（机械电子工程专业论文）基于fuzzytech的模糊控制理论应用研究.pdf

尚北 。业人学硕士学位论文摘要 摘要 本文以汽车检测行业中具有重要地位的汽车底盘测功机为研究对象，以底盘 测功机的控制系统为研究内容。汽车底盘测功机是车辆整车性能参数检测的大型室 内台架试验设备，通过模拟汽车在道路上行驶工况的行使阻力，进行汽车的动力性 检测、燃油经济性分析、排气污染物检测分析以及车辆动力性等有关检测。近年来 由于技术上的进步，以及国家对车辆性能要求的提高，颁布了相关标准，对汽车底 盘测功机的检测控制系统提出了更高的要求。 本文讨论了底盘测功机的工作原理和组成，并对控制系统进行分析，对其在 控制方式上的不足给予分析和说明。底盘测功机控制系统存在非线性、大滞后、 时变和数学模型不确定等特征，采取传统的p i d 控制，很难达到理想的控制效果， 因此有必要研究新的模糊控制策略。并对模糊逻辑，模糊控制和神经网络进行了 详细的研究，设计了模糊控制器。f u z z y t e c h 软件可以用于创建模糊系统，然后 用神经网络和样本数据对所创建的模糊系统进行训练、调试和优化，最后可以自 动产生c 语言程序代码，直接应用到系统的调试巾去。选用s p c o n 】m 控件在d e l p h i 环境中实现串行数据交换过程，完成了对f u z z y t e c h 的二次”发。并用d e l p h i 开发了上位机实验测控软件。 通过试验证明应用模糊控制技术的测功机控制效果较p i d 控制有明显改善。 利用f u z z y t e c h 进行模糊控制设计快速简单精确，可视化强，完全能够满足工程 技术人员的需要。 关键词：底盘测功机，模糊控制，神经网络，p i d 控制 西北l 业火学硕十学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ec h a s s i sd y n a m o m e t e rp l a y i n ga di m p o r t a n tr o l e i nt h ev e h i c l e t e s tl i n ei sc o n s i d e r e di nt h i sp a p e r 。c h a s s i sd 3 m m n o m e t e ri s t m g ei n d o o rt e s t i n g e q u i p m e n tf o rq u a n t i f i e dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r st h r o u g ht h es i m u l a t i o no fd r i v i n g r e s i s t a n c ei nt h es t a t u so f t h er o a d s ，i tc a nb eu s e df o rt e s tt h ei n p u t so f t h ev e h i c l e s 、f i l e l e c o n o m i ca n a l y s i s 、v e h i c l ee x h a u s te m i s s i o na n a l y s i sa n ds oo n ，i nr e c e n ty e a r s ，d u et ot h e t e c h n o l o g i c a li m p r o v e m e n t ，a sw e l la st h er e q u i r e m e n t so fs t a t e sf o re n h a n c i n gv e h i c l e p e r f o r m a n c ea n de n a c tt h er e l e v a n ts t a n d a i - d s c t m s s i sd y n a m o m e t e rc o n t r o ls y s t e m ss e t h i g h e rr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ew o r kp r i n c i p l ea n db a s i cs t r u c t u r eo fc h a s s i s d y n a m o m e t e r t h ec o n t r o ls y s t e mo fc h a s s i sd y n a m o m e t e ri su s e da sm a i nc o n t e n t a n da n a l y z e d t h ef l a wo fc o n t r o lp a t t e r ni sa n a l y z e da n di n t r o d u c e d t h ec o n t r o l s y s t e mo fc h a s s i sd y n a m o m e t e rp o s s e s s e sm a n yc h a r a c t e r i s t i c ，s u c ha sn o n l i n e a r i t y , l a r g et i