（车辆工程专业论文）汽车底盘模拟测功机测控系统的研究与开发.pdf

摘要 随着国内汽车工业的迅猛发展，汽车行业对汽车性能检测的要求越来越高，而汽 车底盘模拟测功机是检测汽车性能的重要设备。车辆底盘模拟测功机测控系统是车辆 底盘模拟测功机的关键部分。 本文首先对我校自行研制开发的国内第一台汽车底盘模拟测功机的结构和加载 原理作了简要的介绍，再通过对经典p i d 和模糊控制性能进行分析和研究，结合原有 系统中采用p i o 控制技术存在的由于转鼓惯基大而弓l 起的控制精度低、响应滞后等问 题，提出了采用模糊控制来实现汽车在道路上行驶阻力的模拟这一方案。找出了板卡 p c l - 8 1 2 p g 的输出电压及励磁柜输出电压的函数关系。设计出了符合该汽车底盘模拟 测功机性能需要的模糊控制器。最后采用高级可视化编程语言开发该测控软件系统。 软件系统采用模块化、结构化编程思想，不仅结构简单，而且方便了试验操作者的操 作。并通过试验来对测控软件部分进行了反复的改进。同时对试验时原数据采集系统 部分中出现的一些问题提出了相应的解决方案。 最后采用解放c a l 0 2 6 l f 型汽车对该系统进行了试验，结果表明该系统增强了 m e g 一2 0 0 型汽车底盘测功机的工作性能，提高了测功机的控制精度，减小了系统的响 应时间，达到了设计的目标。同时系统在采样频率较大、采样时间较长时采样数据蹬 错的现象也得到了很好的解决。 关键词：汽车底盘模拟测功机，模糊控制，控制系统，阻力模拟 生耋罂王查耋璧圭：竺兰銮 茎銮釜兰 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n gr a p i d l yo ft h ev e h i c l ei n d u s t r i a li nc h i n a ，v e h i c l e m e a s u r e ss t a n d a r db e c o m e sm o r ea n d m o r eh i g h e r a n dv e h i c l ec h a s s i s d y n a m o m e t e ri st h ei m p o r t a n te q u i p m e n to ft h ev e h i c l ep e r f o r m a n c em e a s u r e t h e v e h i c l ec h a s s i sd y n a m o m e t e r sm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mi st h ek e y p a r t f i r s t l y , t h i sp a p e rg a v ea no u t l i n eo ft h ef i r s td o m e s t i cv e h i c l ec h a s s i s d y n a m o m e t e r sc o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e s e c o n d l y , b yc o m p a r i n g c l a s s i c a lp i dc o n t r o lw i t hf u z z yc o n t r o l ，a n dt h i n k i n go v e rt h ep r o b l e mt h a tt h e b i gi n e r t i a sd r u mc a u s el o wc o n t r o lp r e c i s i o na n dr e s p o n dl a gi nt h ep i dc o n t r o l s y s t e m ，s of u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yi su s e d t h i r d l y ，t h ev o l t a g er e l a t i o no ft h e p c l - 81 2 p ga n dt h ec o n t r o le l e c t r o n i cc a b i n e tw a sf o u n d t h e nt h e f u z z y c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d ，w h i c hm e tt h ep e r f o r m a n c ed e m a n do ft h ev e h i c l ec h a s s i s d y n a m o m e t e r l a s t l yt h i ss y s t e m i s d e v e l o p e db yt h ea d v a n c e dv i s u a l i z a t i o n p r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h ei d e ao fm o d u l a r i z a t i o na n ds t r u c t u r a lp r o g r a mh a s b e e na d o p t e dd u r i n gp r o g r a m m e dt h es o f t w a r