（检测技术与自动化装置专业论文）汽车电动助力转向系统的实现及助力控制算法研究.pdf

摘要 摘要 汽车电动助力转向系统( e p s - - - e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 是一种新型的汽车 转向系统，与传统液压转向系统相比，具有体积小、重量轻、结构简单、安装和 维修方便、节能环保等优点。电动助力转向采用电动机直接提供助力，助力大小 由电控单元( e c u ) 控制，能广泛应用于轿车、客车、货车等众多车型，是一项紧 扣现代汽车发展主题的高新技术。 在本论文中，首先介绍了电动助力转向系统的概况、结构及工作原理，然后 在参考相关技术文献的基础上，将系统简化物理模型分割成三个组件，分别对每 个组件进行受力分析，并基于牛顿运动定律建立起该组件的动力学方程，建立了 e p s 数学模型。 其次，对电动助力转向系统的控制策略进行了研究，分析了系统的控制模型 和助力特性曲线，详细介绍了电机电流模糊p i d 控制器设计。在m a t l a b 7 1 下 构建了系统仿真模型，对助力电机电流的数字p i d 控制和模糊p i d 控制进行了 仿真分析。 最后，对电动助力转向系统进行了系统设计。硬件方面，控制芯片选用了 t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p ，设计了直流电机驱动板及相关的信号调理电路。 然后采用模块化的设计思想，进行了实现前面的既定控制策略的软件设计，并对 系统进行了软硬件联调。系统调试结果充分验证了设计方案的可行性和正确性。 关键词：电动助力转向；控制策略：电感式扭矩传感器；模糊p i d a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m o t i v ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi san e wa u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e m w h i c hh a st h ea d v a n t a g eo fs m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，s i m p l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n t i n s t a ll a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，a n de n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n tc o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lh y d r a u li cs t e e r i n gs y s t e m e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gc a np r o v i d ep o w e r d i r e c t l yb ym o t o rw h i c hi sc o n t r o l l e db ye c u e p si sah i g ht e c h n o l o g yo fm o d e m a u t o m o b i l ed e v e l o p m e n tt h e m ew h i c hc a nb eu s e dw i d e l yi nm a n yv e h i c l et y p e sf o r e x a m p l ec a r , b u s ，f r e i g h tc a r i nt h i st h e s i s ，t h es i t u a t i o n ，s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fe p sa r ei n t r o d u c e df i r s t l y t h es y s t e mp h y s i c a lm o d e ls i m p l i f y i n gi sd i v i d e db yt h r e ec o m p o n e n t sb a s e do n r e l a t e dt e c h n o l o g yl i t e r a t u r e m a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e da n da n a l y s i s e db y s t r e s sa n dc o m p o n e n tk i n e t i ce q u a t i o nw h i c hi sb u i l db yn e w t o nl a wo fm o t i o n s e c o n d l y , c o n