m el a g ，t i m e v a r y i n ga n dn o n = a c c u r a t em a t h e m a t i cm o d e la n ds oo n i ti s d i f f i c u l tt oo b t a i np e r f e c tc o n t r o lp e r f o r m a n c ew h e nw ea d o p tc o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o l l e r , h e n c ew es h o u l df i n dn e wf u z z yc o n t r o ls t r a t e g y i ti sp a r t i c u l a rt or e s e a r c h i n t of u z z yl o g i c ，f u z z yc o n t r o la n dn e p a ln e t w o r ki nt h ep a p e r f u z z yl o g i c c o n t r o l l e ri sa l s od e s i g n e di nt h ep a p e r s o f t w a r ef u z z y t e c hc o u l db eu s e dt oc r e a t e af u z z yl o g i cs y s t e ma n dt h e nn e u r o f u z z yd e v e l o p m e n tt o o la n ds a n a p l ed a t at ot r a i n a n d o p t i m i z et h ef u z z yl o g i cs y s t e m a t l a s tf u z z y t e c hc a ng e n e r a t ec p r o g r a m m i n g l a n g u a g ec o d et ob eu s e di ny o u ra p p l i c a t i o n s p c o m mc o n t r o li su s e df o rs e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o n su n d e rd e l p h ie n v i r o n m e n t t h es o f t w a r ed e s i g nb a s e do nt h e s o f t w a r ef u z z y t e c hi sc o m p l e t e d at e s ta n dc o n t r o ls o f t w a r es y s t e mu s e si n a u t o m o b i l ec h a s s i sd y n a m o m e t e rw a si n v e s t i g a t e da n dm a n u f a c t u r e dw i t hd e l p h i7 , 0 t h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tf u z z yc o n t r o lb e t t e rt h a np i d c o n t r o li nc o n t r o lo fc h a s s i sd y n a m o m e t e r t h ep a p e ri l l u s t r a t e st h em a i na d v a n t a g e s o ff u z z y t e c h ，w h i c hi n c l u d ee a s yd e s i g n i n g ，h i g hp r e c i s i o na n dg o o dv i s u a le f f e c t k e yw o r d s ： c h a s s f sd y n a m o m e t e r ， f u z z yc o n t r o l ， n e u r a ln e t w o r k p i dc o n t r o l i i 西北i ：业火学硕士学位论文第章绪论 第一章绪论 汽车性能的测试不仅汽车制造行业十分关注，汽车修理行业以及车辆管理 部门对此十分重视，被公安、交通管理部门列为对车辆作定期检测时必须检测 的车况数据。因而汽车检测技术的重要性r 益突出，各种检测设备也应运而生。 作为大型实验设备，汽车底盘测功机可以模拟汽车道路试验的各种工况，完成 汽车的经济性试验、动力性试验、排放性能评价与分析、可靠性试验以及与汽 车传动系统有关的专项试验。它在汽车试验研究、产品丌发和新车及在用车质 量检测中足不可或缺的。使用汽车底盘测功机完成汽车道路试验及各类型的质 量检测与通常的道路试验相比具有试验速度快、精度高、费用低、数据稳定、 可比性好等优点。 1 1 选题来源和意义 本课题是基于深圳安车( 企业) 科技有限公司汽车底盘测功机，根据国家 新的检测标准，实施一套全新的控制方法。