es y s t e mi no r d e rt h a tt h es o f t w a r e c a nb em a i n t a i n e dc o n v e n i e n t l ya n di t sc o n f i g u r a t i o nb e c o m es i m p l e f i n a l l y ，t h e c o n t r o ls y s t e mi si m p r o v e dr e p e a t e d l yb ye x p e r i m e n t a n df o c u s e do nt h ep r o b l e m a b o u tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h es o l u t i o n sa r ep u tf o r w a r d i nt h ee n d ，b yt h ee x p e r i m e n tw i t ht h el i b e r a t i o nc a10 2 6 l ft r u c k ，t h e r e s u l t sv e r i f i e dt h i sc o n t r o l s y s t e mi m p r o v e st h em c g 一2 0 0v e h i c l e c l a s s i c s i m u l a t i o nd y n a m o m e t e r sp e r f o r m a n c e ，r a i s e st h ec o n t r o lp r e c i s i o n ，a n ds h o r t e n s t h er e s p o n s et i m e a n dt h ep r o b l e mo ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mg o ts o l v i n g k e yw o r d s ：v e h i c l ec h a s s i sd y n a m o m e t e r ，f u z z yc o n t r o l ，c o n t r o ls y s t e m r e s i s t a n c es i m u l a t i o n i l 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，也不包含为获得山东理工大学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。 时间：反，疗年月，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 研究生签名： 导师签名： 夏稗 伊i ；争 时间0 巧车f 月1 日 时嗡一譬年月) f i 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 序言 第一章绪论 汽车底盘模拟测功机是在室内模拟汽车在道路上行驶时的各种工况，从而 完成汽车的动力性试验、可靠性试验、经济性试验、排放性能评估【2 j 与分析 以及与汽车传动系统有关的专项试验，是汽车试验研究、产品开发和质量检测 等所必需的大型试验设备【3 j 【4 1 。 1 2 研究的意义 在我国，个人购车已成为趋势。2 0 0 0 年我国人均国民生产总值为7 0 7 8 元， 按可比价格计算增长7 1 ，并保持平稳增长，已达到进入家庭的起步阶段。 据统计，2 0 0 4 年我国汽车产销量分别为5 0 7 0 5 万辆和5 0 7 1 1 万辆，比上 年分别增长1 4 1 l 和l5 5 0 。其中，轿车产量为2 3 1 6 3 万辆，增长1 1 9 9 ， 销售2 3 2 6 5 万辆，增长1 5 1 7 。轿车所占比重接近4 6 ，比3 年前提高十几 个百分点。 2 0 0 1 年，我国汽车产量为2 3 4 2 万辆，其中轿车产量仅为6 9 5 万辆，轿 车在全部汽车产量中所占的比例不到3 0 。2 0 0 2 年是中国加入世界贸易组织 后的第一年，国内汽车产销开始出现“井喷”行情。当年汽车产量一举超过 3 0 0 万辆大关，达到3 2 5 1 万辆，增长3 8 8 。轿车产量更是增长了5 2 8 4 ， 首次突破百万辆大关，达到1 0 6 2 4 万辆，轿车比重达到3 2 7 。 2 0 0 3 年，这一“井喷”行情得以持续。当年生产各类汽车4 4 4 3 7 万辆， 销量4 3 9 0 8 万辆，分别增长3 5 2 和3 4 2 1 。其中轿车的增长更是令人吃惊。 产量达到2 0 1 8 9 万辆，销量达到1 9 7 1 6 万辆，分别增长了8 3 2 5 和7 5 2 8 。 2 0 0 4 年国内车市主要是轿车市场开始回调，增长速度明显低于前两年， 但是与国外主要汽车市场零增长相比，这一增幅还是相当可观的。 中汽协有关负责认为，虽然产销增幅较上年有较大回落，但是在2 0 0 3 年 产销4 0 0 多万辆较高的情况下，2 0 0 4 年仍能保持15 左右的增长，表明我国 汽车工业整体运行仍处于较为平稳的发展态势。 可以预见，在将来的几十年中，我国将成为一个汽车大国，人均汽车占有 量和汽车总量都将是一个很大的数字，这就要求在汽车检测方面也要有相对完 善和精确的检测手段。