（机械设计及理论专业论文）轮式工程机械自动防滑差速系统研究.pdf

中南林学院2 0 0 3 届硕士学位论文 内容摘要 针对传统工程机械差速系统存在防滑功能不强的缺陷，提出以i n t e l 8 7 5 1 单片机为控制芯 片，以最佳滑移率s 为控制目标，采用模糊逻辑控制为控制算法的自动防滑差速系统。系统开发包括三 个方面的内容，一是系统硬件电路的设计，包括系统扩展、人机通道及前后通道设计；二是系统软件设 计，包括利用m a t l a b 的f u z z yl o g i c 模块进行模糊控制算法设计和主程序设计，还包括硬件接口程序设 计；三是仿真系统设计及在m a t l a b s i l 4 u l i n k 模块下进行仿真的结果陈述结果表明：基于模糊控制的 自动防滑差速系统防滑性能好，自动化程度高，可实施性好。 关键词】工程机械：防滑差速器：单片机：模糊控制：仿真 o v ， 】c 文献综述 0 引言 工程机械作为资源开发、交通建设、市政工程、水利电力等工程施工中的重要机械设 备，在经济活动中扮演了重要角色。在我国，西部大开发战略，西气东输，南水北调等 一大批工程给工程机械的发展带来了巨大的市场前景，加快发展我国的工程机械产业，提 高我国的工程机械产品质量对国民经济的发展有着现实的重大意义。工程机械当前的主要 问题是操纵和控制，使工程机械具有信息处理能力，有感觉和认识功能，能自我适应，向 着自动化和智能化方向发展，由此引进具有良好控制和处理能力的电子技术来改造工程机 械。电子化、自动化和机器人化是工程机械产品更新换代的发展方向，是不可抗拒的技术 潮流“。 工程机械工作条件通常都比较恶劣，轮式工程机械不像履带式工程机械那样本身具有 较强的防滑能力，而通常都由差速锁提供防滑功能，所以差速系统的防滑能力对于轮式工 程机械来说是非常重要的。传统的轮式工程机械的差速器，如齿轮差速高摩擦自锁差速器 ( 包括摩擦片式、滑块凸轮式等) 以及自由轮式差速器等“1 。自锁系数变化范围小，防滑 功能有限。易造成车辆的打滑而影响车辆的操纵稳定性、通过性，从而降低工作效率。而 且传统差速器特性在设计时就确定了，在驱动过程中不能改变，不能主动地适应外界条件 的变化，难以实现自动控制。在现代工程机械朝着自动化方向发展的趋势下，显得越来越 不合理“1 。如能在工程机械较低速行驶时，使差速器实现不等比例转矩分配，而在工程车 辆较高速行驶时使差速器实现等比例转矩分配则可以大大提高车辆的防滑能力。针对传统 差系统存在的诸多不足，本文设计了一种自动防滑差速系统以提高工程车辆的防滑能力， 对工程机械产品的技术质量提升有一定的现实意义。 1 工程机械及其传动方式发展概述 1 1 工程机械发展概述 在2 0 世纪，工程机械的发展走过了2 0 世纪6 0 年代前的机械传动与控制；1 9 6 0 1 9 7 0 年 的液压传动及控制；2 0 世纪7 0 8 0 年代的机电一体化；2 0 世纪9 0 年代的机电液计算机一体 化阶段。 在2 l 世纪初，工程机械面临着新的挑战，期待新的技术革命。工程机械要实现高效节 能，需要对发动机和传动系进行控制，合理分配功率，保持在最佳工况：为了减轻司机劳 动，实现省力化，就需自动控制：提高作业精度和高技能需要智能化：还需要安全控制， 进行运行状态监视和故障自动报警：危险和人无法接近的场所，作业环境恶劣的地方，要 求远距离操纵和无人驾驶等。工程机械当前的主要问题是操纵和控制，使工程机械具有信 轮式工程机械自动防滑差速系统研究2 息处理能力，有感觉和认识功能，能自我适应，向着自动化和智能化方向发展，由此引进 具有良好控制和处理能力的电子技术来改造工程机械，使工程机械向着电子化、自动化和 机器人化方向发展，是不可抗拒的技术潮流。 1 2 工程机械传动系简介 就工程机械传动系而言，工程机械传动装置大致可以分为三类： 1 齿轮传动装置 主要应用于使用要求不高，主机成本较低的部分铲土运输机械、工程起重机械、压实 机械和内燃叉车等产品的变速器、驱动桥主传动和轮边减速器。齿轮变速器按其结构形式 可以分为定轴式和行星式两类。 2 液力传动装置 主要应用干对使用和主机性能要求较高的铲土运输机械和内燃叉车等产品，其中液力 变矩器和动力换挡变速器作为底盘动力传动中的无级变速元件，可以使主机具有良好的自 动适应性和操作性能。 3 静液压传动装置 主要应用于液压挖掘机以及对主机性能要求较高的推土机、装载机、路面机械、压路 机和内燃叉车等产品的静液压变速、转向系统和工作装置上，使主机具有良好的无级变速 和操作性能。目前全液力式工程机械因其具有无级变速，调整范围宽，可实现恒扭矩或功 率调速，易实现电控等众多优点而成为工程机械厂家竟相开发的新产品n 但全液压式工 程机械同时也存在着机械效率低、造价高，使用寿命和可靠性不够理想，与之配套的静液 压和电子控制元件的制造难度大、价格太高以及维修复杂等缺点，目前主要应用于中、小 型工程机械产品中。在我国国内市场中，中、低档产品仍占有相当大的市场份额，其传动 方式主要是机械式或机械液力式，它具有传动可靠，传动效率高，价格低，维修方便等全 液式无法达到的优点，加上近年来电子技术和自动控制技术的发展，以机械传动或机械液 力传动为基础，辅以电子控制技术的传动方式也是工程机械产品传动方式革命的一个重要 方向。 