t r o ls t r a t e g yo fe p si ss t u d i e db ya n a l y z i n gc o n t r o lm o d e la n d p o w e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e f u z z yp i dc o n t r o l l e rd e s i g no fm o t o ra n dc u r r e n ti s i n t r o d u c e di nd e t a i l s i m u l a t i o na n a l y s i sb a s e do ns y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lw i t h m a t l a b 7 iu s e sd i g i t a lp i dc o n t r o lo fp o w e rm o t o ra n dc u r r e n ta n df u z z yp i dc o n t r 0 1 f i n a l l y , t h ea u t o m o t i v ee l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e mi s d e s i g n e d d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7o ft li su s e da sc o n t r o lc h i po nh a r d w a r e s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t a n dd cm o t o rd r i v eb o a r da r ed e s i g n e d s o f t w a r ed e s i g nb a s e do i lc o n t r o lt a c t i c so f t h i sa r t i c l ei sr e a l i z e dw i t ht h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g ni d e a t h el a s t , t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ea r ed e b u g g e ds y s t e m a t i c a l l y d e b u gr e s u l t sh a v es h o w nt h ed e s i g ns c h e m e j sf e a s i b l ea n dv a li d k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ；c o n t r o ls t r a t e g y ；i n d u c t i v et o r q u es e n s o r ； f u z z y p i d - 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王业盔堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名剖强 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 立王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：皇尘重垦导师签名：基垫：日期：竺1 2 ：2 第1 章绪论 1 1e p s 概述 1 1 1e p s 的发展历史 第1 章绪论 汽车转向系统的发展经历了从简单的纯机械转向系统到机械液压助力系统， 再到电控液压助力转向系统，直到更为节能、操纵性能更优的电子控制式电动助 力转向系统( e p s - - - e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 等几个阶别。 液压助力转向始于2 0 世纪3 0 年代，首先应用在重型车辆上。随着当时汽车 装载质量和设备质量的增加，在转向过程中所需克服的前轮转向阻力矩也相应增 加，这就要求加大作用在方向盘上的转向力，使驾驶员感到“转向沉重”。为了 缓解这种现象，最有效的方法就是在汽车的转向系中加装转向助力装置，借助于 汽车发动机的动力驱动油泵以液力增大驾驶员操纵前轮转向的力量，使驾驶员可 以轻便灵活地操纵汽车转向，减轻了劳动强度，提高了行驶安全性。不过，液压 助力转向系统存在着明显缺点。首先，选定参数完成设计后，助力特性就确定了， 不能再进行调节和控制。因此，无法同时保证车辆低速时转向的轻便性及高速时 的操作稳定性。其次，即使在不转向时，油泵也一直运转，增加了能量消耗1 2 i 。 第三，存在渗油与维护问题，提高了保修成本，并且泄漏的液压油会对环境造成 污染。第四，低温工作性能较差。 