汽车底盘模拟测功机因其自身的优点而成为汽车实验、 产品开发、制造及维修、质量评定、环保排放检测等必需的大型测试开发设备。 山东理工大学颂士学位论文 第一章绪论 ! _ _ e _ - _ - _ _ _ e 自l j 日- _ _ _ _ 女- _ _ - _ - _ _ _ j 日口- _ _ _ - _ _ _ _ - 日_ - - _ - ! 自j = _ j _ - _ - _ _ _ = - 目 _ - _ i i i _ _ - 对汽车底盘模拟测功机的开发研究有利于我国汽车工业的发展，尤其对环境的 保护起到极大的的监督和推动作用。此外，研制发展国产汽车底盘模拟测功机 还会给国家节省大量的外汇。 1 3 国内外的研究现状 汽车底盘模拟测功机( c d 村) 分为： ( 1 ) 汽车工业用的c d m ； ( 2 ) 汽车使用与维修企业用的c d m ： ( 3 ) 环保测量汽车排放专用c d m 。 目前，c d m 已经在工业发达国家的汽车制造业、汽车维修业、环保排放 检测，乃至汽车更新报废判定等工作中获得了广泛的应用。以美国为例，2 0 0 0 年仅用于环保汽车排放检测工作中的c d m ，即高达6 0 0 0 台以上，而美国野马 公司( m d ) 宣称，其测功机产量高达每周1 5 0 台。目前中国共有汽车、摩托车 维修企业总数约3 1 万户，其中一类维修企业，约9 0 0 0 户，根据交通部关于汽 车维修设备配置的规定，一类维修企业及a 级综合性能检测站均必须配置 c d m ，加上汽车制造厂、技术开发中心、环保排放检测站、i m 站等在内，中 国在未来5 1 0 年c d m 的需求量大致在2 3 万台。市场总额接近4 8 7 2 万亿 元( 仅按国产设备均价2 4 万元台计) ，这是一个不可忽视的巨大商机。而国 内汽车工业使用的汽车底盘测功机绝大多数是从德国申克 6 1 ( h e n c k ) 公司、 美国保克( 肋妇) 公司和日本小野测器株式会社等引进的，设备价格均达数百 万美元以上。 1 4 测功机模拟过程 首先将试验”1 车辆的驱动轮置于转鼓之上，转鼓的作用是保证试验车辆的 驱动轮与转鼓表面有足够的附着力，使试验车辆驱动轮输出的功率经升速器传 给赢流测功器。升速器有六个不同的档位，以满足不同车型及车速下的试验要 求。车辆行驶速度信号由位于升速器输入轴上的测速齿轮与之相对应的磁电式 转速传感器产生。测功机转矩信号由位于直流测功机侧面的拉压传感器产生， 以脉冲方式送入计算机。图卜l 所示为c a l 0 2 6 l f 型解放汽车在测功机上试验。 当耋詈三查兰璧圭兰皇鲨銮 耋= 要垡耋 图卜1 所示为0 1 0 2 6 l f 型解放汽车在测功机上试验 直流测功机【9 1 及电气系统由国产直流测功机( 型号为z g 4 2 3 1 8 - 4 ，采用 他激励磁风机强制通风) 、可控硅整流电源、可控硅电枢电源、负载电阻器及 电子切换开关、励磁柜及整流柜等组成。当发电机t 1 0 】运行时，该系统能平稳 地吸收试验车辆功率，并将吸收的功率转换为电能由本系统的负载电阻消耗； 同时能准确的执行计算机发出的指令，自动调节励磁电压，对试验车辆加载， 模拟车辆道路行驶工况。以电动机状态运行时，该系统可拖动试验车辆进行试 验车辆的传动系效率等的测试，也可对试验车辆进行冷热磨合。 计算机控制与信号采集及处理系统包括拉压传感器、多路温度传感嚣、振 动传感器、光电隔离脉冲计数板、研华i p c 6 1 0 ( p i n ) 工业控制计算机、多路 信号处理器及分配器、研华p c l - 8 3 6 及p c l 一8 1 2 p g 数据采集板等组成。该 系统实时检测并采集各传感器的电信号，经计算机处理后输出一电压值控制直 流测功器励磁电压的太小来调节转鼓转矩，以对试验车辆进行动态加载，实现 道路阻力的模拟再现。具体的控制由总控制台来实现( 图卜2 ) 。 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 _ _ i 自 _ l ! l _ _ _ 一i i i , z j _ l i - _ - - _ - _ _ - _ _ _ - _ e j _ 自- i = _ _ - e = j e l l _ - _ 圈1 - 2 汽车底盘模拟测功机总控制台 1 5 课题的研究内容 我校投入经费1 0 0 余万元在8 5 期间“汽车设计与制造”省重点学科建设 中自主开发研制出的我国第一台国产汽车底盘模拟测功机【l 】，填补了国产汽车 模拟测功机的空白，在主要性能方面达到了国外同类产品9 0 年代的水平。但 受当时各种条件的限制，原有测控微机采用4 8 6 工控机，运行速度慢，原有测 控软件系统采用c 语言编程，在d o s 状态下运行，界面死板，操作不便。此 外由于滚筒及其系统转动惯量较大，系统在实时控制方面还不够完善，p i d 控 制比例k 。、积分k i 、微分k d 参数选择不够适当，在进行加速油耗实验时，重 复性不是很好。恒转速运行时，速度出现等幅振荡等现象。而利用可视化编程 软件d e l p h i 对该系统测试软件【9 】 1 1 2 】f 1 3 1 的改进部分，当采样频率过大，采样 时剃过长时采集的数据有时会出现严重的错误。 根据以上的问题确定了该课题的主要研究内容为： ( 1 ) 设计一个适应该测功机的模糊控制器，从而进一步提高m c g 2 0 0 型汽车底盘模拟测功机的工作性能，提高测功机的控制精度，减小系统的响应 时间。 ( 2 ) 针对上述提出的数据采集软件部分出现的问题，对该部分进行系统 山东理工大学硕士学位论文 第一章堵违 图卜2 汽车底盘模拟测功机总控制台 1 5 课题的研究内容 我校投入经费1 0 0 余万元在8 5 期间“汽车设计与制造”省重点学科建设 中自主开发研制出的我国第一台国产汽车底盘模拟测功机【1 ，填补了国产汽车 模拟测功机的空白，在主要性能方面达到了国外同类产品9 0 年代的水平。但 受当对各种条件的限制，原有测控微机采用4 8 6 工控机，运行速度慢，原有测 控软件系统采用c 语言编程，在d o s 状态下运行，界面死板，操作不便。此 外由于滚筒及其系统转动惯量较大，系统在实时控制方面还不够完善，p i d 控 制比例k 。、积分k i 、微分k o 参数选择不够适当，在进行加速油耗实验时，重 复性不是很好。恒转速运行时，速度出现等幅振荡等现象。而利用可视化编程 软件d e l p h i 对该系统测试软件9 1 1 1 】1 1 2 】f t 3 的改进部分，当采样频率过大，采样 时斛过长时采集的数据有时会出现严重的错误。 根据以上的问题确定了该课题的主要研究内容为： ( 1 ) 设计一个适应该测功机的模糊控制器，从而进一参提高m c g 2 0 0 型汽车底盘模拟测功机的工作性能，提高测功机的控制精度，减小系统的响应 时间。 ( 2 ) 针对上述提出的数据采集软件部分出现的问题，对该部分进行系统 ( 2 ) 针对上述提出的数据采集软件部分出现的问题，对该部分进行系统 山东理工大学硕士学位论文 第覃堵论 改进，以解决系统在采样频率较大、采样时间较长时采样数据出错的现象。 ( 3 ) 设计测控系统1 1 4 l 软件界面，使操作更简便。 ( 4 ) 根据阻力模拟原理【”】采用高级可视化编程语言设计模糊控制系统 l 1 6 。 ( 5 ) 通过试验调整模糊控制器的相关参数，从而使模拟效果更理想。 当蛮耋三盔兰登圭兰竺丝兰 釜三耋耋主塞兰鉴篓翌塑墨塑苎銮兰望墨罂耋互差 第二章汽车底盘模拟测功机的基本结构及加载方案 车辆底盘模拟测功机是用于车辆整车台架试验1 的专用设备，由于试验车 型的不同和主要试验内容的不同，国外模拟测功机的品种”“”多达几十种， 考虑到一机多用，我们设计了主要用于整车性能试验”的通用车辆底盘模拟测 功机。该测功机主要由两大部分组成：机械传动部分和电器系统部分。机械传 动部分主要由转鼓、升速器、连轴器及支承装置等组成。电器部分主要由直流 测速发电机及数字转速表、转矩测量装置( 拉压传感器) 、可控硅励磁电源、 可控硅电枢电源、控制设备、冷却风机等。( 见图2 1 ) 图2 1m c g - 2 0 0 型车辆底盘模拟测功机基本结构简图 2 1 机械部分 该部分应保证试验车辆的驱动轮与转鼓表面有足够的附着力，使试验车辆 驱动桥输出的功率能正常的传递给电力测功器，并能保证在不同车型不同车速 试验时传递的转矩、转速与测功器转矩和转速相匹配。 2 11 传动系统 为了使不同试验车型、不同车速与电力测功器相匹配以充分发挥测功机的 作用，在转鼓与电力测功器之间需建升速器。目前常见的汽车底盘模拟测功 机机械布置形式有i 型布置、t 型布置及l 型布置。由于t 型布置所需安装见 的宽度较小、结构紧凑，并且可以选用现成的汽车传动系部分零部件作为升速 器，具有多个传动比，可以实现多种汽车在不同车速下与钡【i 功器具有很好的匹 配，即一台测功机可以测试多种型号的汽车性能。本课题选用了t 型布景，采 用了解放c a l 0 9 1 l f 汽车的后桥及六速变速器作为汽车底盘模拟测功机的升 速器。 山东理工大学硕士学位论文第二章汽车底盘模拟测功机的基本结构及加载方案 2 1 2 转鼓“ 汽车底盘模拟测功机又称汽车转鼓试验台，可见转鼓的重要性。在进行汽 车的各项性能试验中，汽车的驱动轮是在转鼓上转动的，转鼓相当于汽车在路 面试验中的路面。为使车轮在转鼓上的受力与路面接近，故转鼓的直径越大越 好。但转鼓直径过大会造成转鼓本身转动惯量过大，会使系统的滞后，从而使 试验结果失真。本课题参考了国外测功机的有关参数，并对转动惯量进行计算， 取转鼓的直径为西= 1 5 9 1 5 r a m ，器周长为c = 5 m 。为了提高转鼓与汽车轮胎的 附着力，防止轮胎打滑，对转鼓的表面进行了热喷涂处理，使之附着系数达到 0 9 5 以e 。 2 2 电器部分 为了精确模拟汽车在道路上的行驶状态，模拟测功机必须具有以下特点： 良好的再现能力。这就意味着在模拟测功器上得到的数据要与在实际行 驶状态下得到的数据一致。 在不同的试验项目及不同的试验条件下，行车阻力状态要有良好的再现 性。 而直流测功电机具有如下特点： ( 1 ) 控制系统的精度高、响应性能好； ( 2 ) 低速转矩特性好： ( 3 ) 可用于倒拖试验： ( 4 ) 可模拟低行驶阻力； ( 5 ) 吸收转矩正比于电枢转矩，因为不需要任何转矩传感器，可方便 的控制行车阻力。 ( 6 ) 利用可控硅控制装置可方便的控制直流测功电机，具有最高的精 度和较好的响应效果。 因此选用直流测功机就能很好的满足模拟测功机应具备的要求。本课题选 用哈尔滨电机厂生产的容量为2 0 0 k w 的直流测功机。 2 3 加载方案 对测功电机常用的加载方案有两种：一种是向电网馈电，由电网的负载损 耗；另一种是直接连接固定电阻，由电阻损耗。向电网馈电的加载方案在工程 实践中具有良好的加载控制性能，但是该方案要架设高压设备和供电线路，投 资巨大，而且运行时，容易对电网造成谐波污染，必须采取有效的措施来抑制 山东理工大学硕士学位论文第二章汽车底盘模拟测功机的基本结构及加载方案 谐波的干扰。