测功机新的控制系统最核心的部分 为设计一种新的控制算法，本论文要依据模糊控制理论以及神经网络理论，应 用f a z z y t e c h 软件研究和设计新的控制算法，以提高老型号测功机控制精度、 快速响应、稳定性、长时间无故障方面的性能。 新的国家标准对汽车底盘测功机测控系统提出了更高的要求，比如：程序 控制加载，在整车排气污染物检测中必须能够模拟连续变化的汽车运行情况的 道路行驶阻力进行加载( 如a s m 工况、市区运转循环、市郊运转循环等工况) 。 即要求测控系统必须具备通过软件控制加载的能力，并且动态响应好、控制速 度快、控制精度高。 1 2 汽车底盘测功机现状 汽车已成为人们工作、生活中不可缺少的一种交通工具。汽车在为人们造 福的同时，也带来大气污染、噪声和交通安全等一系列问题。因此，一方面要 不断研制性能优良的汽车：另一方面要借助维护和修理，恢复其技术状况。汽 车综合性能检测就是在汽车使用、维护和修理中对汽车的技术状况进行测试和 两北_ _ l 业人学硕士学位论文 第一章绪论 检验的一门技术。汽车底盘测功机就是汽车综合性能检测中的重要一项。 早在2 0 世纪5 0 年代，在一些工业发达围家就开始研制生产汽车底盘测功 机。随着科学技术的进步，国外汽车底盘测功机在智能化、自动化、精密化、 综合化方面都有新的发展，并不断应用新技沭开拓新的汽车底盘测功机领域。 我国2 0 世纪7 0 年代，我国大力发展了汽车检测技术。由交通部主持研制开发 了汽车底盘测功机。目前全国生产汽车综合性能检测设备的厂家已达6 0 多个， 除交通部门外，机械、城建、高等院校等部门也进入汽车检测设备研制、开发、 生产、销售领域。我国已能自己生产大型的技术复杂的汽车底盘测功机。我国 汽车底盘测功机经历了从无到有，从小到大；从引进技术、引进检测设备，到 自主研究开发推广应用。根据剥若干汽车检测站的调研情况来看，多数汽车检 测站的测功机不能完全满足新标准的要求，需要进行不同程度的改造。 我国目前的汽车底盘测功机在采用专家系统和智能控制方面与困外相比还 存在较大差距。在测功机的控制方法上，目前大多数产品采用模拟p i d 控制或 者数字p i d 控制。今后我们要在汽车底盘测功机智能化方面加快发展速度，在 控制系统中应采用专家控制、预测控制和模糊控制等等的先进控制技术。 1 3 模糊控制研究与应用现状 从2 0 世纪7 0 年代初同本就开展模糊控制的研究，1 9 7 2 年同本关东地区成 立了模糊系统研究会，1 9 8 0 年关西地区成立了模糊科学研究会，接着在1 9 8 9 年创建了国际模糊工程研究所( l i f e ) ，并且在这一年有关模糊技术的产品年产 值就达1 0 亿日元，其中真正以模糊技术为核心的产品约占1 亿日元。f 1 本在应 用方面最典型的成果有：仙台地铁的模糊控制系统；三菱、闷立和富士分别丌 发的电梯模糊控制系统；理光研究的声音模糊识别系统；日本电视硝子丌发的 玻璃熔化炉模糊控制系统；大日本涂料开发的彩色印刷图像评价系统：n t t 和 法政大学合作研制的模糊识别c a i 系统。在信息技术方面，日本己推出光模拟 计算机、模拟模糊计算机、数字模糊计算机、高速模糊推论用多路板、模糊信 息与文件检索系统、模糊数字网络系统、神经模糊推理系统等。日本将模糊控 制技术作为跨世纪的热点技术，几乎每天都有新的模糊控制产品问世。 美国的模糊工程是从美国宇航管理局( n a s a ) 开始的。n a s a 早在1 9 6 6 年就给z a d e h 提供经费，这是有意义的合作开始。目前，美国在模糊控制研究 方面仅次于日本。美国政府机构( 主要是美国国防部) 也开始致力于神经网络 和模糊逻辑的研究，除了休斯顿的约翰逊宇航中心把模糊逻辑应用于航天飞行 西北l ：业人学硕士学位论文第一章绪论 器的对接和姿态控制外，位于华盛顿特区的n a s a 格达特。j ! 航飞行巾心也把模 糊逻辑应用于机器人控制和图像处理，加州的n a s a 艾姆兹研究中心也在进行 信息处理的模糊应用研究。 欧洲对模糊逻辑的研究主要集中在模糊控制上。英国伦敦大学的m a m d a n i 教授于1 9 7 4 年首先把模糊理论用于锅炉和蒸汽机的控制，开创了模糊控制的先 河；1 9 7 6 年英国的r m t o n g 发表了第一篇有关模糊控制的论文；德国政府对 模糊控制技术的开发应用极为重视，并已投入8 亿美元进行模糊逻辑及相关技 术的研究，i n f o r m 公司是其主要研究单位之一，第三代模糊微处理器f u z z y 一 1 6 6 芯片就是由i n f o r m 公司和s i e m e n s 公司联合研制的。 f u z z v 一1 6 6 是一个具有推理命令、模糊化命令和解模糊命令的模糊芯片， 除了可使用a n s i c 或r i s c c 编辑器外，还可使用扩展了的软件 f u z z y t e c h 。该软件提供了一个完整的图形开发环境，而且，还可在转换到目 标硬件前对模糊系统进行在线模拟和优化。特别是应用神经网络技术可自动生 成模糊规则。因此，德国人自豪地称他们的这一代模糊微处理器为模糊瑰宝。 由于德国本身所拥有的先进工业技术和科研条件，因而就像生产著名的“莱卡” 照相机一样，在模糊控制技术的硬件方面也已毫不费力地走在了世界的前列。 我困在模糊理论和应用方面的研究起步较晚，但发展很快。