模糊控制工程機械論文

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1換檔規(guī)律

曲線是某高原型裝載機全程調(diào)速的柴油機、變矩器和變速箱共同工作，油門開度一定，即泵輪轉(zhuǎn)速一定時，4個檔位的變矩器效率曲線．在發(fā)動機與液力變矩器匹配關(guān)系確定的情況下，影響傳動系統(tǒng)效率的主要因素有：液力變矩器的傳動效率﹑變速箱及各部分傳動軸的傳動效率．由于變速箱及各部分傳動軸是純機械傳動，其效率可以認為是定值．于是，的變矩器效率曲線反映了液力變矩器傳動效率的變化．相同泵輪轉(zhuǎn)速的相鄰曲線交點A，B，C就是所求該泵輪轉(zhuǎn)速的換檔點（變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速）．對所有可能泵輪轉(zhuǎn)速，求出對應于該泵輪轉(zhuǎn)速的換檔點，這樣就可以得到裝載機效率換檔規(guī)律的換檔曲線．

2模糊換檔控制器的建立

模糊控制器的設(shè)計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量．通常將模糊控制器輸入變量個數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)．模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細．但是維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則就會變得很復雜，實現(xiàn)控制算法相對困難．所以本文設(shè)計的是二維模糊控制器．自動換檔模糊控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，它由模糊化、模糊推理、反模糊化等多個知識庫模塊組成，其工作原理是：由模糊控制器采集車輛的各種信號，如油門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)速、檔位等，通過對各參數(shù)的分析，控制器可判別系統(tǒng)的工作狀況，根據(jù)換檔規(guī)律決定是否換檔，從而保證傳動系統(tǒng)效率最高、性能最優(yōu)．本文選擇發(fā)動機轉(zhuǎn)速nB，變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速n2作為輸入變量，取變速箱檔位i為輸出變量。

2．1輸入、輸出變量論域的確定

輸入量的真實論域（即變化范圍）要變換到模糊控制器的內(nèi)部論域．將泵輪轉(zhuǎn)速分別變換到內(nèi)部論域為：｛0，1，2，3，4，…，11，13｝，變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速內(nèi)部論域｛0，1，2，3，4，…，14，15｝，檔位內(nèi)部論域｛0，1，2，3，4｝．根據(jù)某高原型裝載機的實際運行情況，取泵輪轉(zhuǎn)速、變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速的變化范圍分別為：［800，2400］，［0，2000］，可得量化因子k1＝1／200，k2＝1／133．

2．2模糊化

在這個部分中，系統(tǒng)精確的輸入量被轉(zhuǎn)化成模糊量．將輸入?yún)?shù)泵輪轉(zhuǎn)速nB劃分為5個模糊集合，變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速n2劃分為7個模糊集合．對于輸入nB，有極小（VS）、小（S）、中（M）、大（B）、極大（VB）5個隸屬函數(shù)；對于輸入n2，有極小（VS）、小（S）、中小（MS）、中（M）、中大（MB）、大（B）、極大（VB）7個隸屬函數(shù)．輸出量檔位y以單點表示，其取值為：1檔（1），2檔（2），3檔（3），4檔（4）．

2．3定義語言變量的隸屬度函數(shù)

隸屬函數(shù)在模糊控制系統(tǒng)中所起的作用是將普通的清晰量轉(zhuǎn)化為模糊量，以便進行模糊邏輯運算和推理，并將模糊推理合成出的結(jié)果逆模糊化為普通的清晰量，以便驅(qū)動執(zhí)行器達到控制目的．隸屬函數(shù)應覆蓋整個取值范圍，并在整個取值范圍內(nèi)均勻分布．隸屬函數(shù)曲線形狀較尖的模糊子集分辨率較高，控制靈敏度也較高．相反，隸屬函數(shù)曲線較緩，控制特性和系統(tǒng)特性也較平緩，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好．某個取值范圍需要敏感一些，則相應的隸屬函數(shù)可取“密”一些．另外，各模糊子集之間也有相互影響，即隸屬函數(shù)之間有重疊．一般重疊的隸屬度值μ為0．4～0．8，μ值過大易造成2個模糊子集難以區(qū)分，使控制的靈敏度顯著降低；μ值過小則會使系統(tǒng)變得過于復雜．發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速為800r／min，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于怠速轉(zhuǎn)速時，不滿足工作要求，故VSSigmoid型隸屬度函數(shù)比較接近實際．其他的函數(shù)采用高斯函數(shù)。根據(jù)裝載機效率換檔規(guī)律的換檔曲線，對變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速取前4個隸屬函數(shù)密一些，后3個隸屬函數(shù)稍稀一些．變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速n2的各模糊子集的隸屬函數(shù)曲線．檔位的隸屬度函數(shù)取單點分布．對輸出檔位y各子集（1，2，3，4）的隸屬函數(shù)。

2．4模糊控制規(guī)則的建立

模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動控制策略，而對于車輛的換檔過程，手動控制策略就是駕駛員操作經(jīng)驗的積累．為保證液力變矩器高效性，本文采用二輸入一輸出的控制器，輸入?yún)?shù)泵輪轉(zhuǎn)速nB取5個語言值，變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速n2取7個語言值，則控制規(guī)則數(shù)為5×7＝35個．這樣，控制的知識庫可以描述成35個If－Then形式的規(guī)則。

3仿真結(jié)果分析

為了驗證上述換檔規(guī)律的正確性，根據(jù)某高原型裝載機動力傳動系統(tǒng)數(shù)學模型及效率換檔規(guī)律，建立了基于模糊控制的效率換檔規(guī)律Matlab／simulink仿真模型。仿真初始條件如下：泵輪和變速箱輸出軸的初始轉(zhuǎn)速nB＝2200r／min，n2＝2900r／min；油門取100％；仿真時間為200s．仿真結(jié)果如圖10所示．隨著負載力矩的增加，變矩器逐漸進入低效區(qū)，變速箱自動進行降檔，由4檔降至3檔，在3檔停留一段時間后降至2檔，在2檔停留一定時間后降至1檔，以保證液力變矩器在高效區(qū)工作．然后，隨著負載力矩的減小，變矩器又逐漸進入低效區(qū)，變速箱也自動進行升檔，以保證液力變矩器在高效區(qū)工作．仿真結(jié)果證明了模糊控制器能夠控制變速箱換檔來保證液力變矩器在高效區(qū)工作。

4結(jié)論

針對工程機械工作特點及動力傳動系統(tǒng)效率低問題，從液力變矩器和變速箱入手，提出了利用變速箱換檔來控制液力變矩器始終工作在高效區(qū)的效率換檔規(guī)律，并開發(fā)了采用多輸入單輸出結(jié)構(gòu)的模糊控制器．在一定初始條件下進行的仿真試驗結(jié)果表明，基于模糊控制的效率換檔規(guī)律可以通過變速箱換檔來保持液力變矩器在高效區(qū)工作．

作者：諸紹龍 彭耀潤 田晉躍 單位：江蘇華通動力重工機械有限公司 江蘇大學