另一种由电阻损耗加载方案，虽然与向电网馈电方案相比，投资 小，对电网没有任何干扰，但其加载控制性能差，测试周期长，取不到连续变 化的负载特性曲线，只能多点逼近且用人工调节，控制精度低，所采数据误差 较大影响测试的准确性。 该课题中，通过分析上述两种加载方案的利弊，确定了种兼有两者优点 的新型加载方案【l l 。 2 3 1 对电阻加载方案的优化设计 分析以上存在的问题，研究中对电阻损耗方案从以下两个方面进行改进设 计，其一是采用一组大电流电子自动开关自动跟踪测试电机的速度，完成分段 切换电阻吼的功能，并由计算机完成实时控制切换；二是采用一主调节器z ， 与副调节器t 构成一复合调节系统，使该系统的调节输出量改变可控硅整流 元件的导通角，在r 。的每 图2 - 2 测功电机电阻加载自动控制系统方框图 一个台阶值范围内，当测功电机转速变化时，能自动地调节测功电机的励磁电 山东理工大学硬士学位论文 第= 章汽车底盘模拟测功机的基本结构及加戴方案 流，实现恒流加载的控制方案或恒转矩加载的控制方案。以恒流加载控制方案 来分析，其中主调节器刀根据系统给定值卯与电枢电流传感器反馈信号， 的偏差方向和大小输出调节基f m ，副调节器0 以，。，作给定值，与测功电机转速 信号百的开放器输出信号进行比较，输出调节量r 用f 0 2 作系统的调节输出 量，其原理框图如图2 2 ，下面来讨论其可行性及其实施手段。 2 3 2 加载方案的具体实施 负载台阶值对应的恒流加载适用车速范围是人为确定的，可视需要而定， 本系统总菸设计有上1 6 q 、扣扣扣苎8 q 九个本系统总菸设计有二q 、q 、言q 、i q 、詈q 、i q 、詈q 、古q 、三q 九个 档位可供选择，比最初的设计更理想。全程电阻值可不变换档，控制性能更优 良，避免了电阻变档瞬间对调节系统引起的波动。另外设计了每次试验前由微 机根据试验要求和车型、变档档位自动选用负载电阻值档位的程序，试验中途 不再变更。 该方案中，由微机构成主调节器z r ，副调节器l 由励磁电源柜上的调节 器构成，两者构成一个双闭环串激复合调节系统，如图2 3 所示。系统的给定 值由给定单元( g d ) 的输出值确定。 该单元的输出值由两种方式确定，第一种方式是人工通过微机的键盘操 作，选择某一定值输出，作为整个控制系统的输入值( 被控参数的期望值) ， 该数值代表一定当量的被控物理参数。其物理参数的含义由系统所选择的与之 比较的反馈物理量而定。本控制系统所反馈的被控参数有两个，其一为试验汽 车的转矩一由测功电机活动定子所驱动的拉压传感器输出信号与之响应；其二 为试验汽车的速度一由试验汽车所驱动的转鼓上设置的转速传感器输出信号 与之响应。在此给定方式下，本系统可构成恒转矩加载的定值自动控制系统， 或构成恒车速加载的定值自动控制系统。 第二种给定方式是由微机根据汽车在不同运行工况下阻力矩与车速的函数关 系自动给定，即由试验台架上的汽车车速传感器将试验汽车的瞬时速度信号送 至微机，由微机经过函数运算输出相应的加载阻力矩即可作系统给定值，也可 由微机按特定试验程序在一定的时间区间内给出一系列特定的按时间变化的 时变信号给定，在该给定方式下，反馈物理量选择试验汽车的转矩所对应的信 号，构成一个转矩( 即加载值) 时变的随动调节系统，系统自动跟踪调节加载 量，完成实时控制，它适合于试验汽车作加速试验、模拟道路运行的各种工况 的试验，以及变工况和多工况的试验。由微机构成的外环调节，在选择试验台 尘耋墨三銮兰罂圭兰竺兰老 苎三耋耋主童耋苎篓翌翌墨墼差主釜塑墨垫苎主耋 架上的转矩传感器输出作反馈信号时，将此信号与上述的定值给定信号或时交 给定信号通过各自对应的a d 模数转换环节，以数字量的形式一起送入微机 的比较环节进行比较，输出或正或负的偏差信号，并将此偏差信号送至由微机 构成的主调节单元z t ，在其经过模糊控制器后输出一数字调节量，再经光电 隔离通道和d a 数模转换环节输出模拟调节量t 。，然后以作为给定值加到 由励磁电源柜构成的副调节系统，内环反馈量由原设计的速度信号经开方器 l f t 的输出改为测功电机的负载电流信号一即直流测功电机负载回路中的直流 电流传感器l h 的输出信号f ，t 。，与三f 一起进入励磁电源柜上的副调节器r ，t 在其完成模拟量的模糊控制调节后，输出模拟调节量t 0 2 然后用t 。2 驱动可控 硅励磁电源的触发单元c f ，再由c f 的输出控制整个系统的执行机构一可控 硅接流单元，用以调节测功电机的励磁电 圈2 - 3 优化设计的加裁实施方案 流，完成加载调节。而这样一个由按转矩自动加载的l 、触发单元c f 、可控 硅整流单元s c r 、励磁线圈l c q 回路、电枢电流回路诸环节元器件的闭环系 山东理工大学硕士学位论文第二章汽车底盘模拟捌功机的基本结构及加载方案 统，避免了其内部每个元器件特征参数的变化对整个系统调节精度和稳定性造 成影响，也可以消除励磁柜供电电源电压波动对整个控制系统所引入的扰动， 提高了系统抗干扰的能力、稳定性和调节精度。 大环的反馈信号也可以选择试验台架上的车速传感器c s 的输出信号s f ( 两个信号的选择均有微机的软件和硬件实现) ，使整个系统构成按车速自动 加载的调节系统。 总之，具体试验的加载控制系统，其内环为由副调节器r 构成的模拟量 随动调节系统，( 对气，进行跟踪调节) ，外环为由微机构成的主调节系统，它是 数字量调节系统，进出口配置有a d 与d a 转换接口电路，外环既可以进行 定值调节，又可以实现随动调节，选用不同的程序可以使整个加载控制系统构 成恒定转矩加载控制系统、时变转矩随动加载控制系统、恒定车速加载控制系 统三种控制模式。