1 9 8 1 年成立了 中国模糊系统和模糊数学学会，并创办了世界上第二种模糊专业学术杂志一模 糊数学。随着模糊理论及其技术的发展，该刊在t 9 8 7 年改名为模糊系统与 数学。目前我国已成为模糊数学研究的四大力量之一( 美国、西欧、同本及中 国) ，也是世界上模糊控制技术研究的领先者之一。近年来，我国也推出了电烤 箱、电烤柜模糊控制器、模糊控制燃气快速热水器。模糊控制自动恒温器、灯 光恒照度模糊控制器、模糊全自动洗衣机和模糊电饭锅等产品，标志着我国模 糊技术的应用研究也有了长足的进步。毫无疑问，十几年来，我国在模糊逻辑 控制的研究和应用开发上已达到了一定的规模，形成了高新技术领域的研究热 点技术。 1 4 本研究的主要工作 本研究以汽车底盘测功机为目标，研究模糊控制方法在汽车底盘测功机控 制系统中的应用。具体工作如下： ( 1 ) 对测功机工作原理，组成和控制系统进行分析论证。分析旧型号测功 机在控制方面的缺陷及不足，分析论证模糊控制算法实现的可行性。 3 曲北 ：业大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 研究模糊控制方法的基本理论，包括基本原理、模糊控制器设计与实 施控制的方法。同时也阐述了本研究涉及到的神经网络方法的基本理论和应用， 并分析了模糊控制和神经网络方法的结合运用，为模糊控制算法提供理论基础。 ( 3 ) 研究软件f u z z y t e c h 在模糊控制器设计，利用样本数据和神经网络， 针对控制器的性能实时调试和优化。解决了模糊控制策略的复杂的编程问题， 既保证了质量，又提高了开发速度。本用这个软件把优选出来的模糊控制策略 转化成c 语言的控制代码，并把这些代码与整个控制系统的代码融合起来。 ( 4 ) 利用d e l p h i 实现实验测试软件编程，也就是针对f u z z y t e c i l 的二次 开发。在控制系统中，用f u z z yr i e c h 完成模糊控制和数据分析。使用d e l p h i 7 0 完成了上位机测试软件的编程开发。 1 j h 北1 i 业人学硕士学位论文第二章汽车底盘测功机及其控制系统 第二章汽车底盘测功机及其控制系统 汽车底盘测功机是检验汽车性能最重要的台架试验设备，它通过滚筒和加载 没备来模拟汽车在道路行驶时的j l 况以检测汽车的动力性、燃料经济性、滑行性 能、车速表误差。经过特殊制造的底盘测功机还可以作为工况法测量排气污染的 加载设备；有电机反拖的底盘测功机还可以测量汽车底盘以及机架本身的损耗功 率。汽车底盘测功机可以取代大部分在道路上进行的性能项目。其目的是节约测 试时间、费用和燃油消耗，更重要的是便于控制测试条件，快速取得更可信的测 试结果。是汽车检测、调试、诊断时不可缺少的设备，广泛应用于汽车制造、修 理、检测行业。 2 1 底盘测功机的功能 底盘测功机是模拟汽车在道路上行驶时受到的阻力，测量其驱动轮输出功率 以及加速、粥行等性能的设备。有的底盘测功机还带有汽车燃料消耗量检测装置。 底盘测功机具有如下功能： 1 ) 测量汽车驱动轮输出功率。 2 ) 检验汽车滑行性能。 3 ) 检验汽车加速性能。 4 ) 校验车速表。 5 1 校验里程表。 6 ) 配备油耗仪的底盘测功机可以在室内模拟道路行驶，测量等速油耗。 2 2 底盘测功机的基本结构及工作原理 底盘测功机是一种不解体检测汽车性能的检测设备，它通过在室内台架上汽 车模拟道路行驶工况的方法来检测汽车的动力性，而且还可以测量多工况排放指 标及油耗。同时能方便地进行汽车的加载调试和诊断汽车负载条件下出现的故 障。底盘测功机分为两类，单滚筒底盘测功机，滚筒直径大( 1 5 0 0 2 5 0 0 m m ) ， 制造和安装费用久，但测试精度高；取滚筒底盘测功机滚简直径小( 1 8 0 5 0 0 m m ) ， 成本低，使用方便，但测试精度差。 坩北刚e 人学硕士学位 沦文 第二章汽车底盘测功机及其控制系统 2 2 1 汽车底盘测功机的基本结构 汽车底盘测功机由主动滚筒、从动滚筒、电涡流制动器、传感器、举升器( 或 滚筒制动器) 、飞轮、反拖电机( 选配) 、挡轮、标定装置、机架和控制柜、测 量及操作指示屏、主控微机等组成。机械部分整体布局采用平行直线布局，即滚 筒、电涡流机、飞轮等布置在一条真线上便于力的传递和安装。如图2 一i 所示。 i 訇2 一l 匠滚筒汽车底盘测功机布置示意图 2 2 2 汽车底盘测功机的工作原理 测量时，汽车驶上试验台、支承于主副滚筒之上，车轮驱动滚筒转动使之模 拟路面的行驶状态，在汽车轮胎和滚筒表面没有滑移的情况下，滚筒表而线速度 就是汽车的行驶速度，测量滚筒的转速就可以换算出汽车的行驶速度。汽车行驶 时的道路阻力是由电涡流测功机加载进行模拟，车辆的平移惯量和非驱动轮的转 动惯量由飞轮惯性系统进行模拟。当电涡流机的励磁电流和旋转外磁场相互作用 时，产生一个制动扭矩，反作用于滚筒表面，这个制动扭矩反力使定子随着转子 旋转方向摆动，通过力臂作用于s 型压力传感器之上，传感器输出模拟信号的大 小与制动力矩的大小成正比。滚筒转速的信号是由安装在主动滚筒的转速传感器 输出脉冲信号来完成的，脉冲频率的高低滚筒转速成正比。