为了克服液压助力转向存在的不足，人们在液压助力转向系统中增加电子控 制和执行元件，将车速( 也有采用车速和方向盘转速) 引入到系统中，实现车速感 应型助力特性液压助力转向。这类系统称为电控液压助力转向系统。现代电控液 压助力转向系统主要通过车速传感器将车速信号传递给电控单元或微型计算机 系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，在低速行驶或转急弯时能以 很少的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使 操纵性和稳定性达到最合适的平衡状态。电控液压式动力转向系统在传统的液压 助力转向系统的基础上有了一定的改进，但液压装置的存在，使得该系统仍有难 以克服的缺点，如存在渗油问题，而且零件增加，管路复杂，不便于安装维修及 检测等。 随着技术的迅猛发展，到2 0 世纪8 0 年代后期，在日本开始出现电动助力转 向系统p 】。它完全去掉了液压执行机构，由电机直接提供转向助力，解决了液压 转向系统无法克服的缺点，所以汽车电动助力转向系统一出现就受到国际汽车工 北京工业大学工学硕士学位论文 业界的高度重视。世界各大汽车公司纷纷投入大量人力、财力从事该系统的研发 工作。 1 1 2 研究e p s 的必要性 与其它助力转向系统相比，电动助力转向系统具有以下明显优点【4 】【5 1 。 ( 1 ) 节能。试验表明，装有e p s 和机械转向系统的汽车油耗基本上没有差 别。与传统的液压系统相比，在不转向情况下，装有e p s 的车辆燃油消耗降低了 2 5 ，在使用转向情况下，降低了5 5 。 ( 2 ) 可靠性增加。e p s 不像传统的液压助力转向系统存在软管漏油和油泵 漏油等，实际上，液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的5 3 。 ( 3 ) 成本降低。批量生产后总成本比液压助力转向系统低。而且，近几年 来，随着电子技术的突飞猛进，电子元器件价格的不断降低，大幅度降低e p s 的 成本己成为可能。 ( 4 ) 易维护。一方面，当车型变化时，对助力特性有不同的要求，e p s 助力 特性的调整在很大程度上可以通过软件实现，比如d e l p h i ( 美国德尔福) 的e p s 性能的调节可以现场进行，把笔记本电脑与e p s 的e c u 相连，只需要- d , 时左右就 可以完成调整工作。另一方面，e p s 可以实现自我诊断，有助于维修。 ( 5 ) 性能提高。在e p s 中，电动机产生助力转矩，通过适当的控制方法，可以 消除液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的随动性能。而且， 通过软件编程和硬件控制，可以得到覆盖整个车速的可变转向力，在一定程度上 实现“智能”助力。 由此可见，e p s 是一项紧扣现代汽车时代发展主题的高新技术，它必将逐步 取代传统的转向系统。所以对电动助力转向系统的研究具有很重要的理论价值和 实际意义。 1 2 国内外研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 由于e p s 是一项市场潜力巨大的高新技术，国外许多汽车及零部件生产厂商 纷纷致力于该技术的研究与产品的开发【1 1 。如全球十大汽车零部件供应商之一的 t r w ( 美国天合) 从1 9 9 8 年开始便投入了大量人力、物力和财力用于e p s 的开发。 他们最初针对客车开发出转向柱助力式e p s ，如今小齿轮助力式e p s 开发也已获得 成功。 此外，e p s 的研发已经向着功能多样化和适用车型多样化发展。 e p s 的助力形式从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式 第l 章绪论 鼍曼皇_ _l m m _ - - - - - - - - - - - 詈曼鼍曼曼曼曼量曼曼曼舅皇皇皇曼! 曼! 曼! 皇皇皇曼皇曼曼 与功能也进一步加强。如美国的d e l p h i 汽车系统公司为p u n t o 车开发的e p s 属 全速范围助力型。 e p s 的应用范围已经不再局限于最初的微型轿车，而是向着大型汽车和商用 客车方向发展。如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等中型轿车已经安装e p s 。 又如m e r c e d e s - b e n z 和s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司曾共同投资65 0 0 万英镑 用于开发e p s 。他们开发出了适用于汽车前桥负荷超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车 也成为了e p s 的装备目标。 ( 2 ) 国内研究现状 目前，国内部分高校和企业已经开始了对e p s 系统的研究和试验工作川。 吉林大学在国内较早开展了电动助力转向系统的研究，主要进行了助力特性 和控制策略方面的研究，开发了电动助力转向系统试验台。