内外环调节系统均设计有模糊控制器，取得了满意的控制效 果。 山朱理工大学硕士学位论文 第三章控制方案论证 3 1p id 控制1 第三章控制方案论证 p i d 控制是工业控制过程中应用最多的一种控制方式，其原因是：第一， 由于p i d 控制器具有简单而固定的形式，在很宽的操作条件范围内都能保持较 好的鲁棒性；第二，给设计人员提供了一种简单而宣接的调节方式。三种不同 形式的控制作用组合用来跟踪被控对象的不同变化速度，使调节系统的动态误 差更小。对于一些非线性复杂对象，尽管p i d 大多数采用了近似描述和线性化 原理，但其最终的模型表示形式应该是确定的而且利用它能够容易地得到精 确定量解。p i d 具有结构简单，参数物理意义明确，动态和静态特性优良等显 著优点，在各种新控制理论不断出现的今天，在工业过程中仍占据主要位置。 在p 1 d 控制算法中，存在比例、积分、微分3 种控制作用。比例控制作用 对系统误差及时响应，使p i d 控制的对象朝误差减小的方向变化；缺点是对于 具有自平衡能力( 即系统阶跃响应终值为一有限值) 的被控对象存在静差；加大 比例作用可以减小静差，会导致系统超调量增大，使系统的动态性能变坏。积 分控制能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差，不足之处在于积分 作用具有滞后特点，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致 闭环系统不稳定。微分控制作用，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作 用可加快系统响应，使超调量减小，缺点是对于干扰同样敏感，使系统对干扰 的抑制能力降低。 在工业过程中，被控对象数学模型己知的情况下，应用p i d 的3 种控制作 用的控制效果正确调节调节器的各个参数，可以获得比较满意的控制效果。 因为其算法简单，参数调整方便，并具有一定的控制精度，并在实际中取得良 好的效果【2 3 1 ，因此它已成为当前最为普遍采用的控制算法。 但由于控制对象变化的随机性和复杂性，既要获得足够的精度又便于系统 分析设计的合适的数学模型【2 4 】是相当困难的：同时，由于控制参数多，多个 参数之间的相互影响，难以取得好的效果。虽然可以采用一些近似的工程整定 方法来选择p i d 参数，p i d 算法本身也有它的局限性和不足，p i d 参数的整定 值是具有一定局域性的优化值，而不是全局性的最优值，因此p i d 控制作用无 法从根本上解决动态品质和稳态精度之间的矛盾。另外，p i d 控制器的主要局 限性在于它对被控对象的依赖性，一般需要预先知道被控对象的传递函数才能 进行设计，而且p i d 算法只有在系统模型参数为非时变的情况下才能获得理想 当銮堡三奎兰要圭兰g 兰兰 釜三耋耋翌垄耋鎏兰 能会变差，甚至不稳定。 在工程上，直流电机的数学模型不难得到，这使得经典控制在已知被控对 象的传递函数才能进行设计的前提得到满足，大部分数字直流调速控制器就是 建立在此基础上。然而，在实际的传动系统中，电机本身的参数和拖动负载的 参数( 转动惯量) 并不如模型那样一成不变，在某些应用场合随工况而变化；同 时，直流电机本身是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等 非线性因素，因此，被控对象的参数变化与非线性特性，使得线性常参数p i d 调节器顾此失彼，不能使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指标，往往 使得控制系统的鲁棒性差，特别是对于模型参数大范围变化且具有较强非线性 环节的系统，常规p i d 调节器难以满足高精度、快响应的控制要求，常常不能 有效克服负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响。上述因素的影 响，即一个调好参数的p i d 控制器对于在另外一个环境下对具有同样铭牌数据 的直流电机进行控制，系统的性能可能会变差，有时甚至造成系统不稳定，工 业现场的调试人员不得不重新调节p i d 各参数，这给工程现场调试人员带来很 大的不方便。 3 2 模糊控制 模糊控制以模糊数学理论、模糊语言形式为理论基础，是一种基于模糊规 煲f j 的控制系统【2 5 1 ，这些模糊控制规则是直接从专家经验或现场操作者的经验 中进行归纳、优化得出来的，是一种蕴涵着人类智能、推理和决策的控制方式。 经典数学以特征函数讨论问题，而模糊数学以隶属函数讨论问题。系统精确数 学模型的建立，其实质是应用一定的数学处理手段，基于待辨识系统的大量测 量数据，找出体现系统输入与输出之间的内在联系，并通过一定的数学表达式 加以描述。建立系统模糊模型的基本思想也是这样，只是将采集到的精确量量 测数据进行模糊化处理，转化为通过隶属度和模糊子集表达的模糊量，也就是 将原来通过精确量数据描述系统输入输出之间的内在联系( 精确数学模型) ，转 化成一种相应的由条件语句i f ( 输入语言变量模糊子集) 、t h e n ( 输出语言变 量模糊予集) 表达的模糊关系，这便是系统的模糊模型【2 6 1 。 