根据有关物理定理在 已知车速( 转速) 和牵引力( 扭矩) 的情况下根据下面的公式可求出功率p ： p ：f v 3 6 0 0( k w ) 式中：v 一汽车速度( k m h ) f 一牵弓i 力( n ) 当汽车在底盘测功机卜加速或减速运行时，汽车平移质量和旋转质量产生的 阿北工业大学硕+ 学位论文 第二章汽1 ：底棉：测功机及其控制系统 惯性阻力由飞轮组来模拟。当汽车进行变工况试验时，就需要将飞轮和滚筒结合 起来。根据被测车型科学的确定飞轮系统的转动惯量，对汽车加速能力和滑行距 离的测试精度具有重要意义，但限于制造条件测试台不可能设置太多的飞轮，同 时对于大多数车辆来说制造厂都没有提供旋转惯性质量的数据，所以仅仅靠增加 飞轮组数量来精确的模拟汽车惯性质量是不现实的。针对这一情况现有测功机控 制系统采用单只飞轮确定惯性当量系数或纯计算机软件模拟的方法来测量滑行 和加速性能。 2 3 汽车底盘测功机的构造 2 3 1 道路模拟系统 ( 一) 滚筒 ( 1 ) 滚筒直径：汽车底盘测功机所采用的路面模拟系统的滚筒一般是直径 为中1 8 0 4 0 0 m m 的钢滚筒，按其结构性是可分为两滚筒和四滚筒。所谓两滚筒 路面模拟系统由两根长滚筒组成，其特点是支承轴承，台架的机械损失少；所谓 四滚筒路面模拟系统由四根短滚筒组成，它较两滚筒多了四个支承轴承和一个联 轴器，在检测过程中，其损失较大。 ( 2 ) 滚筒的表面状况：滚筒的表面状况是指滚筒表面的加工方法和清洁程 度( 水、油和橡胶粉末的污染等) 。 汽车在干燥滚筒上的驱动过程是一个摩擦过程，总摩擦力有若干分力组成， 女口：f = = fm + fm ：； 式中：fm * 一接触面间的附着力； f 。一轮胎在滚筒上滚动变形时，由于伸张作用能量的差别而消耗的 能量，进而转化为阻止车轮滚动的作用力； 该两项分力取决于轮胎材料、结构和温度。 附着系数随速度增加而下降的原因较为复杂，一方面时由于滚筒圆周速度提 高，橡胶块与滚筒之间的嵌合程度越来越差，在未达到平衡状态之前便产生了滑 动和振动；另一方丽随着速度的提高，接触面的温度上升加快，很快在滚筒表面 形成了一层橡胶膜，降低了附着系数。 ( 3 ) 安置角：所谓汽车车轮在滚筒上的安置角是指车轮与滚筒接触点的切 线方向与水平方向的夹角。 西北一j ：业火学硕士学位论文 第二章汽车底盘测功机及其控制系统 安置角对滚动阻力的影响，根据车轮在滚筒上匀速旋转时的受力分析，台架 的滚动阻力系数随着安蔑角增大而增大。 试验过程对安置角的要求如下： a 车轮带动装有惯性飞轮的滚筒以最大加速度加速时，不得驶出滚筒，以确 定最小安置角； b 当台架滚筒制动后，保证车辆仍可驶出滚筒，以确定最大安置角。 在装有惯性飞轮及吸收装置加载的条件下，汽车以最大加速度加速时，确保 车轮不驶出滚筒，以确定其最小安置角。由于安嚣角与滚筒直径、中一1 2 , 距以及轮 胎尺寸有关，所以不同吨位级的汽车底盘测功机适应不同范围的轮胎尺叫。 ( 二) 功率吸收装置( 加载装置) ( 1 ) 底盘测功机功率吸收装置类型在汽车检测线所用的底盘测功机功率吸 收装置的类型有：电涡流式、水力式和电力式。 水力式功率吸收装置的可控性较电涡流式差，电力测功机的成本比较高，故 一般采用电涡流式功率吸收装置。 ( 2 ) 电涡流式功率吸收装置的基本结构分为水冷式和风冷式两种。 水冷式电涡流功率吸收装置其特点是： a 结构复杂、安装不便； b 较风冷式测量精度高； c 冷却效率高，适合持续运行工况使用； d 冷却水温度一般不超过6 0 ( 2 ，以防结垢、冷却水p h 值按说明书规定执行。 风冷式电涡流功率吸收装置其特点是： a 结构简单，安装方便； b 冷却效率低，不宜长时间运行，一般在高转速、大负荷下工作时间不宜超 过几分钟； c 冷却风扇在工作时消耗一定的功率，故应将此消耗的功率计入汽车底盘输 出功率。 ( 三) 惯性模拟装嚣 汽车在道路上行驶时汽车本身具有一定的惯性能，即汽车的动能；而汽车在 底盘测功机上运行时车身静止不动，是车轮带动滚筒旋转，在汽车减速工况时， 由于系统的惯量比较小，汽车很快停止运行，所以检测汽车的减速工况和加速工 况时，汽车底盘测功机必须配备惯性模拟系统。 汽车底盘测功机台架转动惯量是通过飞轮来实现的，目前由于对汽车台架的 惯量没有制定相应的标准，因而国产底盘测功机所装配的惯性飞轮的个数不同， 晒北1 _ ：业大学硕士学位论文 第二章汽乍底盘测功机及其控制系统 且飞轮惯量的大小也不同，飞轮的个数越多，则检测精度愈高。 2 3 2 底盘测功机采集与控制系统 ( 一) 车速信号采集 目前国内检测线用的汽车底盘测功机所采用的车速信号传感器可以分为以 下几个类型。 ( 1 ) 光电式车速信号传感器；汽车车轮在光滚筒上滚动时，带动光栅以一 定的转速旋转，光源连续发光，当光束通过光栅上的小孔时，光束照到光敏管上， 使它产生相应的电脉冲信号。此信号送入计数器即可得到被测轴的转速。车速信 号有两种，其一是单位时间计数( 频率) ，其二是测脉宽( 周期) ，两者均可得 到滚筒的转速信号，根据滚筒的半径及光栅盘上小孔的个数可得到车速信号。 ( 2 ) 磁电式车速传感器：它由旋转齿轮和永久磁铁及感应线圈等组成。汽 车车轮在光滚筒上滚动时，带动齿轮以一定速度旋转，当磁电传感器对准齿顶时， 磁电传感器感生电动势增强，同理，当磁电传感器对准菌稽时，磁电传感器感生 电动势减弱，由于磁阻的变化，磁电传感器输出的电压信号为交变信号。