷，产生很大的反作用力矩，容易产 生剧烈的震动，使内部支撑部件过早地疲劳破损；另一方面，由于被驱动器 件本身特性就要求汽油机的转速不应有较大的变动。可见，研究汽油机的调 速系统意义深远，具有一定的实用价值。 1 2 调速器的发展历史和国内外现状 调速器最初应用于柴油机上，因此调速器在柴油机上得到了蓬勃的发 展；而把调速器应用于汽油机上也是刚刚兴起的事情。柴油机为适应用户要 求，必须在较宽的工况范围内经济而可靠地工作，故需装有性能良好的调速 器。1 。柴油机调速系统长期以来以机械式调速器居多，这种调速器系统工作 可靠性较好，但在一般状况下其控制精度不够。1 。在柴油机电子调速系统 中，八十年代的调速系统主要由模拟电路构成，整个转速调节过程连续进 行。近十年来，为了适应动力装置经济性、可靠性与自动化水平日益提高的 要求，柴油机数字调速技术也就发展起来，由于采用了微处理器取代了模拟 式调速系统中的控制电路，并且主要依靠软件来实现各项调节和控制功能， 因而数字式调速系统的通用性与功能扩展能力远强于模拟系统。目前，柴油 机数字调速技术在一些先进国家已达到了实用化程度，如挪威n o r c o n t r o l 公司用于低速船用柴油机上的d g s 8 8 0 0 型调系统，联邦德国m t u 公司用 于高、中速柴油机上的r 0 8 2 型电子调速器，美国w o o d w a r d 公司用于煤气机 上的7 0 0 型转速控制器均属此类产品。开发数字化多功能调速器产品已成为 调速器技术发展方向之一n “，。 为满足我国发展高精度自动化电站的要求，有关部门也研制了用于中、 高速柴油机电站的数字式调速器“，该调速器在保证柴油机调速精度方面 也取得了一定成果，但由于柴油机的非线性及时变性的影响，常规的p i d 控 制系统在柴油机低速时很难保证其控制精度，尤其在怠速状态更难保证；为 此人们提出了基于模糊控制的调速系统。 以上是国内外柴油机调速系统的历史和现状，在汽油机领域调速系统的 研究并不很多，主要由于汽油机自身的工作特点并不需要调速系统，因此汽 油机用的调速系统发展比较缓慢，大部分还是从柴油机用的调速系统发展过 来的，主要还是以常规的p i d 控制为主”。尽管柴油机的功率较大，且柴 油机价格也较汽油便宜，但对于一些比较精密的设备，其所需动力功率并不 大时，为了追求整洁、低噪音、可靠性等，用汽油机显得更为适宜，如前所 述的混合动力车及空调设备等。因而汽油机调速系统也有其广阔的应用领 域。 1 3 论文的研究内容和方案选型 本论文研究的内容是设计一套基于单片机的数字调速系统，对汽油机的 转速进行控制，使其达到在汽油机的负载变化情况下，能够维持恒定的转 速。本论文主要分以下几个部分进行论述： ( 1 ) 绪论 ( 2 ) 比例一模糊控制器的结构和系统设计 ( 3 ) 比例一模糊控制器的硬件设计 ( 4 ) 比例一模糊控制器的软件设计 ( 5 ) 实验结果 ( 6 ) 结论 哈尔滨工业大学丁程硕士论文 1 4 系统的硬件实现 p - f u z z y 汽油机调速器系统中，控制器以m c s 一5 1 系列单片机8 0 5 1 为核 心，扩展了8 k 的e p r o m 作为程序存储器：执行器采用步进电机，由8 0 5 l 的 p 1 口的高4 位输出控制信号经放大后来驱动步进电机的前进或后退，步进 电机通过齿轮传动来调节节气门开度的大小；采样部分以磁电传感器从安装 在汽油机曲轴皮带轮上的齿轮盘取得转速脉冲信号，该信号经过n e 5 5 5 组成 的单稳触发电路后成为方波，然后送入8 0 5 l 的定时计数器进行计数，而定 时计数器0 完成l o o m s 的定时。为了观察动态响应性能指标，设置了与上 位p c 机的串行通讯。用m a x 3 1 0 0 扩展串行通讯接口，用m a x 2 3 2 完成r s 2 3 2 通讯标准的电平转换。