2 汽车自动防滑系统( a s h ) 2 1a s r 简介 提到自动防滑系统，就不得不提到汽车防滑系统a s r ，汽车驱动防滑控制系统( 或称 为汽车牵引力控制系统t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，简记为t c s ) 是根据车辆行驶行为、 运用数学算法和控制逻辑使车辆驱动轮在恶劣路面或复杂输入条件下产生最佳纵向驱动力 的主动安全系统”1 。由于它大大地提高了车辆的操纵性、稳定性和牵引性，减少了轮胎磨 损和事故风险，增加了安全性和驾驶轻便性，所以汽车驱动防滑控制系统获得了广泛迅速 的发展。 2 2 汽车防滑控制途径 1 采用电控悬架实现驱动车轮载荷调配 汽车装备电控悬架时，可以通过调整悬架使汽车载荷在各车轮之间得以调配。在 各驱动车轮的附着条件不一致时，可以通过悬架的主动调整使载荷较多地分配在附着 中南林学院2 0 0 3 届硕士学位论文 3 条件较好的驱动车上，使各驱动车轮附着力的总和有所增大，从而有利于增大汽车的 牵引力，提高汽车的起步加速性能；也可以通过悬架的主动调整使载荷较多地分配在 附着条件较差的驱动车轮上，使各驱动车轮的附着力差异减小，从而有利于各驱动车 轮之间牵引力的平衡，提高汽车的行驶方向稳定性。但是，电控悬架的主动调节应在 汽车平顺性及操稳性不受到过度损害的前提下进行”1 。 2 调节发动机的输出转矩控制驱动力矩 当驱动车轮发生滑转时，表明作用于驱动车轮的驱动力矩过大，此时如果以自适应的 方式减小发动机的输出转矩，使作用于驱动车轮的驱动力矩适度减小，就可对驱动车轮的 滑动率进行控制。减小发动机输出转矩的途径主要有： ( 1 ) 减少发动机的进气量； ( 2 ) 减少发动机的供油量； ( 3 ) 减小发动机的点火提前角( 或喷油提前角) ； ( 4 ) 中断发动机部分气缸的点火和供油。 进气量和供油量、适度减小点火提前角或喷油提前角是一可取的方案组合。 3 改变变速器的传动比调节驱动力矩 对于装备自动变速器的汽车，在驱动车轮发生滑转时，可由驱动防滑转电于控制装置 与变速器电子控制装置进行通讯，由变速器电于控制装置修正其换档规律，使变速器适当 地提前由低档换入高档，并巳在驱动车轮发生滑转时阻止变速器自动由高档换入低档，保 证在发动机输出转矩不增大的情况下使作用于驱动车轮的驱动力矩有所减小，至少也应使 驱动力矩不会进一步增大，从而有利于驱动车轮的防滑转控制。 4 进行制动介入对驱动车轮旌加制动力矩 驱动车轮如果在承受驱动力矩的同时承受制动力矩，就可使作用于驱动车轮的主动力 矩有所减小。因此，通过对发生滑转的驱动车轮施加适度的制动力矩也可以达到控制驱动 车轮滑动率的目的。在防抱死制动系统的基础上，增设少量的硬件，如防滑转制动介入的 制动供能装置、隔离制动主缸与制动轮缸以及隔离制动供能装置与制动主缸和制动轮缸的 电磁阀等；对软件的功能进行扩展，使其能够利用制动供能装置储存的能量以自适应方式 对滑转的驱动车轮施加适度的制动力矩，并以保证在汽车速度较低时各驱动车轮的制动力 矩可以独立调节，使各驱动车轮的附着力得到充分利用，获得最大的牵引力，提高汽车的 起步加速性能，而在汽车速度较高时则对各驱车轮的制动力矩一同进行调节，保证各驱动 车轮获得相同的牵引力，并巳都具有较高的抗侧滑能力，从而提高汽车的行驶方向稳定 性。由此看出，在驱动过程中。对驱动车轮以白适应方式施加制动力矩可以获得防滑差速 器的效能，而克服防滑差速器的负作用，即获得可控防滑差速器的效果“。 5 对差速器进行锁止控制 就是使左右驱动轮的输入扭矩根据控制指令( 锁止比) 和路面情况而不同。当路面两 侧附着系数差别较大时，低一侧驱动轮发生滑转时，电子控制装置驱动锁止阀，一定程度 地锁止差速器，使高附着系数- - n 驱动轮的驱动力得以充分发挥，车速和行驶稳定性获得 提高“。 轮式工程机械自动防滑差速系统研究4 3 工程机械差速系统概述 四轮驱动工程机械差速系统一般由前、后差速器和中间差速机构三部分组成。其中的 中间差速机构因多用于多轴驱动的工程机械，考虑到多轴驱动不经常使用，两驱动桥距离 较近，以及采用宽基低压轮胎弹性变形量大等因素，不设轴间差速器所产生的不良影响不 是很严重。此时，为了简化传动系的结构和降低制造成本，在各驱动桥间取消了轴间差速 器“。 3 1 轮间差速器作用 轮式工程机械在行驶和作业过程中，左右两侧的驱动轮由于转弯、路面不来或道路阻 力不相同，在同一时间内左右车轮所过的距离是不相等的。其次，倘若轮胎直径有差别， 充气气压不等，磨损程度不均匀，或是载荷不同，则两侧驱动轮的滚动半径就不相等，因 此，即使车辆直线行驶，而且道路情况认为完全相同，在同一时间内两侧车轮轴心要移动 相同的距离，两侧车轮所转过的转数也不会相等。显然，在上述情况下，如果用一根整轴 将两侧驱动轮刚性地连接起来，则两侧车轮结地面必然存在两种运动状态：即车轮沿路面 的滚动和滑动。车轮的滑动将加速轮胎的磨损，增加动力消耗以及增加转向阻力，使操纵 稳定性变坏。为了使车轮相对路面的滑动尽可能地减小，同一驱动桥两侧驱动轮应分别由 两根半轴驱动，而两根半轴则由主传动器通过差速器一轮间差速器来驱动，使两侧驱动能 以不同的转速旋转，尽量接近于纯滚动。 