因信号 较弱( 一般在3 m v 左右) ，所以必须经过信号放大整形电路，将交变信号变为脉 冲信号，送入c p u 高速输入口( h s i ) ，以获取车速信号。 ( 3 ) ，霍尔传感器：汽车在滚筒上滚动时，带动转盘旋转，当霍尔传感器( 霍 尔元件) 对准永久磁铁时，磁场强度增强，产生霍尔效应，输出电压叮达l o m v ， 当霍尔传感器远离磁场时，输出电压降至o v ，这样可得到脉冲信号，送入c p u 高速输入口( h s i ) ，通过检测脉冲频率或周期，变可得到车速信号。 ( 4 ) 测速电机：汽车车轮在滚筒上滚动时，带动测速电机旋转，测速电机 产生的电压正比于滚筒转速，通过a d 采集可得到车速信号。 ( 二) 驱动力信号 汽车底盘测功机驱动力传感器可分为两种，其一是拉压传感器；其二是位移 传感器；它们一边连接功率吸收装置的外壳，另一边连接机体。 功率吸收装置在工作过程中，无沦是水力式、电涡流式，还是电力式功率吸 收装置，其外壳都是浮动的。以电涡流式为例，当线圈通过一定的电流时，就产 生一定的涡流强度。对转子来说，电磁感应产生的力偶的作用方向与其转动的方 向相反。当传动器固定后，外壳上的力臂对传感器就有一定的拉力或压力( 与安 装的位置有关) ，拉压传感器在工作时，传感器受力产生应变，通过应变放大器 可得到一定的输出电压，这样将力信号转变成电信号来处理，通过标定，可以得 商北1 i 业人学硕士学位论文 第二章汽车底盘测功机及其控制系统 到传感器的受力数值。 ( 三) 汽车底盘测功机控制系统 汽车底盘测功机的控制系统，是本论文研究的主要对象，将在下面的小节中 专门论述。 2 3 3 安全保障系统 安全保障系统包括左右档轮、系留装置、车偃、发动机与车轮冷风机，其作 用如一f ： ( 1 ) 左右档轮的目的是防止汽车车轮在旋转过程中，在侧向风的作用力的 作用下驶出滚筒，对前驱动车辆更应注意： ( 2 ) 系留装置是指地面上的固定盘与车辆相连，以防车辆高速行驶时，由 于滚筒的卡死飞出滚筒； ( 3 ) 车偃的作用之一是防止车辆在运行过程中，车体前后移动，同时也达 到与系留作用相同的功能： ( 4 ) 发动机与车轮冷却风机是防止车辆在运行过程中发动机和车轮过热。 2 3 4 引导与举升及滚筒锁定系统 ( 一) 引导系统 引导系统也称司机助手，其作用是引导驾驶员按提示进行操作。提示的方法 有两种。一种是显示牌，另一种是大屏幕显示装置。 ( 1 ) 显示牌一般是与计算机的串行通讯e 1 相连，当计算机对显示牌初始化 后，便可对显示牌发送a s c i i 码与汉字，以提示驾驶员如何操作车辆及显示检测 结果。 ( 2 ) 大屏幕显示器通过a v 转换盒与计算机相连，a v 转换盒的目的是将计算 机的数字信号转换成视频信号供电视机用。 ( 二) 举升装置 升降系统的类型较多，底盘测功机常用类型有： ( 1 ) 气压式升降机，它是由电磁阀、气动控制阀及双向气缸或橡胶气囊组 成，在气压力的作用下，气缸中的活塞便可上下运动以实现升降目的。 ( 2 ) 液压式举升装置通常由磁阀、分配阀、液压举升缸等组成。在液压作 用下，举升缸活塞向上移动，实现举升目的。 曲北：f ：业人学硕士学位论文第i 章汽车底盘测功机及其控制系统 ( 三) 滚筒锁止系统 棘轮棘爪式锁止系统装置，它由双向气缸、棘轮、棘爪、回位弹簧、杠杆及 控制器组成，通过控制器控制压缩空气的通断，当某一方向通气后，空气推动气 缸活塞运动控制棘爪与棘轮离合以达到锁i 妇3 i 放松的目的。 2 4 现有汽车底盘测功机的控制系统 2 4 1 汽车底盘测功机的控制系统 测功机本身就是一个带反馈的闭环系统。它可以通过加载装置不断地修正被 测车辆的速度( 扭矩) 以达到控制的目的。控制系统通过采集来的速度与扭矩信 号进行相应的p i d 控制，输出控制信号到可控硅整流模块，对电涡流制动器进行 控制调节，根据实际情况实现对恒速、恒扭矩的控制，进而实现汽车底盘输出功 率、底盘输出最大驱动力、滑行性能、车速表校验、里程表校验等项目的检测。 汽车在行驶过程中存在滚动阻力、加速阻力和坡道阻力，其中加速阻力是通 过惯性飞轮来模拟；通过台架模拟道路必须选用加载装置，要想控制它，就必须 知道控制电压及电流。电涡流式加载装置控制系统的框图如图2 2 所示。 图2 2 电涡流式加载装置控制系统框图 一北工业大学硕士学位论文 第二：章汽下底箍测功机及其控制系统 汽车底盘测功机控制原理如下： 整流系统将2 2 0 v 的交变电压转变为电涡流式加载装置所要求的励磁直流 电压u 。 将交变电压通过整流电桥将正弦波形变成馒头形波。如图2 3 所示。 u 到2 3 电桥作用示意幽 通过整流和稳压，将5 v 、1 2 v 电压作控制电路用。 给定控制方式( 恒速控制、恒扭控制) 。 将所选定的速度或扭矩信号与计算机( 或单片机) 输出的设定信号同时输 给p i d 板的电压比较器，由r i d 板输出加载控制信号( 加载或减载电压) 。 加载电压加在三极管放大电路的前端。 通过电容的充、放电使啦结管输出失脉冲以触发可控硅，其波形如图2 4 所示。 u 幽2 - - 4 可控硅控制波形图 将可控硅的输出波形加在电涡流加载装置的两端，使其控制系统成为7 个 控制电压大小的仪器，同时也控制电涡流测功机的电流大小。 续流二极管的作用是消除电涡流加载装置的自感电流。 过载保护装置是防止加载电流过大，当电流达到设定值时，继电器断开， 西j ：业人学硕士学位论文第二章汽乍底盘测功机及其控制系统 使电路停止工作。 