模糊控制具有以下特点： ( 1 ) 模糊控制是一种基于经验规则的控制，它直接采用语言控制规则，依 据现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立 被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受和理解， 设计简单，便于应用： ( 2 ) 由于从工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则。因而 山东理工大学硕士学位论文第三章控制方案论证 ( 2 ) 由于从工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而 模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显 著的对象非常适用： ( 3 ) 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标不同， 容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性， 利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果 优于常规控制器： ( 4 ) 模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人 工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能 水平； ( 5 ) 模糊控制系统的鲁棒性，干扰和参数变化对控制效果影响大大减弱， 尤其适合于非线性、时滞后系统的控制。 一个缺乏精确数学模型的被控对象，很难用现有的控制理论来处理，但是 人工智能对复杂现象的分析和判断能力是很强的，特别是有经验的操作人员， 通过对系统的操作、控制，总是可以总结一套控制规则，应用模糊集合理论， 把这些控制规则写成一串模糊条件语句，构成一个模糊模型，利用这个模型可 以设计出比较理想的控制器。 模糊控制是一种典型的智能控制方法，其最大的特点是将专家的经验和知 识表示为语言控制规则，并应用这些语言控制规则去控制系统，这样它可不依 赖于被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被控对象的参 数变化具有较强的鲁棒性。它不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出结 果数据，参考现场操作人员的操作运行经验，就可对系统进行实时控制。模糊 控制器的特点( 5 ) 中阐述模糊控制对干扰和参数变化不敏感和模糊控制不用建 立数学模型的特点，使得模糊控制对在不同环境下的同一直流电机对象( 在不 同环境下，同一对象的参数或许已经发生了不小的变化) 进行控制，或是己经 调好的模糊控制系统应用于参数稍有变化的控制对象时，系统性能没有多大变 化，使得现场调试人员不必为同一控制对象设置不同的调试参数。 3 3 模糊控制和p i d 控制性能的比较 为了便于模栅控制和p i d 控制进行比较，选用典型的被控对象。并改变被 控对象模型的参数及其结构，观察比较两种控制方式的阶跃响应。从而得到结 论【2 7 1 。 山东理工大学硕士学位论文第三章控制方寮论证 3 3 2 控制特性的比较 k e 一8 乃十1 k e 一。 ( 正j + 1 ) ( 正s + 1 ) k e 一8 ( r , s + 1 ) ( 正j + 1 ) ( 正j + 1 ) ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 为了比较两种控制器的适应能力，在保持已整定的两种控制器参数不变的 情况下，首先改变被控二阶对象的参数互、疋的大小，看其系统阶跃响应特性 1 o 0 51 01 52 02 5 ，( s ) 图3 1 参数变化对p 1 0 控制 特性的影响 y ( ，】 n 八一 图3 2 结构变化对p i d 控制 特性的影响 的变化。然后，在两种控制器参数不变的情况下，进而改变被控对象的结构， 即由二阶变一阶，再变三阶，其阶跃曲线如图3 1 、图3 2 、图3 3 、图3 - 4 所 示。 从上图中可以看出，模块控制较之p i d 控制不仅对被控对象参数变化适应 性能力强，而且在对象模型化结构发生较大改变的情况下，也能获得较好的控 制效果。 一1 5 l0 o5 图3 3 参数变化对模糊控制 特性的影响 3 4 控制方案的决策 i o o5 圈3 4 结构变化对模糊控制 特性的影响 本课题控制方案部分主要针对直流电机，其模型参数具有时变性，导致用 具有相同参数的p i d 控制器控制同样被控对象时，可能出现系统性能变差或者 系统根本不稳定的现象，并且该汽车底盘模拟测功机的转鼓，选用的是钢板卷 筒，中间幅板的焊接结构，其直径为o = 1 5 9 1 5 r a m ，周长为5 m ，单个转鼓的 宽度d = 7 5 0 m m ，具有很大的转动惯量，这样难免会造成系统响应的滞后【2 8 1 。 基于上述论证，模糊控制较p i d 控制对被控对象模型参数变化自适应能力强， 适合于非线性、时滞后系统的控制的特点，提出控制核心部分采用模糊控制算 法来改变这一现状。 山东理工大学硕士学位论文 第四章模糊控制器的基本原理及应用 第四章模糊控制器的基本原理及应用 4 1 模糊控制系统的组成、原理及特点 4 1 1 模糊控制系统的组成 模糊控制系统的组成模糊控制属于计算机数字控制【2 9 1 【3 0 1 的一种形式。因此，模糊 控制系统的组成类同于一般的数字控制系统，其方框图如图4 - 1 所示。 