3 2 日前工程机械差速器的缺点 目前，使用在轮式工程机械上的差速器常见的型式有强制锁止齿轮差速器，高摩擦自 锁差速器( 包括摩擦片式、滑块凸轮式等) 以及自由轮式差速器等1 3 j 。普通圆锥行星齿轮 差速器具有等扭矩分配特性，这种分配特性在各驱动车轮之间附着力不同的情况下，与充 分利用各驱动车轮的附着力使汽车获得最大牵引力的要求不相符。采用高摩擦差速器可以 在一定范围内实现驱动力矩的变比例分配，使附着力较小的驱动车轮得到较小的驱动力 矩，减小其滑转程度，而附着力较大的驱动车轮却可以得到较大的驱动力矩，使各驱动车 轮获得不同的牵引力。这在汽车的速度较低时有助于提高汽车的加速性能，但在汽车的速 度较高时却会损害汽车的行驶方向稳定性“。而且滑块凸轮式差速器结构复杂，传递大转 矩时易出现波动；磨擦片式差速器可能由于两边磨擦片不均匀，以及差速器孔的位置精度 不高等使齿轮轴上的载荷不均匀，而影响差速器的性能；牙嵌式自由轮差速器外观尺寸 大，接合受限制，噪声大等【1 ”。别外传统的限止滑动差速器( l s d ) 的运行，或是采用 机械( 如多盘l s dt o r s e n 锁) 或是采用粘性锁，它的特性在设计时就确定了，在驱动过程 中不能改变，所以不能主动地适应外界条件的变化，有可能导致工程机械打滑而使工作效 率降低【1 3 】。总之上述传统的差速器都存在着自锁系数变化范围小，难以实现自动控制的共 同缺点，在现代工程机械朝着自动化方向发展的趋势下，显得越来越不合理。 4 自动控制系统的提出 考虑到工程机械的工作环境通常比较恶劣，经常要在野外作业以及在坏路甚至无路情 况下行驶，经常发生车轮滑转而影响车辆的稳定性、通过性，如能对防滑差速器实施电子 控制，在工程机械较低速行驶时使差速器实现不等比例转矩分配，而在工程车辆较高速行 驶时则使差速器实现等比例转矩分配则可以很好解决这一矛盾。 4 1 电子控制液力操纵可变锁止差速器原理 中南林学院2 0 0 3 届硕士学位论文 5 图1电子控制液力操纵的可变锁止差速器 这种电子控制液力操纵的可变锁止差速成器新式的差速器已得到越来越广泛的应用。 其工作原理如图1 。 在差速器向车轮输出端的多片离合器片上，以增减液压，实现锁止控制。这种锁止方 式可以使锁止程度逐渐变化，锁止范围可从o 变化n 1 0 0 ，即从基本锁止到完全锁止。 控制压力来自蓄能器的高压油液。压力值的大小由e c u ( 电子控制单元) 控制电磁阀 进行调节，并由压力传感器和驱动轮轮速传感器产生的信号反馈给予e c u ，实行反馈控 制。电子控制的差速器，可以把左右驱动轮或前后驱动桥的滑移率控制在允许范围内内。 当工程机械起步时，调节差速器的锁止程度，能使驱动力充分发挥，提高车速与行驶稳定 性；当左右轮或有后桥在不同地分离附着系数路面上以及弯道上行驶时，能提高工程机械 稳定行驶能力“。这种差速器是由a m o 和b m w ( 宝马) 合作开发，目前己被用于 b m w 车辆中“”。 4 2 自动差速系统结构及其特点 由电子控制液力操纵的可变锁止差速成器构成的轮式工程机械防滑系统总成如图2 。 其中：h cu 液力控制单元： e cu 电子控制单元 系统包括： 3 个电子控制液力操纵的可变锁止差速成器； 电气液压控制的液压系统，包括油泵、蓄压器、调压器和压力传感器； 传感器电气控制单元 控制算法 e c u 可根据输入信号控制每个h c u 单独动作。当然，在实际应用中也可削减某些部 分，如仅在前轮轴和后轮轴单独装备电液压l s d 。自锁式防滑差速器既能自动实现扭矩在 左右车轮间的不等分配，以充分利用车辆牵引力，又可以明显地提高车辆的越野性能和经 济性。这套控制系统在提高工程车辆的牵引性、操纵性、稳定性和舒适性，减少轮胎磨损 轮式工程机械自动防滑差速系统研究6 和事故风险，增加行驶安全性和驾驶轻便性，使得车辆在附着状况不好的路面上顺利起步 和行驶，以及实现工程机械朝着自动化，机电一体化方向发展有重大意义“。 目前，在国外自1 9 8 5 年瑞典v o l v o 公司诞生汽车驱动控制技术1 s ( t r a c t i o n c o n t r o ls y s t e m ) 。即汽车驱动防滑系统a s r ( a c c e l e r a t i o ns l i pr e g u l a t i o n ) 以来，在汽车特 别是轿车行业得到迅速发展和广泛应用，a s k 系统大多数与a b s 组合在一起，统称为防 滑控制系统。但目前，此系统在如何控制发动机节气门开度调节与制动力矩协同工作；执 行机构滞后影响；电子控制单元的抗干扰问题；控制理论和控制算法等方面还有不十分完 善之处。在国内，在a s r 技术的研究方面目前还处在初期的理论和探索阶段，还尚未有 实用化的a s r 产品的研究与开发。而且研究侧重点倾向于控制策略和控制算法等理论方 面的研究，而且控制理论方面大多侧重于采用以制动力控制为主，发动机动力输出为辅的 控制方法，在离合器、电子控制变速器、电子防滑差速器的研究方面，目前还没有明显进 展”。 躺n牲- t # 札s d # 辅 拥牲- 图2 轮式工程机械电子控制液力操纵的可变锁止差速器系统 在工程机械方面，此项技术还未有成熟应用。