其中电涡流测功机，其中电涡流测功机主要用来给汽 油机增加或减少负荷所用。本系统中8 0 5 1 根据转速序列值，采用pf u z z y 算法求得输出值，输出信号给步进电机，从而达到调速控制。本系统以汽油 机转速为反馈参数，使转速接近于目标转速为控制目标，以驱动节气门开度 的步迸电机前进或后退的步数作为输出量。 1 5 本章小结 本章首先讲述了汽车未来的发展方向，引出了混合动力汽车将在未来环 保要求愈加严格的形势下大有发展。混合动力汽车主要是由发电机和蓄电池 共同驱动车体的，它使发电机( 汽油机) 在最环保、最节能的速度下匀速转 动，最大限度的控制了汽油机的排污，解决了汽油机排污严重，影响环境的 问题，同时也克服了电动汽车充电时间长，行驶罩程短的缺点。但如何保障 汽油机能够在匀速状态下正常运行呢? 这就引出了本篇论文的主题。根据近 年柬国内外调速器的发展动态和汽车本身的运行特性，我们采用了一种特殊 的控制方式：比例一模糊控制( p - f u z z y ) 。 哈尔滨工业大学工程顾士论文 第2 章比例模糊调速器的结构和系统设计 2 1 比例一模糊( p - f u z z y ) 控制器的结构和设计 2 1 1 比例模糊控制器 比例控制器是最基本的一种控制器，它的控制器由偏差乘以比例因子而 得到。这种控制器的结构比较简单，能满足一般的精度要求，而且在数字控 制中计算量也很小，因此应用十分广泛。 若不考虑干扰影响，则系统对阶跃位置信号的响应不存在稳态误差。实 际上偏差值较大时，增大比例因子k p 将使控制器输出增大，系统响应随之 加快；但在误差值由较大值变为较小值后，过大的k p 会使系统的响应出现 超调和振荡。 在比例( p ) 控制的基础上，增大积分( i ) 和微分( d ) 环节，从而就构成了 p i d 控制器。p i d 控制器易于调整，对于消除系统的稳态误差、提高响应速 度及减少超调和振荡取得了积极的作用，是工程应用中最常见的控制手段 14 o 然而在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变的、非线性的复杂系 统，其中有的参数未知或缓慢变化；有的带有延时和随机干扰；有的无法获 得较精确的数学模型或模型非常粗糙。对上述这些系统，如果使用常规的 p i d 控制器，则较难整定p i d 参数，因而比较难以达到预期的效果。但如果 采用模糊控制器，能够实现比较令人满意的效果。模糊控制器是近年来发展 起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受控对象的数学模型，而根据人工 控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。由于模糊控制是 一种非线性控制，系统的鲁棒性好“，对系统参数的变化不敏感，因此很 适合汽油机的电控系统。 然而当偏差变化范围较广时，由于模糊控制是非线性控制，在稳态控制 精度方面不如线性控制“。但如果把模糊控制器和常规的数字控制器相结 合，形成复合型模糊控制器，这种类型的模糊控制器能充分利用常规的控制 器的优势，又能结合模糊控制的特点，因此在实际应用中取得了较好的控制 效果。p - f u z z y 控制器是复合型控制器的一种，能够解决响应快速性与精度 哈尔滨工业人学工程硕士论文 的矛盾，如图2 - 1 所示。在系统运行过程中，控制器将根据偏差和偏差变化 率值的大小自动在二种控制器之间切换，分别实现其各自的算法。 图2 - 1p f u z z y 控制器结构 该措施实际上是分段控制，它兼顾了快速性和超调的要求，在数字控制 中也很容易实现。当系统的输入不是阶跃信号时，仍采用比例控制；若输入 的进给量发生突变，则认为是阶跃信号，采用模糊控制。