在国内较早开发出了 电动助力转向样机和控制器，并在捷达轿车上进行了实车试验，取得了较好的试 验效果。 同时，天津大学、清华大学、北京理工大学、合肥工业大学、北京科技大学、 华中科技大学、江苏大学、武汉理工大学等院校也在开展e p s 的研究。 目前，南摩股份有限公司已能小批量生产转向柱式的e p s 产品。合肥天力 汽车油泵有限公司拟招商引资生产电动助力转向器，现已开展电动助力转向系统 及传感器和控制器的前期研究工作，并进行进口样件的实验。南方航空动力机械 公司已开发出e p s 系统，并进行了小批量道路试验。上海汽车集团泛亚技术中 心正在与国外公司进行e p s 系统研究的立项工作。 国内微型车有昌河北斗星、哈飞路宝，轿车有广州本田飞渡、上海大众途安、 一汽天津花冠3 0 、一汽大众开迪、郑州日产i v l p v 旅行车7 个车型安装和试装 了进口电动转向器：这些厂家都在寻求国产化合作伙伴。 由此看来，国内对e p s 的研究大多都还处于试验阶段，与国外相比存在一 定的差距，然而，国内市场的巨大需求必然会推动我国对e p s 系统的研究力度， 未来会有更多的企业及研究机构参与其中。 1 3 电动助力转向的关键技术 e p s 系统的研究开发涉及电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转向控 制技术以及e p s 系统与整车性能匹配等多方面的难题。 ( 1 ) 电动机驱动技术。e p s 系统中电机要求端电压低，而功率相对较高，所 以电动机电流较大，这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定的困难。 ( 2 ) 非接触传感器技术。e p s 系统中的方向盘扭矩传感器要求结构简单，工 作可靠，价格便宜，精度适中。考虑到可靠性问题，目前国外e p s 系统中的扭 北京工业大学工学硕士学位论文 矩传感器多为非接触式( 如电磁感应式，光电式等) ，而接触式扭矩传感器应用较 少。国内非接触式传感器价格较高，不适合用于e p s 系统中，需要开发出一种 符合以上要求的扭矩传感器。本文设计了基于解调芯片a d 6 3 0 的电感式非接触 扭矩信号调理电路。 ( 3 ) 转向控制技术。由于e p s 系统在原有的机械式转向系统中增加了电机和 减速器，使得转向操纵机构的惯性增大，为此必须引入惯性控制和阻尼控制，避 免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响。同时，为了得到更好的路 感，必须根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力的大小和方向。目前国 外在助力控制、回正控制等方面都提出了很多先进的控制策略，并取得了比较好 的控制效果。本文准备将模糊p i d 控制引入助力控制中。 ( 4 ) e p s 系统与整车性能相匹配。汽车是由各子系统组成的既相互联系又 相互制约的有机整体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生了相应的变化， 因此要对e p s 系统与其它子系统进行匹配，使整车性能达到最优。 1 4 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析了电动助力转向系统的结构及工作原理，建立了e p s 的数学模型。 对汽车电动助力转向系统的控制策略进行了研究，分析了系统的控制模型和助力 特性曲线，详细介绍了电机电流模糊p i d 控制器设计。 ( 2 ) 在m a t l a b 7 1 下建立了系统的仿真模型，对助力电机电流的数字p i d 控制和模糊p i d 控制进行了仿真分析。 ( 3 ) 对汽车电动助力转向系统进行了系统硬件设计，控制芯片选用了t i 公司 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p ，设计了直流电机驱动板及相关的信号调理电路。 ( 4 ) 基于电动助力转向系统的控制策略和d s p 处理器进行了软件系统的开 发，并进行了系统联调。 第2 章e p s 的机构噩荒统横蟹 第2 章e p s 的工作原理及数学模型 2 1e p s 的工作原理 电动助力转向系统主要由转向机械机构、助力电机、扭矩传感器、电子控制 单元( e c u ) 等构成1 3 1 6 n t “，如图2 - l 所示。 号 田2 - 1 电动胁力转向系统结构田 f i g u r e 2 - s n 曲e d i a g r a m o f e l e c t r i c p o w e rs t c e r l n g 当方向盘上有了转向动作，扭矩传感嚣将检测方向盘上的扭矩大小，然后扭 矩和车速等信号传送给e c u e c u 根据这些信号来判断应该采取的控制策略， 计算出助力电机目标电流的大小和方向并驱动电机转动，在电机提供的辅助动力 和驾驶员转动方向盘的扭矩共同作用下，转向机械机构完成转向动作。 关于e p s 的工作机制，可以从两个角度来理解 ( 1 ) 系统角度：首先，驾驶员作用于方向盘上的扭矩和助力电机提供的扭 矩之和等于转向拉杆的输出扭矩，但两个扭矩的产生不是同时的，驾驶员作用扭 矩是助力电机提供扭矩的重要决定因素。