但不可否认，鉴于工程机械作业环境常 较恶劣及其自动化的发展趋势考虑，自动防滑技术应用于工程机械是非常有必要的，有其 非常广阔的市场前景。从差速器控制系统进行研究，当然与完善的防滑系统研究还有很大 的差距，但作为防滑控制系统的主要控制方式之一，对其的研究无疑还是具有重要现实意 义的。 5 自动差速控制系统控制算法探讨 工程机械行驶时，驱动力的增大受到地面附着力的限制，当驱动力超过附着力时，驱 动轮将在地在上滑转。因此，工程机械化行驶时应满足下面的附着条件： f t = m n ，e ，扩 ( 1 ) 式中：e 一驱动力( n ) ； 肺z 一作用在驱动轮上的转矩( n m ) ： g - - - 车轮半径( ) ； 中南林学院2 0 0 3 届硕士学位论文 7 e 一车轮与地面之间的附着力( n ) ： 矿一车轮与地面之间的附着系数。 我们知道，轮式工程机械中，有相当一部分是进行土方施工的。在施工时，随着驱 动轮转矩的不断增大，工程机械的驱动力也随着增大，当驱动力超过地面附着力时，驱动 轮就开始滑转。当车轮与地面之间的附着系数非常小时，尽管驱动轮不停地转动，但车辆 却原地不动，即驱动轮滑转( 即打滑) 。驱动轮的滑转程度用驱动轮滑移率s a 表示。 s 产( 一i i ) h i = ( r 一”r l o o ( 2 、 式中：惭一一车轮滚动时的瞬时圆周速度( m s ) ； v - - 行驶速度( m s ) ； r 一车轮半径( m ) ； 6 ) - - - - 车轮转动角速度( r a d s ) 。 当车轮在地面上纯滚动时，工程机械行驶速度完全由车轮滚动产生，v = _ r o ，滑移率 & = 0 ；当车轮在地面上完全滑转时，车速睁0 ，滑移率= 1 0 0 ；当车轮在地面上边滚边滑 时， v ，0 s a 孓 ( 3 ) 式中：s 为最佳滑移率；s 为车轮实际滑转率；毋为附着系数；妒为峰值附着系数：妒。 为s = 1 0 0 时的附着系数。 式( 2 ) 只是一种近似的、线性化的理想状况，要完全、精确地反映车轮的滑移状态 还是有所差距的。建立在这种模型基础上的控制算法也有很多需要进一步斟酌和完善的地 方。由驱动时纵向附着系数与车轮滑移率的关系图可知，要建立附着系数与车轮滑移率精 确的数学模型是非常困难的，而且驱动时纵向附着系数与车轮滑移率的关系还包含了很多 未确定的因素，这就要求用更加智能化的控制方法来解决，于是，智能控制系统便提到桌 面上来了“。 6 模糊控制方法概述及发展趋势 模糊控制理论是美国l a 杳德教授最早提出的，1 9 6 5 年他在“f u z z ys e t 文中 首先提出模糊集的概念，开创了模糊数学及其应用的新纪元。而在2 0 世纪7 0 年代中期， 以e h m a m d a n i 为代表的一批学者提出了模糊控制的概念，标志着模糊控制的诞生”“”1 。 模糊控制作为智能控制的一种，是自动化控制技术中一个非常活跃的领域，由于系统的复 杂性，存在的多种不确定性以及难以确切描述的非线性，现代工业对控制过程不仅要求控 制的精确性，还要求控制的鲁棒性、实时性、容错性及对控制参数的自适应，而传统控制 存在的局限性使之不能从根本上解决这些问题”。模糊控制具有不需要建立精确的数学模 型、易于实现、抗干扰能力强、鲁棒性较好等优点，因而在控制领域中的应用越来越受到 重视。2 ”。 6 1 模糊控制原理及系统组成 模糊控制的基本思想，是把对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以i f ( 条 件) 和t h e n ( 作用) 的形式表示的控制规则。通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象 或过程。控制作用集均为组被量化了的模糊语言集，如“正大”、“负大”、“低”、“高”、 “正常，等 2 e 1 2 7 1 。 理论上，模糊控制器由n 维关系r 表示，关系r 视为受约于 0 ，1 区间的n 个变量的 函数。r 是n 个n 维关系r i 的组合，每个r i 代表条规则，即r i ：i f - t h e n 。控制器的 输入x 被模糊化为一关系x ，模糊输出y 可应用合成推理规则进行计算，对模糊输出y 进 行模糊判决( 解模糊) 可得以精确的数值输出y ”“。模糊控制器组成如图4 ： 中南林学院2 0 0 3 届硕士学位论文 9 图4 模糊控制器的组成图 其中各部分功能如下： 模糊化接口：其主要作用是将真实的确定量输入转变成一个模糊矢量。用于测量输入 量，并把它们映射到一个合适的响应论域的量程。然后精确输入数据变换为适当的语言或 模糊集合的标识符。 知识库：由数据库和规则库组成。数据库所存放的是所有输入输出变量的全部模糊子 集的隶属度矢量值( 即经过论域等级的离散化以后对应值的集合) ，若论域为连续域，则 为隶属函数。规则库用于存放语言控制规则，规则是基于专家知识或手动操作人员长期积 累的经验，按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊通常由一系列的关系词连接而成， 如：i f t h e n ，e l s e ，a l s o ，e n d ，o r 等，对多变量模糊控制系统还有a n d 。关系词必须经 过“翻译”，才能将模糊规则数值化。