模糊控制算法在汽车中的应用综述

模糊控制算法在汽车中的应用综述摘要：模糊控制应用于没有精确数学模型的对象,具有很大的优越性。随着模糊控制技术的不断开展,它越来越广泛应用在汽车上,本文分别介绍模糊控制的原理及特点，在ABS系统、汽车巡航系统、汽车空调的使用情况,并介绍各个模糊控制系统的组成。关键词：汽车；模糊控制；ABS系统；汽车巡航系统；汽车空调ApplicationofFuzzyControlAlgorithminMotorVehicleZHANGZhen-hua(CollegeofAeronauticalManufacturingEngineering,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)Abstract：Fuzzycontrolisappliedtotheobjectwithoutaccuratemathematicalmodelhasgreatsuperiority.Withthecontinuousdevelopmentoffuzzycontroltechnology,itiswidelyusedinautomobile.ThispaperintroducestheprincipleandcharacteristicsoffuzzycontrolinABSsystem,automobilecruisecontrolsystem,theuseofautomotiveairconditioning,andintroducesthevariouscomponentsofthefuzzycontrolsystem.Keywords：Thecar;fuzzycontrol;anti-lockbrakingsystem;Thecarcruisesystem;automotiveairconditioning引言传统的常规控制方法是基于被控对象的数学模型根底上的，然而某些情况下我们难以精确地建立起被控对象的数学模型，因而难以对被控对象进行精确地控制。为此可以采用一种基于语言规那么与模糊推理的高级控制策略即模糊控制对多变量、非线性、不确定的复杂系统进行有效控制。此方法在汽车的系统控制中得到有效应用。模糊控制理论开展初期在西方遇到了很大的阻力,西方学者认为模糊控制在应用研究中意义不大。然而,在东方尤其是日本,模糊控制却得到了迅速的开展,20世纪80年代,日本的工程师用模糊控制技术首先实现了对一家电子水净化工厂的控制,又开发了仙台地铁模糊控制系统,创造了当时世界上最先进的地铁系统,而这引起了模糊控制领域的一场巨变,使得西方又开始重视模糊控制理论[1]。早在七十年代中期,我国就开始了智能控制的研究和应用,并且取得了许多应用成果,我国是最早把模糊理论引入气象预报、地震预测和高炉冶炼控制等方面应用的国家之一。例如,在地震发生趋势预测中对模糊信息的处理在工程设计方面开展了软件理论,并求得最正确设计方案研究出许多专家系统,特别是运用模糊数学方法描述中医经验在交通网、水管网、通信网、可靠性分析方面的实际功能运用等。随着科学技术的不断开展和进步以及人们生活水平的提高,人们在日常的生活和劳动生产中对空气环境的要求也不断提高,特别是对空气的温度、湿度、以及洁净度的要求,使空调系统的应用越来越广泛。空调控制系统涉及面广,要实现的任务复杂,它通过空调系统为建筑物的不同区域提供满足不同使用要求的环境。在满足用户对空气环境要求的前提下,采用先进的控制策略对空调系统进行控制,到达控制要求并且节约能源成为空调控制系统的最终目标。特别是近几年来,“绿色建筑”、“环保建筑”的提出,使得对空调控制系统的控制模式的研究显得尤为重要。现阶段的中央空调系统的控制几乎仍采用传统的控制模式。传统的控制模式主要存在以下几方面的问题：①传统的控制理论都是建立在以微分和积分为工具的数学模型之上的,而实际的中央空调系统难以建立精确的数学模型,即使建立了数学模型,面对不同的环境条件和不同的室内负荷,控制效果也许并不理想②在实际工程中,被控对象是非线性、大滞后的复杂系统。