不过相对于机械反应速度，从驾驶员转 动方向盘到e c u 控制电机助力的时阃可以忽略；其次助力电机提供的期望扭 矩或者说目标电流取决于车速和作用于方向盘上的扭矩大小，因为要兼顾汽车驾 驶的安全性和转向的轻便性。具体来说，高速时驾驶安全性更重要，转向时需要 北京工业大学工学硕士学位论文 较小甚至不需要电机助力。原地转向和低速时的转向则强调轻便性。 ( 2 ) 控制角度：为了使助力电机在转向过程中根据实际情况一直均匀助力 就需要对其扭矩进行单闭环控制。由于直流电机的输出扭矩正比于电流，只需要 闭环控制电机电流即可。闭环控制的目标电流主要取决于作用在方向盘上的扭矩 和车速信号，反馈信号则来自电流传感器，因此系统对扭矩、电流等传感器的性 能要求较高。 本文选用的助力电机是系统实验台架( 本田飞度) 自带的永磁直流电机，电 机参数见表2 - 1 。台架自带可以实现扭矩测量的电感线圈，本文设计了基于解调 芯片a d 6 3 0 的扭矩信号调理电路。台架自带的1 2 v - 3 6 a 蓄电池为系统供电。硬 件选型及设计详见第4 章。 表2 - i 电机参数 t a b l e 2 1p a r a m e t e r so fm o t o r 类型永磁式直流电动机 标称输出 1 5 0 w 额定转速1 2 0 0 r m i n 厂c i c l 2 v3 0 a 旋转方向正反转 允许最大电流 3 5 a 2 2e p s 的数学模型 e p s 系统是在原有机械转向系统的基础上增加控制器( e c u ) 、电动机、传 感器( 扭矩、电流等) 和减速器等部件后组成的汽车转向系统。建立适合于实际 控制的e p s 数学模型是控制算法设计的基础，e p s 系统的简化物理模型9 1 ，如图 2 2 所示。 第2 章e p s 的机构及系统模型 转向横拉杆朋，以 图2 - 2e p s 模型 f i g u r e 2 2m o d e lo fe p s 为了建立e p s 动力学微分方程，本文将e p s 简化物理模型分割成三个组件， 即方向盘转向轴组件，电机组件，齿轮齿条组件。 不妨把方向盘转向轴组件、电机组件、齿轮齿条组件记做a 、b 、c 。由2 1 节的e p s 工作原理分析可知，驾驶员作用于方向盘上的扭矩和助力电机提供的扭 矩之和等于转向拉杆的输出扭矩，而转向拉杆为齿条运动提供动力，因此，对a 受力分析时，只需考虑c ，对b 受力分析时也是只需考虑c ，而对c 受力分析时要 同时考虑a 和b 。另外，受力分析、建立运动微分方程时需要用到转动惯量定理， 即转动惯量与角加速度( 角度的二阶导数) 的乘积等于扭矩。 描述这三个组件的运动变量分别是：方向盘转角位移靠，电机转角位移钆， 齿条平移位移并。忽略各部分的非线性特性，分别对每个组件进行受力分析，建 立该组件的运动方程。 方向盘转向轴组件运动方程 该组件受力如图2 - 3 所示，旋转质量绕转向轴转动的运动微分方程为： 北京工业大学工学硕士学位论文 石= 蜒( 皖 图2 3 方向盘转向轴组件 f i g u r e 2 - 3g r o u p w a r eo fs t e e r i n gw h e e la n ds h a f t 以幺= 乃一k ( 吼一r e ) - b 。以 ( 2 1 ) 式( 2 - 1 ) 左边用到了转动惯量定理。公式右边第二项中尼是主动小齿轮 转过的角度，角度差( 巩1 ，足) 与刚度相乘得到扭矩乃：阻尼系数b 与角速度( 角 度的导数) 相乘也得到阻力扭矩。 电机运动方程 该组件受力如图2 - 4 所示，其旋转质量绕中心轴转动的运动微分方程为： 瓦= 疋i 。a 卜 i 包l i 瓦= 以( 以一x g r ) 图2 4 电机组件 f i g u r e 2 - 4g r o u p w a r eo f m o t o r 厶巳= 乙一乃一吒巳 ( 2 - 2 ) 式( 2 - 2 ) 中和死分别是电机输出扭矩和电机助力扭矩，由直流电机电磁 扭矩公式可得= k 。i a ，由于助力电机的作用效果体现在横拉杆的位移，而x , g i r ， 是横拉杆位移折算成的电机转角，因此电机角度差( o , - x , g r , ) 与刚度相乘得到 助力扭矩死。 齿条运动方程 该组件的受力如图2 - 5 所示，假设齿条在小齿轮的带动下向左平移，其运动 方程为： 第2 章e p s 的机构及系统模型 i 、 j 齿条 图2 - 5 齿轮齿条组件 f i g u r e 2 5g r o u p w a r eo fg e a ra n dr a c k 坍i ：t k s ( o h - x , r , ) 一6 ，毫一+ 譬( 巳- x , g r s ) ( 2 - 3 ) 瓜sk s 式( 2 - 3 ) 右边第一项来自图2 3 中的乃，可以认为是方向盘操纵扭矩乃传 递到齿条的力，右边第4 项可以认为是电机助力扭矩传递到齿条的力。 以上三个公式中：矗、m 、6 ，分别是是转向横拉杆的位移、质量和阻尼系数； 巩、以、k 、“、r 。分别是方向盘转动的角度、转向管柱的转动惯量、刚度、阻 尼系数和主动小齿轮半径；以、厶、b 。