2 4 2 现有汽车底盘测功机的控制系统的不足 由于旧型号的测功机控制采用上位机w i n d o w s 下软件控制的方式，其数字与 模拟量的输入采集采用数据采集卡8 1 2 卡，计数定时采用具有x t a t 总线的 6 2 2 0 卡，电路中放大、调零、滤波环节较多，各环节时问常数较大。控制主要 由软件来完成，主要问题出在加载的稳定性、中问数据不足、测量结果不致等。 由于采用这干 r 型式，导致控制实利响应速度慢、控制精度低，软件结构复杂、可 维护性差。p i d 控制对数学模型依赖性比较强，p i d 调节需要熟练的操作人员对 其管理和调试，调节好的参数会出于时间、温度、环境、控制对象等外界因素变 化而改变，p i d 或者p i 参数确定好之后，只对调整时的被控对象或者同类型的 被控对象有较好的控制效果，如果被控对象有所变化( 比如不同类型的车辆或者同 类车辆的工况不同) ，就起不了理想的控制效果。整个系统的性能、不稳定因素的 积累，会导致无法正常测量或者导致错误结果。 2 5 新型汽车底盘测功机控制系统 图2 5 新型测功机的 j 作流程雨1 总体结构 j j q 北l 业人学硕：b 学位论文第二章汽1 ：底盘测功机及其控制系统 测功机控制采用上位机w i n d o w s 下软件控制的方式，导致控制实时响应速度 慢、控制精度低，软件结构复杂、可维护性差。当前国家逐步准备采片j 多工况的 方式测量汽车排放，对测功机提出了快速响应、高精度的要求，而老型号测功机 由于先天不足，难以满足这些要求，因此需要开发新型测功机控制系统，因而就 涉及到模糊控制算法的研究与设计。新系统实现后，大大提高测功机工作的稳定 性，满足高精度和快速响应的要求，使整个系统的结构清晰、丌发简单，降低系 统的开发和维护成本，并能适应目前国内外各种工况测试标准中对测功机的要 求。新型测功机的总体结构如图2 5 所示。系统对测功机的反拖电机和涡流机 进行集中控制，根据一卜- 位机发出的命令和当前系统的状态( 速度、牵引力、反拖 扭力) ，对反拖电机和涡流机进行实时可靠的控制，快速达到上位机所需要的状 态，并可根据上位机所给车辆参数，对加速和减速进行适当的惯量模拟。 图2 6 新型测功机控制方案 新型测功机控制方案如图2 - 6 所示。系统的基本功能是完成对涡流机和变 频电机的稳定、快速控制，并对各种有关数据进行实时采集，进行滤波处理，达 到精确的功率控制和惯量模拟的目的。并可方便地和外部进行通讯，协调地完成 整个系统的运行。 本文提出采用模糊控制技术来替代传统的p i d 控制。模糊控制是智能控制的 个重要分支，并且它的最大特征是，能将操作者或专家的控制经验和知识表示 成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。然而模糊控制的控制 效果取决于几个关键的参数，主要是隶属函数、模糊控制规则表及比例因子。传 统的确定参数的方法是通过人工特别是专家的经验和实际应用中的调整，存在很 大的主观性和随意性。神经网络是模仿延伸人脑认知功能的新型智能信息处理系 1 4 曲北1 ：业入学硕士学位论文第二二章汽车底赫测功机及其控制系统 统。生物神经网络具有巨大的并行性，即所有的神经能同时：l ：作。神经网络具有 自学习、自适应和自组织性能，具有处理非常模糊、复杂问题的能力。模糊神经 技术是模糊控制和神经网络系统相结合，扬长避短，利用神经网络技术来进行模 糊信息处理，通过学习从给定的经验训练中生成控制规则，充分利用了其自组织、 自学习能力，使得模糊规则的自动提取及模糊隶属函数的自动生成。 本文主要针对测功机的模糊控制算法展开研究，采用f u z z y t e c h 软件可以用 于创建模糊系统，然后用神经网络和样本数据对所创建的模糊系统进行训练，完 成在线调试和优化，最后可以自动产生c 语言程序代码，直接应用到系统的调试 中去。 如图2 7 所示，通讯接口用于接收数据采集卡传来的数据，通过实验测试 软件转换成f u z z y t e c h 模块可接收的形式传给f u z z y t e c h 模块；而且实验测试软 件接收f u z z y t e c h 模块的数据；接收显示模块的指令，并传给数据采集卡。 f u z z y 、e c h 模块主要对数据进行模糊化处理，并返回处理结果。 吲 f u z z y l g c h 簿 电鳞“醚。嚣蒜鬻嚣麟ii i j g 蠢i * 露。；耋| 五鞭黼穗：撕x 弋夕 实验测试软件 彳f j d 数据采集k 1 3 a t 涡流机0 一 l j测功机台体 加载控制l 图2 7 利用f u z z y t e c h 完成模糊控制示意图 系统实现后，大大提高测功机工作的稳定性，满足高精度和快速响应的要求， 通过和上位机的配合，使整个系统的结构清晰、开发简单，降低系统的开发和维 护成本。并能适应目前国内外各种工况测试标准中对测功机的要求。 艇北工业火学硕士学位论文第j 章模糊控制的理论基础 第三章模糊控制的理论基础 模糊控制是建立在人工经验基础之上的。对于一个熟练的操作人员，往往凭 借丰富的实践经验，采取适当的对策来巧妙地控制一个复杂过程。若能将这些熟 练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语占表达出来，就会得到一种定性的、 不精确的控制规则。