厂一一一一一 模糊控制器 入撇 图4 - 1 模糊控翩系统框图 模糊控制系统一般可以分为四个组成部分： l 、模糊控制器：这是模糊控制系统的核心部分，也是和其它控制系统区别的 最大环节。模糊控制器由四个基本部分组成： ( 1 ) 模糊化：即把输入的精确量转化为模糊量。输入信号映射到相应论域 上的一个点后，将其转化为该论域上的一个模糊子集。 ( 2 ) 知识库：知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的目标，通常 由数据库和模糊规则库两部分组成。数据库主要包括各语言变量的隶 属度函数，尺度变换因子和模糊空间的分级等：规则库包括了用模糊 语言变量表示的一系列控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识。 ( 3 ) 模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，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 )反模糊化：作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际可 用于控制的精确量，它包括两部分内容：一是将模糊的控制量经反模 糊变换变成表示在论域范围的精确量：二是将表示在论域范围的精确 量经量程转变成实际的控制量。一 2 、 输入输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字 信号量。并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为 模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。 山东理工大学硕士学位论文第四章模糊控制器的基本原理及应用 3 、 广义对象：包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性或非线性的、 定常或时变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强 干扰的多种情况。 4 、 反馈量：反馈量是将被控对象或各种过程的被控制量通过传感器转换得到 的电信号( 模拟的或数字的) 。通过反馈量我们可以知道控制的效果及如何 对输入量进行调整。 还须指出，被控对象缺乏精确数学模型的情况适宜选择模糊控制，但也不排 斥有较精确的数学模型的被控对象，也可以采用模糊控制方案。 4 1 2 模糊控制的基本原理 模糊控制的基本原理【3 1 l 可由图4 - 2 表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚 线框中部分所示。模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现，实现一步模糊控制算 法的过程是这样的：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比 较得到误差信号e ( 在此取单位反馈) 。一般选误差信号e 作为模糊控制器的一个输入 揍期控制器 广 图4 - 2 模糊控制原理框图 量a 把误差信号e 的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差e 的模糊量可用相应的 模糊语言表示。至此，得到了误差e 的模糊语言集合的一个子集p ( p 实际上是一个 模糊向量) 。再由e 和模糊控制规则r ( 模糊关系) 根据推理的合成规则进行模糊决策， 得到模糊控制量。为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量转换为精确量， 这一步骤在图4 - 2 框图中称为非模糊化处理( 亦称清晰化) 。得到了精确的数字控制量 后经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制。然后 中断等待第二次采样，进行第二步控制。这样循环下去，就实现了被控对象的模 省銮璺王奎兰翌圭兰堡兰兰 量塑耋堡塑塞型矍塑董主量翌嚣坚2 糊控制。 综上所述，模糊控制算法可概括为下述四个步骤： ( 1 ) 根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择的系统的输入变量； ( 2 ) 将输入变量的精确值变为模糊量： ( 3 ) 根据输入变量( 模糊量) 及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量( 模 糊量) ； ( 4 ) 由上述得到的控制量( 模糊量) 计算精确的控制量，并传送给执行机构。 4 2 汽车底盘模拟测功机模糊控制器恤3 的设计 该系统模糊控制器的设计包括以下几项内容： ( 1 )确定汽车底盘模拟测功机测控系统模糊控制器的输入变量和输出变量( 即控制 量) ，即模糊控制器的结构确定； ( 2 根据汽车底盘模拟测功机的工作情况设计其控制系统模糊控制器的控制规则； ( 3 ) 对输入、输出变量进行模糊化及非模糊化。这里输出变量的模糊化及非模糊化 需要特别的处理： ( 4 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数( 如量 化因子、比例因予) ； ( 5 ) 编制模糊控制算法