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1、模糊控制理论在,交 通 机 电 装 备 控 制 中 的 应 用,一、在船舶电力系统稳定器中的应用（演示） （1）发电机励磁中不加入稳定器 （2）发电机励磁中加入普通稳定器 （3）发电机励磁中加入模糊稳定器 （4）发电机励磁中加入改进型的模糊稳定器 （5）基于进化理论的改进型模糊稳定器 实验参数比较分析,二、在电动汽车中的应用 三、汽车电动助力转向系统 四、汽车悬架系统(略) 五、汽车ABS防抱死系统(略) 六、汽车空调上的应用(略) 七、汽车巡航控制系统(略),二、电动汽车驱动控制系统,（1）矢量控制 20世纪70年代, Blaschke等人提出了磁场定向控制的矢量控制,以获得较宽的调速范围和
2、较高的调速精度。 通过从静止坐标系到旋转坐标系的变换，把感应电机的定子电流分解为以转子磁场定向的定子磁场电流分量和与之正交的定子转矩电流分量，对这两个分量可以分别进行控制，就可使感应电动机获得与他励直流电动机一样的瞬态响应特性。,系统用3个模糊自整定PI控制器（只是其中一种，可采用多种策略，如粗-精双模模糊等）分别控制电机的转速、转矩电流和励磁电流，保证电动汽车加速和调速具有优良性能。,通过常规方法得到PI控制器参数Kp和Ki的初始值，当系统运行过程中的参数发生波动时，显然固定的Kp和Ki难以满足系统的要求，此时需要PI控制器参数 和 作相应调整以克服系统参数的变化对系统的不利影响。,从车速响
3、应曲线可以看出:除了在汽车运行状态发生变化时，车速有较小的超调外，电动汽车的实际输出车速与给定车速基本吻合。,（2）直接转矩控制 1985年, 由德国鲁尔大学Depenbrock教授提出。电机瞬时转矩和定子磁链作为状态变量加以反馈调节, 转矩和定,子磁链闭环都采用双位式bang-bang控制, 根据它们的变化与定子磁链所在空间位置选择电压空间矢量的开关状态。,优点：与矢量控制相比，省去电流环控制器和坐标变换， 结构简化，且不受转子参数变化影响，很大程度上克服了矢量控制技术的缺点。它的产生给交流变频调速领域带来了无限的生机, 具有划时代的重要意义.,缺点：稳态运行时，转矩、电流及定子磁链脉动较大
4、; 低速运行，尤其接近零速时, 磁链与转矩的估计受电机参数影响严重，这些问题大大削弱了电动机的控制性能。这就要求我们不断地丰富和完善直接转矩控制技术思想。 ABB 公司首次把直接转矩控制技术转化产品, 开发了第一台商用变频器( ASC600系列)。由于巨大的商用价值及其带来的巨大经济效益, 各大变频器厂商如西门子、三菱等都竞相开发此类产品。,DTC控制系统（模型讲解） （1）常规PI速度控制器 （2）模糊PI速度控制器 （3）神经网络PI速度控制器 （4）基于进化算法的模糊PI速度控制器 实验参数比较分析,常规DTC,智能DTC,磁通,转速,转矩,电动助力转向(Electric Power S
5、teering, 简称EPS) 是世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一。电动助力转向与传统液压动力转向相比有许多优点, 它能在各种行驶工况下提供最佳助力,需要满足汽车转向的“轻”与“灵”的要求, 改善汽车的转向性能。,三、汽车电动助力转向系统,1、汽车两自由度转向模型： 将汽车简化为一个具有侧向和横摆运动的两自由度的汽车模型。 2、电动助力转向系统数学模型 采用直流电动机，建立系统的状态方程。,方案1：汽车电动助力转向系统的模糊自调整控制,以扭矩传感器测得的力矩Tsw 及其变化率(作为模糊控制器的输入)来决定电动机输入端电压U 的大小，根据模糊控制原理，得：,采用参数自整定模糊控制器,反应