p - f u z z y 控制器的 基本工作方式是：当le i e 或l a e a e 时，采用模糊控制，速度快速趋 向目标值，减小系统阶跃响应的超调和振荡，改善动态特性；当iej e 并 且【a e a e 时，采用比例控制，保证有较高的稳态精度。这里，切换点 和应根据经验和具体情况来选择。 2 1 2 模糊控制基础 模糊控制是一种新的控制方法，它的数学模型、理论基础、实现方法都 和传统的控制方法有很大的区别。把模糊数学理论用于自动控制领域而产生 的控制方式方法称为模糊控制。模糊控制在实践应用中，说明它具有下列几 个明显的优点： ( 1 ) 模糊控制器不依赖于被控制对象的精确数学模型，易于对于确定性 系统进行控制。 ( 2 ) 模糊控制器是易于控制、易于掌握的较理想的非线性控制器，是一 种语言控制器。 ( 3 ) 模糊控制器抗干扰熊力强，影响速度快，并对系统参数的变化有较 强的鲁棒性“7 ”1 。 2 1 3 模糊控制器的结构 模糊控制器实质上是反映了输入语言变量及语言控制规则的模糊定量关 系及其算法结构。其功能的实现是要先把计算机观测控制过程得到的精确量 哈尔滨工业大学工程硕上论文 转化为模糊输入信息，按照总结人的控制经验及策略取得的语言控制规则进 行模糊推理和模糊决策，求得输出控制量的模糊集，在经模糊判决得出输出 控制的精确量，作用于被控对象，即可在复杂的被控过程中取得良好的控制 效果。因此模糊控制器的结构通常是由它的输入和输出变量、模糊化、模糊 推理和决策算法、模糊判决等部分组成。 2 1 4 模糊控制器的设计 根据模糊控制原理，模糊控制器的一般设计过程通常分成四个环节，即 是结构设计、模糊化设计、模糊算法设计和反模糊化设计，下面分别对这四 个环节进行介绍。 2 1 4 1 结构设计确定模糊控制器的结构，即根据具体的系统确定其输 入、输出变量。模糊控制系统的结构有很多种，从输入输出量来分，有 s i s 0 ( 单输入单输出) 结构、m i s 0 ( 多输入单输出) 结构、m i m 0 ( 多输入多输出) 结构。 由于本论文所研究的受控对象只有一个控制输入量，为了降低成本而有 又使响应时间加快、控制精度尽可能提高的情况下，决定采用二维模糊控制 方式，即考虑偏差e 和偏差变化率ae 作为输入的模糊控制器。 2 1 4 2 模糊化设计模糊化设计含有两个重要内容，一个是模糊划分设 计，另一个是模糊量隶属函数设计。前一个内容是要解决在语言变量论域中 取模糊量的个数问题，后一个内容则要解决模糊量的隶属函数形状问题。 在模糊划分设计中一般而言，模糊量取5 9 个左右。本论文输入量中 偏差e 、偏差变化率e 以及输出控制量u 都选取5 个模糊量。 在模糊量隶属函数设计中考虑到模糊集隶属函数的形状对控制器的影响 不大，而各模糊子集的隶属函数对论域的覆盖面的大小对控制器的特性影响 较大，因此本论文的输入和输出模糊量的隶属函数形状为容易计算的三角 形，且都是非线性划分的。 2 1 4 3 控制算法设计模糊控制是建立在一系列模糊控制规则的基础上的。 这些控制规则是人对被控对象进行控制时的经验总结。所以这些控制规则是 一些逻辑推理规则，其形式表现为模糊条件语句。在实际控制中，把有关控 制规则加以处理产生相应控制算法，模糊控制器就以相应的控制算法去控制 被控对象工作。 模糊控制规则是人们用以描述其控制经验的语句，这种语句采用形式逻 哈尔滨工业大学工程硕士论文 辑所采用的传统格式，但是，在这些条件语句中，前件和后件都是模糊词。 所以，这些条件语句就成了模糊条件语句。 由于本论文的模糊控制系统中，要考虑偏差e 和偏差变化率ae 这两种 输入量，和一种输出量u ，所以用的是i f aa n dbt h e n c 这种条件语 句。 控制算法一般可分成查表法，解析法，自校正法等。这些算法的运算速 度和精度都有所不同“。考虑到实时性和降低对硬件指标的需求情况下， 查表法是比较好的算法。 