存放控制规则的规则库的“准确性”，不仅与规则条数 相关，还与专家的知识准确度有关。 推理机：是模糊控制理论中最基本的问题。以模糊概念为基础，根据输入模糊量，由 模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。它通常 是在模糊控制器设计过程选定的推算法软件，但随着现代微电子和集成技术的发展，具有 该类功能的硬件己被逐渐应用。 清晰化接口：产生一个精确的或非模糊的控制作用，这一作用是在对受控过程进行控 制之前通过量程变换为实现的1 。 6 2 模糊控制的应用及发展方向 由于模糊控制不需要建立被控对象的数学模型，具有鲁棒性好、适应于非经性时变滞 后系统的控制，较易建立语言变量控制规则等优点，模糊控制技术在实际应用中取得很大 成功。尤其是在高度工业化的国家。我国模糊控制理论及应用在研究是从7 0 年代开始 的，大多数是在进行理论研究，如对模糊控制系统的结构、模糊推理算法、自学习或自组 织模糊控制器以及模糊控制稳定性问题的研究，而其成果主要集中在工业炉窑及造纸机的 控制等方面”“。 模糊控制虽然有很多优点，但也有自身的局限性”： 1 模糊规则易受人的主观影响，并且规则语言还不足以表达控制复杂过程需要的启发 式知识。 2 稳态精度欠佳。 3 对大滞后对象效果不好。 4 系统设计无统一规范的方法。 轮式工程机械自动防滑差速系统研究 1 0 为解决这些问题，模糊控制的研究方向是与其它控制方法集成，如模糊模型参考自适 应控制，模糊神经网络自适应控制，仿人智能模糊控制等，同时，向多变量方向发展也是 一个趋势。 6 3 模糊控制类型 1 p i d 模糊控制 p i d 模糊控制是用模糊技术与常规p i d 算法相结合，一般模糊控制器与p i 控制器有相 似之处，但控制器的静态误差不能消除，为改善静态性能，加入一个模糊积分单元，形成 p i d 模糊控制，它比单个的模糊控制器和单个的p i d 控制器均有更好的控制性能“。 2 自适应模糊控制 自适应模糊控制是指具有自适应学习算法的模糊逻辑系统。与传统的自适应控制台器 相比，最大优越性在于自适应模糊控制器能利用操作人员的语言性、模糊性信息，对那些 肯有非线性、大时滞、高阶次的复杂系统有更好的控制性能1 。 3 神经网络模糊控制 神经网络模糊控制系统在对信息的加工修理过程中，均表现出很强的容错能力，利用 模糊系统可以直接处理结构化知识的长处以及神经网络强大的学习功能将神经网络的学习 机制引入模糊系统，使模糊系统也有自学习自适应能力以及并行分布处理结构来完成模糊 推理过程。它大致分为常规的神经模糊控制和自适应神经模糊控制两类。”。 4 专家模糊控制 通过模糊控制和专家系统两种技术的集成，在专家系统用模糊集和模糊逻辑来表示和 处理知识的不确定性和不精确性，运用模糊逻辑和人的经验知识及求解控制问题的启发式 规则来构造控制策略。它既有模糊控制鲁棒性强、自适应能力强的优点，又有专家系统技 术的表达与利用知识的长处1 。 5 仿人智能模糊控制 利用仿人智能技术妥善解决控制的稳定性、准确性、快速性的矛盾，能较好地应用于 纯滞后对象，与模糊抗干扰能力特性结合，使仿人智能模糊控制对强干扰、大滞后对象有 良好控制效果。 6 多变量模糊控制 适用于多变量系统，正处于进一步研究中。 6 4 单片机与模糊控制 单片机是电子计算机这个庞大家庭中的一个特殊品种，它的特点就是体积小。内部含有 多种外围接口，十分适合用于专门的控制用途单片机用于模糊控制有以下优点： 1 以接收数字量、模拟量和开关量“” 单片机接口有普通的并行i o 口，故而接收数字量是轻而易举的事：单片机的接口还 有a d 转换器，所以接收模拟量有良好的条件；单片机有定时器输入口及普通的i 0 口， 这些可用于接收开关量。 中南林学院2 0 0 3 届硕士学位论文 2 可以输出数字量、模拟量和开关量 单片机输出接口有并行i o 口，输出数字量十分方便；单片机中的d a 接口、p w m 接 口是模拟量输出接口，开关量用i o 口输出非常简单易行。 3 模糊化方便 模糊化包括量化及隶属函数的定义。在单片机中，用专门的算法可以描述隶属函数， 而用坐标或表格也表示隶属函数。至于量化则是一个简单的算法。用软件执行模糊化并不 困难。 4 反模糊方便 无论采用量大隶属度法亦基重心法，在单片机中只是一种算法，并且可以由专门的子 程序执行。 5 模糊推理的执行较容易 模糊推理在很多场合中是用用控制表执行的。控制表采用对于单片机而言，则是执行 表而己。如果对控制规则则直接执行过程推理，则根据控制规则前件的零件可以确定在每 一瞬间所涉及的规则条数。一般而言，前件的零件有n 个，则涉及的规则最少一条，最多 为2 n 条。在软件处理中可以较容易判别出有关系的规则，从而进行推理。 另外，就体积而言，只有用单片机构造的控制器才有小的体积。所以，从智能产品 的体积角度来说，是必须选用单片机的。 轮式工程机械自动防滑差速系统研究1 2 论文 0 引言 本系统开发包括三个方面的内容，一是系统硬件电路的设计，拟采用i n t e l 8 7 5 1 单 片机为系统控制核心，硬件电路设计包括系统扩展、人机通道及前后通道设计，还包括硬 件接口程序设计；二是系统软件设计，包括控制算法设计和主程序设计，拟采用模糊控制 算法；三是程序系统仿真设计及仿真结果陈述。 