、g 分别是助力电机模块的转动角度、 转动惯量、刚度和阻尼系数、助力电机传动比；砌是转向横拉杆阻力；死、死和 分别是电机输出扭矩、电机助力扭矩和电机电流；t a 为方向盘操纵扭矩。 2 3 本章小结 本章介绍了助力转向系统的结构组成和工作原理，然后将系统简化物理模型 分割成三个组件，分别对每个组件进行受力分析，用牛顿运动定律建立起该组件 的运动方程，然后将各组件的运动方程合起来，建立了e p s 数学模型。 第3 章e p s 的控制策略研究及仿真分析 第3 章e p s 的控制策略研究及仿真分析 3 1 控制策略研究 3 1 1e p s 的控制模型 e p s 的控制模型可以描述为电机反馈控制模型，如图3 - 1 所示。系统通过控 制直流电动机电枢电流来控制助力扭矩。当驾驶员操纵方向盘，扭矩传感器获得 测量值l 依据这个值以及车速值，参考助力特性曲线得到电动机助力的目标电 流五，反馈控制算法根据目标电流和测量到的电机电流进行闭环控制，使助力电 机助力扭矩精确跟随其目标值。 3 1 2 助力特性分析 图3 - 1e p s 的控制模型 f i g u r e 3 - 1c o n t r o lm o d e lo fe p s 助力控制是e p s 系统的主要目的。为保证驾驶时的良好手感，根据车速的不 同，助力的强度也有所不同。在车辆停止及低速行驶时，转向时阻力较大，这时， e p s 应提供较大的转向助力，使驾驶者在转向时感觉轻便；在车辆高速行驶时， 轮胎与地面侧向附着系数减小，转向时阻力较小，所以应该减小助力提供，否则 在驾驶时会有车辆“飘”的感觉【1 0 h 怕j 。 助力控制的主要依据是助力特性曲线，助力特性曲线主要分为三种形式：直 线型、折线型和曲线型，如图3 - 2 所示。图中可见，特性曲线都有三个区域： 0 r a z t d o 为无助力区： 琢，为助力变化区；乃埘 心 n 8p bp bp mp mp sz dz d n mp bp bp m p s p s羽 n s n sp mp mp mp sz dn s n s z op mp mp sz on sn mn m p sp sp sz 0n sn sn mn m p mp sz d n s n mn mn m n 8 p 8z oz on mn mn mn 8n b 北京工业大学工学硕士学位论文 表3 2 肠模糊调整规则表 t a b l e 3 2r u l e so fak if u z z ya d j u s t m e n t 蟪 n b n mn sz op s p mp b n bn bn 8n mn mn sz dz d n mn bn bn mn sn sz dz o n s n 8n mn sn sz o p s p s z on m n mn sz d p sp mp m p sn mn s z o p sp sp mp b p mz oz op sp sp mp bp b p 8 z dz op sp mp mp bp b 表3 - 3 a k d 模糊调整规则表 t a b l e 3 3r u l e so f g of u z z ya d j u s t m e n t 掣蕙 n 8n mn sz dp sp mp b n 8p s n sn bn 8n 8n mp s n mp sn s n bn mn mn sz o n sz on sn mn m n s n sz o z oz on sn sn sn sn sz o p s z 0z dz 0z 0z 0z 0z o p mp bp s p sp sp sp sp b p 8p 8p mp mp mp sp s p b 在获得模糊控制规则表的基础上，下边讨论如何根据不同的误差、误差变化 量来进一步获得实际的控制量即模糊控制表。以郧的4 9 条控制规则为例进行 讨论模糊控制表的生成过程，同理可以获得局和的模糊控制表。 郧的4 9 条控制规则： ( 1 ) i f ( ei sn b ) a n d ( e c i sn b ) t h e n ( 岛i s 删； ( 2 ) i f ( ei sn m ) a n d ( e ci sn b ) t h e n ( k ei sp 回； ( 4 9 ) i f ( e i s p b ) a n d ( e c i s p b ) t h e n ( a k e i s 删： 每条控制规则对应的模糊关系为 r l = ( n b ) e x ( 佃) 盯( 朋) 麒。 r 4 9 = ( p b ) ( 朋) 时x ( n b ) a r e 总的模糊关系r 为 4 9 r = u 兄 j _ l 以上模糊关系运算均可离线进行。如果偏差和偏差变化率分别取e 和e c 时， 计算出模糊关系r 后，根据基于合成规则推理方法可算出： 第3 荦e p s 的控制策略研究及仿真分析 屿= ( e x e c ) o r 最后以某种清晰化方法求出清晰的控制量。实际中常用的清晰化方法有最大 隶属度法和重心法。 最大隶属度法是指选取推理结论的模糊集中隶属度最大的元素作为控制量 的方法。这种方法的优点是简单易行，缺点是囊括的信息量太少，因为这种方法 完全排除了其他一些隶属函数较小元素的影响。 