汽车底盘模拟测功机测控系统的研究与开发

1、山东理工大学硕士学位论文汽车底盘模拟测功机测控系统的研究与开发姓名：夏大兴申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：张为春20050510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，再通过对经典和模糊控制性能进行分析和研究，结合原有系统中采用控制技术存在的由于转鼓惯基大而弓起的控制精度低、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。找出了板卡的输出

2、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。最后采用解放型汽车对该系统进行了试验，结果表明该系统增强了一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

3、力模拟生耋罂王查耋璧圭：竺兰銮茎銮釜兰，一，：，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

4、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；争时间巧车月日时嗡一譬年月）山东理工大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论序言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【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【。研究的意义在我国，个人购车已成为趋势。年我国人均国民生产总值为元，按可比价格计算增长，并保持平稳增长，已达到进入家庭的起步阶段。据统计，年我国汽车产销量分别为万辆和万辆，比上年分别增长和。其中，轿车产量为万辆，增长，销售万

5、辆，增长。轿车所占比重接近，比年前提高十几个百分点。年，我国汽车产量为万辆，其中轿车产量仅为万辆，轿车在全部汽车产量中所占的比例不到。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万辆大关，达到万辆，增长。轿车产量更是增长了，首次突破百万辆大关，达到万辆，轿车比重达到。年，这一“井喷”行情得以持续。当年生产各类汽车万辆，销量万辆，分别增长和。其中轿车的增长更是令人吃惊。产量达到万辆，销量达到万辆，分别增长了和。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

6、销增幅较上年有较大回落，但是在年产销多万辆较高的情况下，年仍能保持左右的增长，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。！自日女日口日！自目山东理工大学颂士学位论文第一章绪论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

7、省大量的外汇。国内外的研究现状汽车底盘模拟测功机（村）分为：（）汽车工业用的；（）汽车使用与维修企业用的：（）环保测量汽车排放专用。目前，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，年仅用于环保汽车排放检测工作中的，即高达台以上，而美国野马公司（）宣称，其测功机产量高达每周台。目前中国共有汽车、摩托车维修企业总数约万户，其中一类维修企业，约户，根据交通部关于汽车维修设备配置的规定，一类维修企业及级综合性能检测站均必须配置，加上汽车制造厂、技术开发中心、环保排放检测站、站等在内，中国在未来年的需求量大致在万台。市场总额接近万

8、亿元（仅按国产设备均价万元台计），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（）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。测功机模拟过程首先将试验”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。图卜所示为型解放汽车在

9、测功机上试验。当耋詈三查兰璧圭兰皇鲨銮耋要垡耋图卜所示为型解放汽车在测功机上试验直流测功机【及电气系统由国产直流测功机（型号为，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】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、

10、光电隔离脉冲计数板、研华（）工业控制计算机、多路信号处理器及分配器、研华及一数据采集板等组成。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）。自！一，自山东理工大学硕士学位论文第一章绪论圈汽车底盘模拟测功机总控制台课题的研究内容我校投入经费余万元在期间“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【】，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年代的水平。但受当时各种条件的限制，原有测控微机采

11、用工控机，运行速度慢，原有测控软件系统采用语言编程，在状态下运行，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，控制比例。、积分、微分参数选择不够适当，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对该系统测试软件【】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：（）设计一个适应该测功机的模糊控制器，从而进一步提高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。（）针对上述提出的数据采集软件部分出现的问题，对该

12、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汽车底盘模拟测功机总控制台课题的研究内容我校投入经费余万元在期间“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【，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年代的水平。但受当对各种条件的限制，原有测控微机采用工控机，运行速度慢，原有测控软件系统采用语言编程，在状态下运行，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，控制比例。、积分、微分参数选择不够适当，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

13、对该系统测试软件】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：（）设计一个适应该测功机的模糊控制器，从而进一参提高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。（）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（）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。（）设计测控系统软件界面，使操作更简便。（）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。（）通过试

14、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

15、。（见图）图型车辆底盘模拟测功机基本结构简图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。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型布置、型布置及型布置。由于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【功器具有很好的匹配，即一台测功机可以测试多种型号

16、的汽车性能。本课题选用了型布景，采用了解放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，器周长为。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

17、热喷涂处理，使之附着系数达到以。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：（）控制系统的精度高、响应性能好；（）低速转矩特性好：（）可用于倒拖试验：（）可模拟低行驶阻力；（）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。（）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