1 系统硬件电路设计 系统总电路示意图如下： 8 7 5 i 图5 硬件电路示意图 如图5 ，单片机，i o 扩展电路，总线驱动，掉电操作电路，监视电路，l e d 显示电 路，复位电路构成系统核心及扩展和人机通道电路；而多路开关，滤波，a d 转换电路及 传感器电路构成前向通道；光电隔离，d a 转换，及前后差速器电路构成系统的后向通 道。系统工作原理为：安装在四个轮的转速传感器和加速度传感器信号经放大滤波送入 a d 转换后由单片机8 7 5 1 系统软件分别对前轮和后轮的转速差及转速变化率进行分析，确 定前后差速器最佳工作等级并输出控制信号，经d a 转换后控制前后差速器工作。 1 1 核心及扩展电路及人机通道设计 核心控制芯片e c u ( 见系统应用电路图2 ) 采用i n t e l 公司生产的8 7 5 1 单片机，其主 要功能为“”： ( i ) 8 位c p u ( 2 ) 片内带振荡器，振荡频率f 一范围为1 2 - 1 2 删z ：可有时钟输出 ( 3 ) 1 2 8 个字节的片内程序存储器 ( 4 ) 片外数据存储器的寻址范围为6 4 k b ( 5 ) 2 1 个字节专用寄存器 中南林学院2 0 0 3 届硕士学位论文 ( 6 ) 4 个8 位并行i o 接口：p o p i p 2 p 3 ( d 1 个全双工串行i o 接口，可多机通信 ( 8 ) 2 个1 6 位定时计数器 ( 9 ) 中断系统有5 个中断源，可编程为两个优先等级 1 1 1 条指令，含乘法和除法指令 0 d 有强的位寻址、位处理能力 片内采用单总路线结构 用单一十5 v 电源 主程序存储于片内e p r o m 中，当要更新程序时，把8 7 5 1 的v m 引脚接至2 1 v 编程电源 即可进行编程，增强了系统的适应能力。 1 1 i 复位、监视电路设计 复位方式采用上电复位和操作复位两种方式，上电时+ 5 v 电源立即对单片机芯片供 电，同时经r 对c 3 充电，c 3 上电压建立的过程就是负脉冲的宽度，经倒相后，r s t 上出 现正脉冲使单片机复位。当司机希望自动差速系统停止工作时，可按下按钮，r s t 上同样 出现高电平，实现操作复位。 隔一 r s t 阡1 ” 8 7 5 1 p 3 2 图6 复位监视电路 监视定时系统w d t 电路选用m a x 8 1 3 l ，由8 7 5 1 的p 3 2 引脚定时向w d t 发送电压番转 信号，以示系统正常工作。当由于外部干扰或其它原因导致死机时，看门狗电路会自动发 出复位信号”“。 i 1 2i o 扩展电路设计 考虑到外设较多，故选用8 7 5 5 a 扩展r o 口。8 7 5 5 a 芯片含2 k 8 位e p r o m ，有两个通 用8 位i o 口，每一位i o 线可单独规定为输入或输出，具地址锁存。很适用于既要扩展 i o 口，又要扩展少量片外r o m 的系统。片内各e p r o m 单元由a - r a 8 、a d ，一a d o 寻址，但在 按1 6 位二进制数编址时，其高8 位的地址还需计及c e 端接法对地址值的影响。片内a 、b 两个通用位i o 接口的口地址，其最低2 位由a d l 、a d o 的值确定。另有两个数据方向寄 存器d d r a 和d d r b ，分别用于规定a 口、b 口每一位是输入还是输出。d d r a 、d d r b 口地址 轮式工程机械自动防滑差速系统研究 1 4 的最两位也由a d i 、a d o 的值决定。a 口、b 口寄存器可写、可读，d d r a 、d d r b 寄存器则只 可写。当选中8 7 5 5 a i 0 写时，所谓i o 口不单指a 、b 两个寄存器，d d r a 、d d r b 寄存器也 包括在内。d d r a 、d d r b 寄存器都每个8 位，其各位分别与a 口、b 口的相应位一一对应， l 为输出，0 为输入。写a 口、读a 口、写d d r a 、写b 口、读b 口、写d d r b 应满足的条件 【川： 写a 口= 片选端有效a 口地址选中此) 彤为低 读a 口= 片选端有效a 口地址选中( 1 0 m 为高r d 为低+ j ( 次为低) 写d d r a = 片选端有效a 口地址选中帕为低 写b 口= 片选端有效b 口地址选中j d 彤为低 读b 口= 片选端有效b 口地址选中( i o m 为高r d 为低+ ，0 r 为低) 写肋r b = 选端有效d d r b 口地址选中帕缈为低 8 7 5 5 a 的地址数据总线a d ，一a d o 都与单片机的p o 7 一p 0 0 一一对应连接，以分时传送数 据或低8 位地址信息。8 7 5 5 a 的j 勰连到单片机的r d ，d 形连到单片机的脓。8 7 5 5 a 的r d 连到单片机的p s e n ，专门解决读8 7 5 5 a 的e p r o m 内容，8 7 5 5 a 的i o m 接参考地， 因低电平而始终选中e p r o m ，使r d 端专用于读e p r o m ，不能读取i o 接口数据。其与单 片机8 7 5 i 接口电路如图7 。