2 1 4 4 反模糊化设计通过模糊推力得到的结果是一个模糊集合或者隶属函 数，但在实际使用中，特别是在模糊逻辑控制中，必须要用一个确定的值才 能去控制伺服机构。在推力得到的模糊集合中去一个相对最能代表这个模糊 集合的单值的过程就称做反模糊化，也就是完成其模糊量到精确量的转化。 反模糊化可以采用不同的方法，主要有最大隶属度法、中位数法、重心法 等，考虑到计算的精度和准确度，本设计选择了重心法。“”，。 2 2p f u z z y 调速器的系统设计 2 2 1 p - f u z z y 调速器的原理和要求 汽油机p - f u z z y 调速系统原理如图2 - 2 。 图2 - 2 汽油机p - f u z z y 稠速器的系统原理 系统的输入为理想值r ，系统通过转速传感器采样得到汽油机转速信号 y ，通过e = y r 求出转速偏差。当t e j e 或iae ae 时，采用模糊控制，e 和e 模糊化后变为模糊量，依据模糊信息和模糊控制规则做出模糊决策， 再经过判决后变为对步进电机前进或后退步数的精确量，对化油器的节气门 开度进行调节，控制燃油量，以达到调速的目的：当fe i e 并且faej e 时，采用p 控制，根据u = k 。e 求出步进电机前进或后退的步数，对汽油 机化油器的节气门开度进行调节，使稳态精度得以提高。 为了追求更高的性能价格比，汽油机p - f u z z y 调速器的设计需满足以 f 几个要求： ( 1 ) 汽油机的标定转速应稳定在3 0 0 0 r p m 。 ( 2 ) 调速精度等级达到2 级。即转速波动率( 在负载不变的工况下运 行，在一定的时间间隔内测得的最大转速和最小转速的差与两倍标定转速之 比) 小于0 。4 ；瞬时调速率6 。( 突卸或突增全负载后的最大或最小转速与 负载变化前稳定转速的差与标定转速之比) 小于7 ；稳态调速率6 。( 卸除 或增加全负载后的稳定转速与负载改变前稳定转速的差与标定转速之比) 小 于3 ；转速稳定时间t ( 从负载突变，转速骤然变化起，到转速进入转速 波动率允许值的范围时止，其间所经历的时问) 小于3 秒“。 ( 3 ) 尽量利用原有汽油机的零部件，达到在原有汽油机上改动量最小的 目标。 2 3f u z z y 调速器的设计 考虑到模糊推理和解模糊化的过程比较复杂，在单片机上不易实现， 而查表法的响应过程很短，可满足数控系统的控制所要求快速性、实时性， 故决定采用查表法设计该调速器。 2 3 1f u z z y 调速器的结构设计 f u z z y 调速器选用实际转速y 与给定转速r 的偏差e ( k ) = y ( k ) 一r ( k ) 及其 偏差变化率ae ( k ) = e ( k ) 一e ( k - 1 ) 作为语言变量，把控制化油器节气门的步 进电机前进或后退的步数1 2 作为输出语言变量，这样所设计的模糊控制器是 双输入单输出的。 查表法的作法是：首先通过事先的离线计算，取得一个模糊控制表，然 后将其控制表存放到计算机内存中。在过程控制中，计算机只需直接根据采 样和论域变换得来的以论域元素形式表现的e ( x ，) 和ae ( y ，) ，由控制表的 第i 行与第j 列找到对应的同样以论域元素形式表现的控制量u ( z 。) ，把其 乘以比例因子，即可用于控制被控过程，以达到预期的控制目的。可见，这 哈尔滨工业大学工程硕士论文 种常规模糊控制器所组成的模糊控制系统结构如图2 3 所示其中：k 。、k 。 为偏差e 和偏差变化率ae 论域变换时的量化因子，k 。为控制量u 的比例 因子。由图2 3 可见，这里模糊控制器的设计关键是求取模糊控制表，它是 图2 - 3 模糊控制系统结构 根据模糊控制算法求出来的关于输入精确量和输出精确量之间直接关系 的表格，而其中的精确量指对应语言变量论域的元素。