数学模型的难以建立,系统工作点变化频繁等因素都是传统控制理论无法解决的③传统的控制系统输入信息比拟单一,而现代的复杂系统要以各种形式视觉的、听觉的、触觉的以及直接操作的方式,将周围的环境信息作为系统输入,并将各种信息进行融合、分析和推理,相应地采取对策或行动。对这样的控制系统就要求有自适应、自学习和自组织的功能,因而需要新一代的控制理论和技术支持。洁净空调的主要控制参数有含尘量、风速、换气次数、室内压力、温度、湿度。而受各种因素的影响,目前所采用的控制方式仍以控制为主,控制能够满足现阶段大多数场合下洁净空调的控制要求。但是对于被控对象具有非线性、大滞后等特性,或者对于更加严格的控制参数和节能的要求,采用单一的PID不能满足控制要求,在这种情况下,将模糊控制引入到了洁净空调控制系统中。控制理论开展的特点之一是受到来自相关学科领域的影响很大。具有代表性的是神经网络七刀和模糊控制。年在伦赛卢尔工业学院召开了智能控制专题讨论会,讨论了智能控制学科的形成问题,会后成立了控制系统学会下属的智能控制技术委员会。以实例说明智能控制,提出用专家方法解决智能控制。年月在费城的德雷克塞尔大学召开了由控制系统学会和计算机学会联合举办的智能控制国际研讨会,会议总结了主要研究成果,提出智能控制结构的设想。综上,智能控制技术开展迅速,并且越来越受到人们的关注,其应用领域也在不断扩大,它代表着控制理论的开展方向,因此,在不久的将来,将有更多的领域引入智能控制技术,智能控制现在还处于初步开展阶段,具有很大的开展潜力和研究价值。智能控制在其它领域的成功应用为智能控制技术在洁净空调温度控制系统中的应用提供了可靠的理论根底和实践经验,因此智能控制技术在洁净空调温度监控系统中的应用研究是可行的并且具有研究价值。1、模糊控制理论概述1.1什么叫模糊控制？所谓模糊控制，就是对难以用已有规律描述的复杂系统，采用自然语言〔如大、中、小〕加以表达，借助定性的、不精确的及模糊的条件语句来表达，模糊控制是一种基于语言的一种智能控制。1.2为什么采用模糊控制？传统的自动控制控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型(即传递函数模型或状态空间模型)的根底上，但是在实际中，很多系统的影响因素很多，油气混合过程、缸内燃烧过程等)，很难找出精确的数学模型。这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大。因为模糊控制不用建立数学模型不需要预先知道过程精确的数学模型。要研制智能化的汽车，就离不开模糊控制技术如汽车空调：人体舒适度的模糊性和空调复杂系统。1.3工作原理模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言及模糊逻辑为根底的控制，它是模糊数学在控制系统中的应用，是一种非线性智能控制。模糊控制是利用人的知识对控制对象进行控制的一种方法，通常用“if条件，then结果”的形式来表现，所以又通俗地称为语言控制。一般用于无法以严密的数学表示的控制对象模型，即可利用人(熟练专家)的经验和知识来很好地控制。因此，利用人的智力模糊地进行系统控制的方法就是模糊控制。图1模糊控制原理图1.4模糊控制的特点模糊控制(Fuzzy

Control)是以模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为根底的一种计算机数字控制。模糊控制同常规的控制方案相比，主要特点有：(1)模糊控制只要求掌握现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据，不需要建立过程的数学模型，所以适用于不易获得精确数学模型的被控过程，或结构参数不很清楚等场合。(2)模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规那么只用语言变量的形式定性的表达，不用传递函数与状态方程，只要对人们的经验加以总结，进而从中提炼出规那么，直接给出语言变量，再应用推理方法进行观察与控制。(3)系统的鲁棒性强，尤其适用于时变、非线性、时延系统的控制。