系统r o m 、r a m 、i o 接口的编址如下： 8 7 5 1 片内r o m 8 7 5 5 a re p r o m 8 7 5 1 片内r a h i 8 7 5 5 a 的a 口寄存器 8 7 5 5 a 的b 口寄存器 8 7 5 5 a 的d d r a 口寄存器 8 7 5 5 a 的d d r b 口寄存器 0 0 0 0 h 一0 f f f f h 1 0 0 0 h 一1 7 f f i i 0 0 h - 7 f h 1 0 0 0 h 1 0 0 1 h 1 0 0 2 h 1 0 0 3 h 另外，考虑到8 7 5 1 的p 0 口作为数据总路线和低8 位地址总线，而且还要接收8 路传 感信号，而p 0 口只能带动8 个l s t r l 负载。所以有必要在p 0 安装总线驱动器，又考虑到 p o 数据是双向连通的，所以选用总线驱动器7 4 l s 2 4 5 。它的g 端接地保证芯片一直工作， 而输入、输出的方向控制由单片机的数据存储器的“读”控制引脚r d 和程序存储器的取 指控制引脚p s e n 通过与门控制d i r 引脚实现。这种联接方法保证无论是“读”还是 “写”都能保证p 0 口的输入驱动；除此以外的时间里保证p o 口的输出驱动。 中南林学院2 0 0 3 届硕士学位论文 田7i 0 扩展电路 1 1 3l e d 显示电路设计 为了直观表现自动防滑系统的工作情况，本系统还设计了l e d 显示电路，用于显示后轮 轮速差。由4 个共阴极l e d 组成，由于单片机本身有较强的逻辑控制能力，采用软件译码 并不复杂。而且软件译码其译码逻辑可随意编程设定，不受硬件译码逻辑限制。采用软件 译码还能简化硬件电路结构。因此，在单片机应用系统中，使用最广的是软件译码的显示 器接口电路。图是8 7 5 1 扩展i o 控制的4 位l e d 动态显示接口。通过多功能芯片8 1 5 5 扩 展i o 接口，采用软件译码和共阴极数码管显示4 位b c d 码。7 4 l s 0 7 为集成驱动器。8 7 5 1 图8l e o 显示器接口电路 片内r a m 的3 0 h 一3 1 h 单元为显示缓冲区，存放传感器测得的后轮两轮轮速差。另外，显示 的动态扫描时间定时进行，每2 0 m s 扫描一次，用定时计数器0 定时，令定时计数器工 作于方式l ，程序流程和清单如后页所示。 轮式工程机械自动防滑差速系统研究 1 6 0 0 2 0 hc l r s e t b m o v m o v m o v x 雠0 v 蛐0 v m o v s e t b s e t b o r g a j m p d i s p ：m o v 肼0 v p u s h p u s h s e t b m o v m o v m o v c l r s e t b m o v l 0 0 p ：m o v 冰) v a n l m o v c m o v x m o v m o v m o v x a c a l l r l m o v m o v m o v s w a p 州l m o v c m o v x m o v m o v m o v x a d a l l r l m o v i n c d j n z m o v m o v x p 2 3 2 4 r 1 。# o o h a ，# o e h e r l a t m o d ，# 0 1 h t h o ，# b 1 h t l 0 # e o h t r o e a 0 0 0 b h d i s p t h o ，# b 1 h t l o ，# e o h a p s w p s w 3 r o ，# 3 0 h r 2 # f e h r 3 ，# 0 2 h p 2 3 p 2 4 d p t r # t a b r 1 ，# 0 2 h a ，o r o a ，# o f h a ， a + d p t r r l ，a r 1 ，# 0 3 h a r 2 o r l ，a d e l a y a r 2 a r i ，# 0 2 h a ， r o a a ，# o f h a a + d p t r r 1 ，a r 1 ，# 0 3 h a r 2 r 1 a d e l a y a r 2 a r 0 r 3 l 0 0 p a ，g f f h r 1 ，a 甲 中南林学院2 0 0 3 届硕士学位论文 1 7 p o pp s w p o pa d e l a y ：m o v r 1 ，g o a t d l 2 ：m o v r 2 ，# 1 8 h d l l ：n o p n o p d j n zr 2 ，d l l d j n zr 1 ，d l 2 s j m pd e l a y r e t t a b ：d b3 f h d b0 6 h d b5 阴 d b4 f f i d b6 6 h d b6 d h d b7 d h d b 0 7 h d b7 f h d b6 7 h 1 2 前向通道设计 当单片机用作测、控系统时，系统中总要有被测信号输入通道，由计算机拾取必要的 信息。