重心法是指取模糊集隶属函数曲线同基础变量轴所围面积的重心对应的基 础变量值作为清晰值的方法。重心法的计算公式为 甚 己u i a i “+ = 上b 一 ( 3 5 ) 口f i = 1 本文选用了重心法来实现模糊量的清晰化，由于涉及复杂的矩阵运算，在 v c 程序中实现重心法计算公式的语句是 f = - f + r e s u l t i 8 j 8 0 8 - 6 ) ； g = g + r e s u l t i 8 j 8 ； 为了便于根据实际调试情况保留对控制规则做出适度调整的余地，用v c 6 0 编写了代替大量重复模糊运算的程序，运行程序得到厨、局、a k o 的模糊调 整表。 表3 4 a 磁糊调整表 t a b l e 3 - 4 k ef u z z ya d j u s t m e n t 文c n - 6- 5- 4- 3- 2 - 1ol2 34 56 - 6 5 75 55 74 54 o4 o4 o3 o2 01 oo 0o o o o 一5 5 55 55 54 54 o3 o3 o3 o 2 0 1 01 0 1 0 - 1 0 - 4 5 75 55 7 4 5 4 0 3 o 2 o 2 02 01 o0 o- 1 02 o - 3 4 5 4 5 4 5 4 f i4 03 o2 01 o1 oo 0- 1 0- 1 o一2 0 - 2 4 0 4 04 04 04 03 o2 o1 00 01 o一2 o一2 o一2 0 一l 4 0 4 04 o3 03 o2 o1 0o o一1 o一2 o一3 03 03 o 0 4 0 4 04 o3 02 o1 oo 01 02 o一3 o一4 04 04 0 l 3 o3 o3 02 01 o0 o一1 o1 02 03 o一4 o一4 o一4 o 2 2 o2 02 01 00 0- 1 02 o一2 02 03 o一4 o一4 o一4 o 3 2 01 01 oo 0- 1 02 o3 o一3 o一3 o一3 o一4 04 54 5 4 2 01 oo o1 02 03 o一4 o一4 o一4 0 4 04 04 55 7 5 1 o1 oo o一2 03 03 04 o一4 04 04 5 4 5 4 5 5 5 6 0 oo o0 o一2 04 04 o一4 04 o一4 o 一4 55 75 55 7 北京工业大学工学硕士学位论文 表3 - 5 厨模糊调整表 t a b l e 3 - 5 局m z 纠a d j u s t m e n t 惑 - 6- 5- 4- 3- 2- 1o123 45 6 - 6 5 75 55 74 54 o一4 04 o一3 o一2 01 o o o 0 o o o 一5 5 55 55 54 54 o一3 03 o一3 o一2 01 o0 0o oo 0 - 4 5 75 55 74 54 o一3 02 o一2 02 o1 oo oo 0o o 一3 5 54 54 53 53 o一3 o一2 o1 0一1 00 o1 o1 01 0 2 5 74 54 03 o一2 o一2 o一2 0一1 oo 01 o2 o2 02 0 一l 一4 54 54 o一3 0 2 o1 0 - 1 o o o1 o2 o3 o3 o3 0 0 4 04 04 o一3 0 2 01 0 o 01 o 2 o3 o4 04 04 0 1 4 o一3 o一3 o一2 o一1 0o o1 o1 o 2 o3 o4 04 54 5 2 4 03 02 o一1 0o o1 o2 02 o2 o 3 o4 04 55 7 3 2 o一2 01 0o o1 o1 o2 o3 03 o3 54 54 55 5 4 o oo 00 o1 o2 02 o2 o3 o4 04 55 75 55 7 5 0 0o 00 o1 02 03 04 04 04 04 55 75 55 7 6 o oo 00 o1 o2 03 o4 04 04 04 55 75 55 7 表3 - 6 a k d 模糊调整表 t a b l e 3 - 6ag of u z z ya d j u s t r n e n t k c 一 - 6- 5- 4- 3- 2- i o l23456 - 6 2 0o 02 o- 3 45 75 55 75 55 74 54 o- 1 o2 o 一5 2 0o 02 o- 3 45 54 54 54 54 53 53 o1 01 o - 4 2 00 o一2 o一3 45 74 54 o一4 04 03 02 o1 oo o - 3 1 oo o- 2 0 3 5 4 54 54 o一3 o一3 o一3 02 0一1 0o o - 2 0 0 一1 o 一2 0 3 o一4 04 04 o 一3 02 o一2 02 0 一1 00 0 - 1 0 o一1 o一2 03 03 03 o一3 o一3 o一2 o一2 o一2 0一1 0o o o 0 o一1 o一2 o一2 02 02 o一2 o一2 02 02 o一2 o- 1 oo o l 0 0一1 0- 1 o- 1 o1 0一1 0一1 0一1 o一1 o一1 0一1 o一1 oo o 2 o oo 00 0o 00 0o oo oo 0o oo oo 00 oo o 3 2 22 31 01 o 1 01 o1 0 1 01 01 o 1 o2 32 2 4 5 73 42 0 2 02 o2 o2 o 2 o2 o2 o 2 03 45 7 5 5 5 3 5 3 0 3 o3 03 03 0 3 0 2 02 。