(4)从不同的观点出发，可以设计不同的目标函数，其语言控制规那么分别是独立的，但是整个系统的设计可得到总体的协调控制。它是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性问题的一种有效方法，同时也构成了智能控制的重要组成局部[2]。2、模糊控制在汽车的应用方面2.1ABS防抱死系统汽车防抱制动系统(简称ABS系统)实质上是一种制动力的自动调节装置,能大大改善汽车的行驶平安性。汽车在制动过程中,车轮未抱死前,地面制动力始终等于制动器制动力,此时制动器制动力全部转化为地面制动力;车轮抱死后制动力等于地面附着力,不再随制动力的增加而增加。模糊控制属于智能控制,在被控对象的模糊模型的根底上,运用模糊控制器近似推理手段,实现系统控制。成熟的ABS产品都是基于经验的车轮加减速度门限值的控制方法,采用串行的逻辑判断,容易发生逻辑冲突的问题。而模糊控制将所有逻辑的执行结果在离线的情况下计算出来,形成控制表格存计算机中,在线时，不需要逐一的逻辑比拟,只要将实际量模糊化后,即可找到相应的控制量。模糊控制是一种并行方式,各种控制逻辑用规那么的方式加以总结可以有效地防止失效[3]。从目前车用防抱制动系统所采用控制率的特征出发,引人了十分适宜于处理知识语言的模糊控制观点。针对作用于汽车防抱制动系统的类似于逻辑门限值控制的开关控制以及不同模糊控制进行了比照仿真试验,结果说明模糊控制作用的效果要优于开关控制方法。作用于汽车防抱制动系统的普通模糊控制方法和自适应模糊控制方法的比照仿真试验说明,自适应模糊控制方法在修正自身参数后,可以适应更复杂的外界条件来对汽车防抱制动系统进行有效的控制[4]。图2ABS模糊控制模型2.2汽车巡航系统在汽车的行驶过程中，由于外界负荷的扰动、汽车质量和传动系效率的不确定性、被控对象的强非线性等因素的影响，采用传统的PID控制方法难以保证在不同的条件下都取得令人满意的控制效果。汽车巡航控制系统由控制机器、模糊推理机、操纵开关及一些传感器组成。控制器会接收两个输入信号，一个事驾驶员按要求设定的目标车速，一个是实际车速的反应信号。控制会检测两个信号之间的偏差，经过计算，产生一个送至节气门执行器的信号，根据信号调节发动机节气门的开度，使车速稳定。模糊PID控制器可以根据操作人员长期实践积累的经验知识运用控制规那么模糊化，然后运用推理对PID参数进行在线调整，以取得最正确控制效果[5]。图3汽车巡航模糊控制原理图利用MATLAB对不同路面的ABS系统进行仿真在湿沥青和结冰路面以同一速度行驶时，模糊控制的ABS系统比无模糊系统的ABS系统控制的制动时间有很大减少，制动距离也缩短，车轮无抱死，汽车滑移率趋于0.1，在最正确的滑移率范围内。车速越高，ABS效果越明显。2.3汽车空调近年来,模糊逻辑控制的家用空调机已进人到千家万户。这种空调机综合考虑空气、水、光等自然环境因素、人的生理和心理因素.运用模糊逻辑推理设定空调机适当的工作方式,给人创造一个舒适的空气环境。汽车空调的运行工况较之家用空调更加复杂,从烈日炎炎的赤道到寒冷的阿拉斯加，到处都行驶着装有空调的汽车。工况的瞬变性和车型的不同使得运用传统数理方程来建立数学模型变得相当复杂,甚至不可能获得。而且,应用经典和现代控制理论所控制的空调一般只能针对一种车型、一种气候类型的地区,缺乏通用性。模糊控制所具备的无需精确数学模型的特点,为汽车空调自动控制提供r理论依据和实现的可能性模糊控制器的输入量是温差(驾驶员主观设定的最舒适温度与汽车室内温度的差值)和温差的变化率,输出量为制冷量.控制目标为汽车室内温度。将3个语言变量都分为正大、正中、正小、零、负大、负中和负小7档.根据经验总结出49条控制规那么。产生一个实时控制规那么表。在汽车空调模拟测试台上。用PC286作上位机,利用串行口与单片机相联,用查表及插值方式获取的温度值,根本能满足乘员舒适度的要求[6]。空调器为典型的传质换热系统，结构和内部物理过程复杂，难以建立精确的数学模型。汽车空调由于工作条件多变，用传统的控制方法如:PID控制，难以获得较好的控制效果。