6、时间略微缩短, 而过渡时间和超调量明显减小,汽车转向行驶时，汽车侧向加速度有所减少且达到稳定时间缩短，提高了汽车操作稳定性,抗干扰性能是汽车电动转向系统重要性能指标, 直接关系到汽车的操纵性能和行驶安全性。转向时, 路面随机激励干扰和传感器测量噪声的影响, 使系统输出受到干扰, 并对转向操作产生较大影响。 通过卡尔曼滤波, 对控制信号进行线性递推最佳误差估计, 可以抑制路面随机干扰和传感器测量噪声的影响, 提高系统稳定性能。,方案2：车辆电动转向系统的卡尔曼滤波模糊PID 控制,由车速、扭矩查助力特性曲线得到电动机转向助力电压，将该电压转换为目标电流指令。,目标电流指令与实际电流值的差值及其变
7、化率作为单变量二维模糊控制器的输入，输出为电压控制量。 差值较大, 选择FC , 加快系统响应速度, 提高阻尼, 减少超调;当差值较小选择PID, 减小系统稳态误差, 降低微小振荡; 由模态选择协调器选择控制模态，系统切换阈值e= 0.2。,系统干扰与测量噪声均方差为0.1 的零均值白噪声情况下，阶跃响应输出的仿真结果。可知，卡尔曼滤波器有效地抑制了干扰信号。,转向轻便性试验： 能明显改善转向的轻便性。,过转向瞬态灵敏性试验： 系统转向的反应时间有所减小, 提高转向灵敏性,四、悬架系统,传统悬架的组成：弹簧、减振器、导向机构 属于被动式悬架：车轮和车身状态只能被动地取决于路面、行驶状况以及汽车
8、的弹性支承元件、减振器和导向机构。 无法满足变化莫测的路面状况，汽车行驶状况，操纵性与舒适性不和谐。,回忆？,四、悬架系统,电子控制悬架系统基本目的：通过控制调节悬架的刚度和阻尼，使汽车的悬架特性与道路状况和行驶状态相适应，从而保证汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性要求都能得到满足。,发 展,四、悬架系统,车高调整：无论车辆的负载多少，都可以保持汽车高度一定，从而使前大灯光束方向保持不变； 当汽车在坏路面上行驶时，可以使车高升高，防止车桥与路面相碰； 当汽车高速行驶时，又可以使车高降低，以便减少空气阻力，提高操纵稳定性。,一、基本功能,四、悬架系统,减振器阻尼力控制：通过对减振器阻尼系数的调整，防
9、止汽车急速起步或急加速时车尾下蹲； 防止紧急制动时的车头下沉； 防止汽车急转弯时车身横向摇动； 防止汽车换挡时车身纵向摇动等。,一、基本功能,四、悬架系统,弹簧刚度控制：与减振器一样在各种工况下，通过对弹簧性系数的调整，来改善汽车的乘坐舒适性与操纵稳定性。,一、基本功能,1）被动式悬架：传统悬架。 2）主动悬架：根据行驶条件，随时对悬架系统刚度、减振器的阻尼力，车身高度进行调节，使汽车有关性能始终处于最佳状态。 3）半主动悬架：仅对减振器的阻尼力进行调 节，有些还对横向稳定器的刚度进行调节。,二、形 式,四、悬架系统,双模糊控制器的车辆半主动悬架,对悬架模型进行受力分析，由牛顿第二运动定律，可
10、得其运动微分方程为，建立车辆半主动悬架系统力学模型。,在只考虑车辆垂向振动的单模糊控制中，选取簧载质量速度和加速度作为模糊输入变量，模糊控制器输出为阻尼系数调整因子。,垂向振动模糊控制器： 输入变量为车辆簧载质量垂向速度和加速度，模糊控制器输出为阻尼调整因子垂 ；,俯仰振动模糊控制器： 输入变量为簧载质量俯仰角速度和加速度，输出为阻尼调整因子俯。,在相同的仿真环境下，对采用被动、单模糊控制和双模糊控制的3种悬架系统的半车模型进行了计算机仿真，几个数据的均方根值见表3。,在簧载质量加速度和俯仰角加速度这两个指标上，双模糊控制值最小。,结论： 单模糊控制策略能在一定程度上改善簧载质量垂向加速度和俯
11、仰角加速度，可实现综合减振之目的； 较之单模糊控制，双模糊控制策略能更好地改善车辆乘坐舒适性； 双模糊控制车辆半主动悬架拥有比单模糊控制半主动悬架更好的综合悬架性能，是车辆半主动悬架系统采用模糊控制策略之优选方案。,五、ABS防抱死系统工况的多变及轮胎的非线性 ABS：“防锁死刹车系统”，是一种具有防滑、 防锁死等优点的汽车安全控制系统。 普通制动系统：在湿滑路面上制动，或在紧急 制动时，车轮容易因制动力超过轮胎与地面的摩擦 力而安全抱死。 现代防抱死制动系统：既有普通制动系统的制 动功能，又能防止车轮锁死，使汽车在制动状态下 仍能转向，保证汽车制动方向稳定性，防止侧滑和 跑偏。,在ABS中应