可知，要求取控制 表，即要解决如何输入偏差及偏差变化率论域的元素他推导出控制量论域的 元素问题，其中推导的依据是基于人的控制经验而总结出的模糊控制规则。 2 3 2f u z z y 调速器的模糊化设计 2 3 2 1 确定各输入、输出量的变化范围及其对应语言变量的论域元素和量 化因子k l 、k 2 、k 3 系统中输入、输出量的实际变化范围叫做这些变量的基 本论域，根据设计要求和经验可事先对变量的基本论域大略定出。而控制表 是以语言变量论域的整数表示输入量和控制量的，为了能产生控制表，通常 把基本论域转换成语言变量的有限整数论域，本质上是把连续论域离散化后 产生离散论域。 由于汽油机的目标转速为3 0 0 0 r p m ，那么系统偏差的基本论域可取为 3 6 0 ，+ 3 6 0 ，若选定偏差语言变量的论域为：x = 一4 ，一3 ，一2 ，一l ，o ，1 ，2 ，3 ，4 ， 即将e 的取值范围平分为9 档，那么偏差变化率ae 的量化因子可取为； k ，= 1 8 0 则按模糊控制原理，量化后的结果如图2 4 ( a ) 所示。 同理，设偏差变化率e 的基本论域为【一9 0 ，+ 9 0 】，若选定偏差变化率语 言变量的论域为y = 4 ，一3 ，- 2 ，- l ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，那么偏差变化率e 量化因子可取 为：k 2 = 1 2 0 即将的取值范围也平分9 档，量化后的结果如图2 - 4 m ) 所示。 控制量的变化范围为步进电机前进或后退的步数，考虑到汽油机的工作特性 哈尔滨工业大学工程硕上论文 变量基本论域 一2 8 02 0 01 2 04 04 01 2 02 0 02 8 0 4- 32。10l234 语言基本论域 ( a ) e 的量化 变量基本论域 - 7 05 d- 3 01 01 03 d5 07 0 4- 32101234 语言变量论域 ( b ) e 的量化 图2 4 输入精确量的量化 和节气门的性质，以及步进电机和节气门轴之间齿轮的传动比，设控制量变 化的基本论域为【一2 0 ，+ 2 0 】，若选定输出语言变量u 的论域为：z = 4 ，一3 ，一2 ， 1 ，o ，1 ，2 ，3 ，4 ) ，则输出控制量u 的比例因子可取为：k 3 = 5 2 3 2 2 各输入和输出语言变量论域中定义模糊子集语言变量论域上的模 糊子集一般由隶属函数u ( x ) 或模糊赋值来描述。在定义模糊子集时应考虑 如下几个方面的问题： 模糊集隶属函数的形状，对控制器的特性影响不大，而各模糊子集的隶 属函数对论域的覆盖面的大小，则对控制器的特性影响较大。至于隶属函数 u ( x ) 曲线的具体形状，例如取为三角形、梯形或正态：分布函数形，都对控 制特性影响不大。 在定义某一语言变量的各个模糊子集，如p b ，n b 时，要考虑它们对 论域的覆盖程度，应使论域中的任何一点对这些模糊集的隶属度的最大值都 不能太小，否则在这样的点上会出现“空挡”，从而引起失控。 为满足以上要求，本f u z z y 调速器系统为输入、输出语言变量都选取5 个语言值：z b ( 负大) 、n s ( 负小) 、z e ( 零) 、p s ( 正小) 、p b ( 正大) ；为 了简化处理，定义隶属函数的形状为三角形，并确定出在各语言变量论域上 呈互鎏三些查兰三堡型圭鎏耋 用以描述模糊子集的隶属函数u ( e ) 、u ( e ) 、u ( u ) ，如图2 - 5 和2 - 6 所 示。模糊集又可由模糊赋值表来定义，对于图2 - 5 给出的偏差输入量的隶属 函数u ( e ) 曲线就与以下的表2 - 1 模糊赋值表相对。 