对于环境干扰，鲁棒性好，能够抑制非线性因素对控制器的影响[7]。图4全空调客车空调原理图外进风;2、出风口;3、蒸发器风机:4、蒸发器芯;5、热水器芯:6、温度门:7、出风口:8、车内进风汽车空调模糊控制系统的控制执行器：压缩机、蒸发器风机、电子膨胀阀。控制目标:压缩机能量调节机构控制其排量；蒸发器风机控制车内的送风量；电子膨胀阀控制压缩机吸入气体的过热度；执行器和控制量之间有交互的影响,增加了控制的复杂性。模糊语言集的组成：T〔E〕={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}用模糊语言变量E来描述偏差，或用符号表示负大NB〔NegativeBig〕、负中NM〔NegativeMedium〕、负小NS〔NegativeSmall〕、零ZE〔Zero〕、正小PS〔PositiveSmall〕、正中PM〔PositiveMedium〕，正大PB〔PositiveBig〕，那么：T〔E〕={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}建立隶属函数：各参数对相应子集的隶属函数分别由不同的函数族决定。参数的相应子集指该参数被人为地划分成的等级所构成的一组模糊集合。相应子集的多少，由控制精度决定。例如，参数“温差”的相应子集可以是“正大，正小，负小，负大”，也可以是“正大，正中，正小，负小，负中，负大”，后者比前者模糊子集多，因而控制精度更高〔在其它条件相同的情况下〕。温度偏差x的相应子集为：正大：(X>0)正中：(X>0)正小：(X>0)正很小：(X>0)负很小：(X<0)负小：(X<0)负中：(X<0)负大：(X<0)图5汽车空调模糊控制框图模糊控制规那么：〔根据人工经验设定〕根据温差和温差变化率设定等级，推导压缩机排量、膨胀阀开度和风机转速的等级。(1)如果温差“正大”,温差变化率“负很小”,认为机器制冷力严重缺乏。运行状态设置为:压缩机排量为“最大”,膨胀阀开度为“最大”,风机转速为“最大”。(2)如果温差“正中”,温差变化率“正大”,认为机器制冷力缺乏,运行状态设置为:压缩机排量为“大”,膨胀阀开度为“大”,风机转速为“大”。(3)如果温差“正小”,温差变化率“正中”,认为机器制冷力仍缺乏,运行状态设置为:压缩机排量为“中”,膨胀阀开度为“中”,风机转速为“中”。如果温差变化率相应子集数和温差相同,均为8个,那么,这种类型的规那么应有64条。表1模糊控制规那么表建立模糊控制规那么的根本思想:当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。以误差为负大时，误差变化为负大为例，这时误差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大误差并抑制误差变大，所以控制量取负大，即使风门开度到达最小，减少通过加热器的风量。控制步骤⑴计算出温度差x，温差的变化率x,即为精确的控制输入。⑵求出控制输入x、x对相应子集的隶属度，把精确的控制输入转换成模糊量。例如，x=1℃,x=0.1℃/min,那么有：x对相应子集的隶属度为〔按前述设定隶属函数〕：正大：正中：正小：正很小：其余子集：⑶模糊控制规那么条件局部的隶属度。例如，对前述设定的模糊控制规那么⑴⑵、控制输入组y={x=1℃,x=0.1℃/min}对其条件局部的隶属度可求得：对规那么⑴的条件局部：；对规那么⑵的条件局部：；对规那么⑶的条件局部：。〔4〕利用模糊控制规那么，推导控制输出的模糊量。由前一步骤计算的对规那么条件局部的隶属度u〔y〕,可直接得出相应规那么结论局部对相应子集的隶属度。例如，对规那么〔3〕，y对条件局部的隶属度，那么，压缩机排量F对“中等排量”隶属度，风机转速v，对“中等转速”隶属度，膨胀阀开度N对“中等转速”隶属度。考虑所有有关的结论局部，即可得到控制输出对相应子集的隶属度。如压缩机排量F对相应子集的隶属度为：最大：大：中：小：最小：控制过程：1、根据温度传感器和湿度传感器测定的温度湿度，以人体舒适感为根底，