如果用模糊数学将其定量化，就转化为模糊控制算法，从而 形成模糊控制理论。 3 1 模糊控制 3 1 1 模糊控制原理 美国加州大学的l a z a d e h 教授在1 9 6 5 年发表了著名的论文中首次提出 表达事物模糊性的重要概念：隶属函数，从而突破了1 9 世纪末笛卡尔的经典集 合理论，奠定模糊理论的基础。1 9 6 6 年，r n m a r i n o s 发表模糊逻辑的研究报告， 1 9 7 4 年，l a z a d e h 发表模糊推理的研究报告，从此模糊理论成了一个热门的 课题。 1 9 7 4 年，英国的e h m a m & m i 首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上 第一个实验性的蒸汽机控制，并取得了比传统的直接数字控制算法更好的效果， 从而宣告模糊控制的诞生。1 9 8 0 年丹麦的l e h o l m b l a d 和o s t e r g a r d 在水泥窑 炉采用模糊控制并取得了成功，这是第一个商业化的有实际意义的模糊控制器。 事实上，模糊理论应用最有效最广泛的领域就是模糊控制，模糊控制在各种 领域出人意料的解决了传统控制理论无法解决的或难以解决的问题，并取得了一 些令人信服的成效。 模糊控制尚无统一的定义。从广义上，可将模糊控制定义为：“以模糊集合 理论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一类控制方法”，或定义为“采用模糊 集合理论和模糊逻辑，并同传统的控制理论相结合，模拟人的思维方式，对难以 建立数学模型的对象实施的一种控制方法”。 模糊控制的基本思想： 把人类专家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) t h e n ( 作用) ”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 1 6 幅北1 一业火学硕士学位论文 第一章模糊控制的理论基础 控对象或过程。控制作用集为一组条件语句，状态语句和控制作用均为一组被量 化了的模糊语言集，如“正大”，“负大”，“正小”，“负小”，“零”等。 模糊控制理论具有一些明显的特点： ( 1 ) 模糊控制不需要被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控对象的 控制经验为依据而设计的控制器，故无须知道被控对象的数学模型。 ( 2 ) 模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法。模糊控制采用人类思 维中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出。 这些模糊量和模糊推理是人类智能活动的体现。 ( 3 ) 模糊控制易于被人们接收。模糊控制的核心是控制规则，模糊规则是 用语言乘表示的，如“今天气温高，则今天天气暖和”等，易于被一般人所接受。 ( 4 ) 构造容易。模糊控制规则易于软件实现。 ( 5 ) 鲁棒性和适应性好。通过专家经验设计的模糊规则可以对复杂的对象 进行有效的控制。 到目前为止，模糊控制主要应用在动力系统控制、智能机器人和交通管理系 统。近年来，模糊控制在水质控制、船舶自动驾驶、锅炉控制等方面也有广泛应 用。 模糊控制虽然是一种新的控制方式，但是它遵循一定的科学规律和法则。所 以，模糊控制具有一种与之相应的机制和原理。模糊控制以模糊集合论、模糊语 言变量及模糊逻辑推理为基础，1 模拟人的近似推理和决策过程。目前，在工业上 投入运行的模糊控制器，大都由一组模糊规则组成，通过定的模糊推理机制确 定控制作用。大量的工程实践表明，模糊控制主要适用于那些由于非线性和其它 建模复杂性引起的结构或参数末建模的系统的控制。同基于精确数学模型的控制 方法相比，模糊控制在处理不精确与启发式知识、控制具有高度不确定性的复杂 系统时具有明显的优越性。 模糊控制的主要缺陷： 信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差，若要提高 精度则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不 能实时控制。模糊控制的没计尚缺乏系统性，无法定义控制目标，控制规则的选 择，论域的选择，模糊集的定义，量化因子的选取多采用试凑法，这对复杂系统 的控制是难以奏效的。 模糊控制系统是一个由模糊控制器、被控对象、检测和反馈部件组成的自动 控制系统。模糊控制系统在结构框图上和传统的控制系统是一样的。它们最大的 区别在于传统控制系统用的控制机理是经典或现代控制理论，而控制器是一般的 i j l l i l ；i n t ：人学硕士学位论文第三章模糊控制的理论基础 数字控制器，模糊控制系统用的是模糊推理机制，控制器是一个模糊控制器。 模糊控制系统在结构框图上虽然和传统的相同，但在具体实践中的机理和控 制器不同，因此有一定的特殊性。模糊控制系统还有一般系统、自组织及自学j j 系统的区别。 3 1 2 模糊控制器 对于个系统而言，模糊控制在控制系统中所表现的具体形式是模糊控制 器。模糊控制从系统的结