l p - 、 | 、厂 船瞄25 p s 阳 - l l 谳 一 8 粥阳 图2 - 5 输入量的模糊定义 e lu 弋仓 厂 x 8 i 5 阳 图2 - 6 输出量的模糊定义 表2 - 1 偏差e 的模糊赋值表 偏差e一43- 2一l0l23 4 n b1o 3 30000o 0o n so0 410 400o0 0 z soooo 21o 2 o00 p soooo oo 41o 4o p s000oo00o 3 5 1 哈尔滨工业大学工程硕士论文 2 3 3f u z z y 调速器的控制算法设计 模糊控制算法，实质上是将操作者在控制过程中的实践经验加以总结而 得到的一条条模糊条件语句的集合，通常简写为一个表，称为模糊控制状态 表。确定模糊控制规则的原则是必须使系统输出响应的动静态特性达到最佳 考虑到一般的系统输出响应曲线如图2 7 所示。 y ( t ) o 图2 7 系统输出响应 在图2 7 中，当偏差e = y r 为负的情况。当e 为负大时，即系统输出响 应位于曲线第1 段，此时，无论ae 的变化如何，为尽快消除偏差，应使 控制量增加较快，所以控制量u 的变化取正大，即有控制规则组织如下： ( 1 ) i f e = n ba n d ae = p b t h e n u = p b ( 2 ) i fe = n ba n d ae = p s t h e nu = p b ( 3 ) i f e = n ba n d ae = z e t h e nu = p b ( 4 ) i fe = n ba n d ae = n st h e nu = p b 其中，“i f ”后面接着的词称前件，“t h e n “后面接着的词称后件。 当偏差e 为负小或0 时，主要矛盾就转化为稳定性问题，为了防止超调 并使系统尽快稳定，就要根据偏差的变化来确定控制量的变化。若ae 为 正，表明偏差有减小的趋势，系统响应位于曲线第2 段，所以可取较小的控 制量，即有控制规则如下： ( 5 ) i fe = n sa n d ae = z e t h e n 、u = p s ( 6 ) i f e = n sa n dae = p st h e n u = z e ( 7 ) i f e = n sa n dae = p bt h e nu = n s ( 8 ) i fe = z sa n d ae = z e t h e nu = z e 哈尔滨工业大学工程硕上论文 ( 9 ) i fe = z ea n d ae = z e t h e nu = n s ( 1 0 ) i fe = z ea n d ae = p b t h e nu = n b 当偏差e 为负小或0 ，而e 为负时，即系统输出响应位于曲线第5 段， 偏差有增大的趋势，所以这时应使控制量增加，取控制规则如下： ( 1 1 ) i fe = n sa n dae = n st h e nu = p s ( 1 2 ) i fe = n sa n d ae = n b t h e nu = p b ( 1 3 ) i fe = z ea n d ae = n s t h e nu = p s ( 1 4 ) i fe = z ea n d ae = n b t h e nu = p b 取得了以上对应偏差为负或0 时的控制规则后，根据系统的工作特 点，当偏差和偏差变化率同时变号时，控制量的变化也应变号。这样当偏差 为正时，可对称地得出控制量变化的值。因此，只要对称地把图3 6 曲线中 的第2 段的控制规则中e 、ae 和u 的语言变量取值全部变号，即可得出其 第4 段的控制规则，而其曲线的第3 段则由第5 段的控制规则变号所得。由 此最终可确定整个控制过程的2 5 条模糊控制规则。 很明显，用一系列条件语句来表示控制规则的全体给人一种繁琐和不 直观的感觉。为了使人们对控制规则全体的了解能一目了然，并且能简单地 表达控制规则全体，故采用控制规则表来表示，如表2 2 所示。由于控制规 则的全体也称规则基，故表2