02 o3 45 5 6 5 74 54 04 04 04 04 03 o2 o2 o2 o3 45 7 对处理器而言，浮点运算比整数运算代价大很多。为了避免浮点运算，对结 果进行了乘8 然后取整，而且这样可以避免直接取整时误差太大，也增加了后续 程序编写的灵活性，如采取合适的移位命令来调整输出量的大小，起到调整控制 效果的作用。调整后k e 、局、k o 的模糊调整表。 第3 章e p s 的控制策略研究及仿真分析 表3 7 a g e 模糊调整表 t a b l e 3 7ak ef u z z ya d j u s t m e n t k 沁 j - 6 - 5- 4- 3- 2- 1ol23456 - 6 4 64 44 63 63 23 23 22 41 68oo0 - 5 4 44 44 4 3 6 3 22 42 42 41 680- 8- 1 6 - 4 4 6 4 44 63 63 22 41 61 61 6 8 o- 8 - 1 6 - 3 3 63 63 63 63 22 41 688o- 8- 8- 1 6 - 2 3 23 23 23 23 22 41 680- 8一1 6一1 6一1 6 一l 3 23 23 22 42 41 68o- 81 6- 2 4- 2 4- 2 4 o 3 23 23 22 41 68o- 81 6- 2 4- 3 2- 3 2- 3 2 l 2 42 42 41 68o- 8- 8一1 6- 2 4- 3 2- 3 2- 3 2 2 1 61 61 6 8 0 8 - 1 6 一1 6 一1 6- 2 4- 3 2 - 3 2 - 3 2 3 1 6880- 8- 1 6- 2 4- 2 4- 2 4- 2 4- 3 2- 3 6- 3 6 4 1 68o- 81 6- 2 4- 3 2- 3 23 2- 3 23 2- 3 6- 4 6 5 88o一1 6- 2 4- 2 4- 3 2- 3 2- 3 2- 3 6- 3 6- 3 6- 4 4 6 0oo1 6- 3 2- 3 2- 3 2- 3 2- 3 2- 3 6- 4 6- 4 4- 4 6 表3 - 8 a 局模糊调整表 t a b l e 3 - 8 k tf u z z ya d j u s t m e n t 局c j - 6- 5- 4- 3- 2- 1ol23456 6 - 4 6- 4 4- 4 6- 3 6- 3 2- 3 2- 3 22 4- 1 6- 8oo0 - 5 - 4 4- 4 4- 4 4- 3 6- 3 2- 2 4- 2 4 - 2 4 - 1 6- 8 o0o - 4 - 4 6- 4 4 - 4 6- 3 6 - 3 2 - 2 41 61 6一1 6- 8o00 - 3 - 4 43 6- 3 6 - 2 8- 2 4- 2 41 68 - 8 o888 - 2 - 4 63 6- 3 2- 2 4- 1 61 6一1 6- 8081 61 61 6 一l - 3 6- 3 6- 3 2- 2 4一1 6- 8- 8o81 62 42 42 4 o - 3 2- 3 23 2- 2 4- 1 6- 8081 62 43 23 23 2 l - 3 2- 2 4- 2 4- 1 6- 8o881 62 43 2 3 6 3 6 2 - 3 2- 2 4- 1 6- 80 81 61 6 1 6 2 4 3 2 3 64 6 3 一1 6- 1 6- 808 81 62 42 42 83 63 64 4 4 o0 0 81 6 1 61 62 43 23 64 64 44 6 5 0o o81 62 42 42 43 23 64 44 44 4 6 oo081 62 43 23 23 23 64 64 44 6 2 1 北京t 业大学丁学硕士学位论文 表3 - 9 k d 模糊调整表 t a b l e 3 9ak df u z z ya d j u s t m e n t 呔c n 一6 5 - 4- 3- 2- 1012 3 45 6 - 6 1 6o1 6- 2 7- 4 6- 4 44 6- 4 4- 4 6- 3 6- 3 2- 8一1 6 - 5 1 60- 1 6- 2 7- 4 4- 3 6- 3 6- 3 6- 3 62 8- 2 4- 88 - 4 1 6o- 1 6- 2 7- 4 6- 3 63 23 2- 3 2- 2 4一1 6- 8o 一3 8o一1 6- 2 8- 3 63 63 2- 2 4- 2 42 4- 1 6- 8o - 2 0- 8一1 6- 2 4- 3 2- 3 23 2- 2 41 6一1 6一1 6- 8o l 0- 8一1 6- 2 4- 2 4- 2 42 4- 2 41 6- 1 6- 1 6- 8o o o - 8- 1 6- 1 6 一1 6