12、用,车辆工况的多变及轮胎的非线性导致传统PID控制中比例、微分、积分最佳参数匹配的困难。 模糊控制恰好适应了这种变工况非线性系统的控制。,ABS模糊控制模型,滑移率：汽车制动时，车速与轮速之间产生速度差，车轮发生滑移。 （1）在非制动状态(滑移率为零)下，制动附着系数等于零；,（2）在制动状态下，当滑移率达到最优值时，制动附着系数最大，在此之前的区域为稳定区域；,附着系数的大小取决于道路的材料、状况以及轮胎的结构、胎面花纹和车速等因素。,（3）之后，随着滑移率的增大制动附着系数反而减少，侧向附着系数也下降很快，汽车进入不稳定区。 特别是当滑移率为 100时，侧向附着系数接近于零，汽车不能承受侧
13、向力，在很小的侧向干扰力下，汽车会发生甩尾，甚至调头等危险现象。所以应将制动滑移率控制在稳定区域内。,免疫反馈机理的控制算法本质上是非线性控制算法，其比例系数随控制输出的变化而变化。,输出的控制量U 为制动系统压力，它决定制动力矩大小。,结论：通过与传统PID算法、模糊算法进行仿真对比，免疫PID控制算法稳定时间短，系统输出的超调量小，响应时间短，制动距离短。,对汽车空调系统的要求： 技术性能和控制性能优良，满足人体舒适性的 要求； 节能； 自动控制是达到这两方面要求的一个重要途径。 经典控制理论：建立数学模型 现代控制理论：状态方程,六、在汽车空调上的应用人体舒适感的模糊性,空调器为典型的传
14、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。 汽车空调工作条件多变： 汽车空调具有乘客多、 车门启闭次数多、车外气温和太阳辐射变化大等使用 特点。因此，其控制过程必须充分考虑这些因素。 传统控制：PID控制难以获得较好效果。 模糊控制对于环境干扰，鲁棒性好，能够抑制非 线性因素对控制器的影响。,全空调型客车空调原理图,2出风口; 3蒸发器风机； 4蒸发器芯：也是一种热交换器，其作用是使低压、低温制冷剂液体在沸腾过程中吸收被冷却介质（空气、水）的热量，从而达到制冷的目的。 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、
15、电子膨胀阀 控制目标: （1）压缩机能量调节机构控制其排量; （2）蒸发器风机控制车内的送风量; （3）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。,汽车空调模糊控制框图,模糊控制规则：（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不足。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”, 认为机器制冷力不足, 运行状态设为: 压缩机排量为
16、“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”, 认为机器制冷力仍不足, 运行状态设为: 压缩机排量“中”, 膨胀阀开度“中”, 风机转速“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 的规则应有64 条。,模糊控制器控制表,模糊控制与常规控制比较 模糊控制具有超调量小、稳差小的特点。一般汽车空调模糊控制可节能 15%20%。,七、汽车巡航控制系统 外界负荷扰动、汽车质量和 传动系效率的不确定性、被控对象的强非线性 简称CCS，又称“汽车巡航控制系统”、“恒速控 制系统”、“车速控制系统”、等。是汽车在运行中不 踩加速踏板便可按照驾驶员的要求，自动地保持一 定的行车速度，减轻驾驶员的劳动强度，提高汽车 舒适性的自动行驶装置。目前，不少车辆特别是高 级轿车已把该系统作为配属设备或选配设备。,例如，日本的皇冠、凌志、美国的别克、凯迪拉 克、德国的奔驰、宝马等车均装有巡航控制系统。轿 车装上巡航控制系统后，当车速在40min/