18、用哈尔滨电机厂生产的容量为的直流测功机。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

19、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【。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，与副调节器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。的每图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

20、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，副调节器以，。，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，输出调节量用作系统的调节输出量，其原理框图如图，下面来讨论其可行性及其实施手段。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，本系统总菸设计有二、÷、言、詈、詈、古、三九个本系统总菸设计有上、扣扣扣苎九个档位可供选择，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

21、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，副调节器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，如图所示。系统的给定值由给定单元（）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

22、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，

23、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，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数模转换环节输出模拟调节量。，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的输出信号

24、，。，与三一起进入励磁电源柜上的副调节器，在其完成模拟量的模糊控制调节后，输出模拟调节量然后用。驱动可控硅励磁电源的触发单元，再由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、触发单元、可控硅整流单元、励磁线圈回路、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

25、信号也可以选择试验台架上的车速传感器的输出信号（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，进出口配置有与转换接口电路，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第三章控制方案论证控制控制是工

26、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。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。在控制算法中，存在比例、积分、微分种控制作用。比例控制作用对系统误差及时响应，使控制的

27、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，应用的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

28、，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【，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【】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参数，算法本身也有它的局限性和不足，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，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，而且算法只有在系统模型参数为非时

29、变的情况下才能获得理想当銮堡三奎兰要圭兰兰兰能会变差，甚至不稳定。釜三耋耋翌垄耋鎏兰在工程上，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

30、围变化且具有较强非线性环节的系统，常规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各参数，这给工程现场调试人员带来很大的不方便。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的控制系统【，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

31、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（输入语言变量模糊子集）、（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【。模糊控制具有以下特点：（）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

32、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：（）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（）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：（）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：（）模糊控制是基于启发性知识及

33、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；（）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

34、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（）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。模糊控制和控制性能的比较为了便于模栅控

35、制和控制进行比较，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【。山东理工大学硕士学位论文一第三章控制方寮论证乃十一。（）（）（正）（正）一（）（，）（正）（正）控制特性的比较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（，】八一，（）图参数变化对控制特性的影响图结构变化对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、图、图、图所示。从上图中可以看出，模块控制较之控制不仅对被控

36、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。一图参数变化对模糊控制特性的影响圈结构变化对模糊控制特性的影响控制方案的决策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，周长为，单个转鼓的宽度，具有很大的转动惯量，这样难免会造成系统响应的滞后【。基于上述论证，模糊控制较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

37、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模糊控制系统的组成、原理及特点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【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，其方框图如图所示。厂一一一一一模糊控制器入撇图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：、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：（）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。（）知识库：知

38、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。（）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。）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、输入输出接口装置：

39、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。、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

40、以采用模糊控制方案。模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理【可由图表示，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（在此取单位反馈）。一般选误差信号作为模糊控制器的一个输入揍期控制器广图模糊控制原理框图量把误差信号的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差的模糊量可用相应的模糊语言表示。至此，得到了误差的模糊语言集合的一个子集（实际上是一个模糊向量）。再由和模糊控制规则（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

41、的控制，还需要将模糊量转换为精确量，这一步骤在图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糊控制。量塑耋堡塑塞型矍塑董主量翌嚣坚综上所述，模糊控制算法可概括为下述四个步骤：（）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；（）将输入变量的精确值变为模糊量：（）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）；（）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

42、。汽车底盘模拟测功机模糊控制器恤的设计该系统模糊控制器的设计包括以下几项内容：（）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；（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；需要特别的处理：（）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（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）；（）编制模糊控制算法的应用程序；（】合理选择模糊控制器算法的采样时间。汽车底盘模拟测功机控制器的任务在设计该汽车底盘模拟测功机测控系统模糊控制器前，我们先对该控制系统要完成

43、的任务做个简单的介绍。汽车底盘模拟测功机的目的就是要在实验室里模拟出汽车在普通路面上行驶时的行车工况，也就是在汽车底盘测功机的转鼓上模拟出汽车在普通道路上行驶时的行车阻力【口引。而汽车在普通道路上行驶时的阻力曲线与在汽车底盘测功机上行驶时的所受阻力曲线如图所示。图中曲线为汽车在公路上行驶时的阻力曲线，曲线为汽车在汽车底盘测功机转鼓上行驶时的阻力曲线。由图可知，在汽车底盘模拟测功机上模拟的本质就是使图中曲线与曲线重合。而这就是该控制系统所要做的。当然要使曲线完全与曲线重合是不可能的。而两者越接近则说明该控制器的控制精度越高。生耋耋王查兰登圭兰些鎏兰阻力（）茎璺耋鉴塑兰型矍塑量主里墨墨窖量：速度（