作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量是系统的核心任务，对控制系统来 说，对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。单片机的前向通 道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道，是原始参数输入通道“”。前向通道具 有以下特点 1 向通道要完成对象的状态、量值的检测，故前向通道总要靠近信号拾取对象。 2 向通道的环境无主观选择余地。由于前向通道中的信号检测总是针对着被测对象 的，被测对象的现场环境因素严重地影响着前向通道的方案设计。 3 前向通道电路设计的难易繁简与环境因素有关外，还取决于传感、变换器件的选 择。因为在前向通道中必须将传感器输出的初次电信号转换成能满足计算机输入 要求的t t l 逻辑电平信号。因此，前向通道中传感器输出信号与计算机逻辑电平 的相近程度决定了前向通道的繁简难易程度。 4 由于传感器常常是模拟量输出、微弱信号输出，转换成计算机要求的信号电平 时，须要籍助一些模拟电路技术，因此，前向通道常常是一个模拟、数字等的混 杂电路，是传感器集成化和单片机功能集成的边界区域。 5 前向通道靠近现场，易受干扰；传感器输出信号一般都较微弱，常常要构成一个 增益系统，也是单片机应用系统中最重要的一个干扰进入通道。因此，前向通道 的抗干扰设计是前向通道设计的一个重要内容。 轮式工程机械自动防滑差速系统研究1 8 系统的前向通道示意图如下： i o 剖帅母错 扩 展 多 8 7 5 1 电 路 开 g 路 关 r 习 l a d l aii c j l 滤波i i4 路加速度信号 图9 前向通道示意图 根据n y q u i s t 采样定理，在理想的数据采样系统中，为了使采样输出信号能无失真地复 现原输入信号，必须使采样频率至少为输入信号最高有效频率的两倍，否则会出现频率混迭 误差。因此，信息无损失地重现采样数据，要求在数据带宽的每个周期内至少采样两次。 1 2 1 传感器信号放大电路设计 由于在该通道中主要是传感器和与传感器有关的信号调节、变换电路，故也称为传感 器接口通道。前向通道的传感器采用0 1 0 0 2 霍尔转速传感器“，因其输出电压一般为几m y 到几百m v ，应用时必须接入放大器把电压放大。放大基本形式是差动直流放大电路。因采 用一个运放的放大电路运放输入阻抗与霍尔传感器阻抗相差不大，会产生误差，故由三个 运放组成差动放大电路。其电路图如图9 。 1 2 2a d 转换接口电路 设计 根据a d 转换芯片的选择原 则，从转换转换精度、转换速度、 模拟信号输入通道数以及成本、供 货来源全面考虑，选用广泛采用的 a d c 0 8 0 9 转换芯片。a d c 0 8 0 9 1 芯片 是8 位、逐次比较式a d 转换，具 有地址锁存控制的8 路模拟开关， 应用单一+ 5 v 电源，其模拟量输入围1 0 传感器信号放大电路 电压的范围为o + 5 v ，对应的数字量输出为o o f l f f h ，转换时间为1 0 0us ，无须调零或调整 满量程，其中，i n o i n 7 接8 路模拟量输入：a d d a 、a d d b 、a d d c 接地址线，用以选定8 路 输入中的一路，a l e 是地址锁存允许；v * 接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电 电源就用作基准电源；s t a r t 是芯片的起动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的a d 转 换：e o c 是转换结束信号，可用于向单片机申请中断或供单片机查询：o e 是输出允许端； c l k 是时钟端，因芯片的时钟频率最高只可工作于6 4 0 k h z ，故由单片机的a l e 引脚经分频 后接向该引脚；d b o d b 7 是数字量输出口，l s b 表示最低位，m s b 表示最高位。其工作时序 图如下： 申辩转学院2 0 0 3 届硬士学位论文 1 9 监三妄& 三三三三三三 横攮、厂一 输入 - 一 厂 s t a r t 扁动 溆= 书厂一1 0 sl 上一 厂、 d a t a 弋厂一 a d c 0 8 0 9 通过8 7 5 5 a 与单片机相连，8 7 5 1 a l e 信号的频率较高，敏先经7 4 l s 9 0 赢分 频，再接到a d c 0 8 0 9 的c l k 端。转换结束后，将向8 7 5 1 发断中断请求信号，进入采样程 序后8 个遥道都依次选遴一次，采样次数为8 ；转换所得静数字量援序存于靖蠢r a m 斡 5 0 h 一5 7 h 单元；8 次采样是否完成以标志位f o 是否建起为标志。如未完成，单片机反复执 行j b c 您，e l s e 与s j m pn e x t 这嚣条搔令，铁等待每一次采撵、转换熬宠艘著避入孛 断服务程序。其接口电路闰如图i i ： 圈l a d 转换接口电路 具体程序为： 0 0 5 0 ha d p r o ( ；r a m ：m o vr o ，# 5 0 h m o v r 1 ，# 7 8 h 轮式互程税械自动防滑差连系统研究2 0 m o v x r 1 ，a s e t be a s e