44、）图汽车在两种情况下的阻力测功机模糊控制器的结构确定模糊控制器的控制规则一般是根据人的手动控制规则提出的，而在手动控制中，人所能获取的信息量基本为三个，即误差、误差的变化及误差变化的变化量，因此模糊控制器的输入变量一般也取这三个。模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制的维数。一维模糊控制器只以误差为输入变量，很难反映过程的动态特性品质，它通常用于一阶被控对象，其动态性能不佳。三维模糊控制器从理论上讲控制精度较高，但模糊控制规则过于复杂，算法实现困难。以误差和误差的变化作为输入变量的二维模糊控制器，由于能够较严格地反映受控过程中输出变量的动态特性，而控制规则和算法又相对简单，因此这类结构的模糊控制

45、器目前被广泛采用。本课题的控制器选择的是二维模糊控制器。见图。一。模糊控制器一囝二维模糊控制器结构它的输入语言变量为被控量与给定值的误差和误差变化率。本课题中二维模糊控制器的工作过程如下：（）该系统通过一采集需要的数据，再通过软件计算出输入变量（即误差及误差的变化）和必（）再将输入变量根据相关的条件模糊化：（）根据输入变量和模糊控制规则，按模糊推理合成规则，计算出模糊控制量；（）由模糊控制量计算出精确的控制量乩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汽车底盘模拟测功机模糊控制器的输入有车度（，）、车度变化率（，）、转矩（，）、转矩的变化率（，），输出为一的输出电压。该系统是一个

46、多输入单输出的多变量模糊控制系统。模糊控制器输入、输出变量的模糊化模糊控制规则的设计控制规则的设计是设计模糊控制器的关键，一般包括三部分设计内容：选择描述输入输出交量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则口钉【、选择描述输入和输出变量的词集模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入输出变量状态的一些词汇（如“正大”、“负小”等）的集合，称为这些变量的词集。根据人们的习惯，一般都选用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的状态。考虑到正、负两个方向及零状态，共有七个词汇，即（负大，负中，负小，零，正小，正中，正大）用英文字头缩写为（，）有

47、时可以根据需要，将描述其状态词汇中的“零”分为“正零”和“负零”，这样的词集变为（负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大），）描述输入、输出变量的词汇都具有模糊特性，可用模糊集合来表示。因此，模糊概念的确定问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。本课题中的输入变量分为八级，输出为七级。、定义各模糊变量的模糊子集定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。隶属函数是模糊集合应用于实际问题的基础，正确构造隶属函数是能否用好模糊集合的关键。然而目前确定隶属函数还没有成熟有效的方

48、法，仍然停留在依靠经验确定，然后再通过试验或计算机模糊得到的反馈信息进行修正。我们知道，不同的人根据自己不同的经验对同一个问题所作的判决是不同的，但是它们却往往都能根据自己的经验比较好地控制同一个系统。在实际应用中，与此类似，虽然用不同方法确定了生童些王查兰璧圭兰竺鎏兰期目标。苎竖耋篓塑堡型兰墼耋主量耋墨窖里不同的模糊集合的隶属函数，在一定范固内，模糊逻辑控制却都能实现控制，达到预常见的隶属函数有三角形（），梯形（）及正态分布型等。实际上根据模糊统计方法得到的隶属函数通常都是正态分布型的，所以三角形隶属函数并不是最佳函数，只是一种近似。经过计算机模拟试验发现，隶属函数的形状会很微妙地影响着整个模糊控制系统的过程。燃燃图三角形隶属函数、建立模糊控制器的控制规则本课题对几种隶属函数的特点进行比较，发现三角形隶属函数已能满足要求。并且可以简化运算，最后确定选用三角形隶属函数。如图。模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制镱略又是人们通过学习、试验以及长期经验积累而逐渐形成的，存储在操作者头脑中的一种技术知识的集合。手动控制过程一般是通过