模糊控制理論在汽車工業(yè)中應(yīng)用

1、模糊控制理論在汽車工業(yè)中應(yīng)用第1頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四一、概述二、在汽車上的應(yīng)用方面三、舉例說(shuō)明在汽車空調(diào)當(dāng)中的應(yīng)用四、簡(jiǎn)要介紹在其他方面的應(yīng)用第2頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四 一、概 述、什么叫模糊控制？ 所謂模糊控制，就是對(duì)難以用已有規(guī)律描述的復(fù)雜系統(tǒng)，采用自然語(yǔ)言（如大、中、?。┘右詳⑹?，借助定性的、不精確的及模糊的條件語(yǔ)句來(lái)表達(dá)， 模糊控制是一種基于語(yǔ)言的一種智能控制 第3頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四2、為什么采用模糊控制？ 傳統(tǒng)的自動(dòng)控制控制器的綜合設(shè)計(jì)都要建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型(即傳遞函

2、數(shù)模型或狀態(tài)空間模型)的基礎(chǔ)上，但是在實(shí)際中，很多系統(tǒng)的影響因素很多，油氣混合過(guò)程、缸內(nèi)燃燒過(guò)程等) ，很難找出精確的數(shù)學(xué)模型。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大。因?yàn)槟：刂撇挥媒?shù)學(xué)模型不需要預(yù)先知道過(guò)程精確的數(shù)學(xué)模型。 要研制智能化的汽車，就離不開模糊控制技術(shù)如汽車空調(diào)：人體舒適度的模糊性和空調(diào)復(fù)雜系統(tǒng) 第4頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四3、工作原理把由各種傳感器測(cè)出的精確量轉(zhuǎn)換成為適于模糊運(yùn)算的模糊量,然后將這些量在模糊控制器中加以運(yùn)算, 最后再將運(yùn)算結(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量, 以便對(duì)各執(zhí)行器進(jìn)行具體的操作控制。在模糊控制中, 存在著一個(gè)模糊量和精確

3、量之間相互轉(zhuǎn)化的問(wèn)題 第5頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四 模糊控制原理圖s:系統(tǒng)的設(shè)定值。x1, x2:模糊控制的輸入(精確量)。X,1 , X2:模糊量化處理后的模糊量。U:經(jīng)過(guò)模糊控制規(guī)則和近似推理后得出的模糊控制量。u:經(jīng)模糊判決后得到的控制量(精確量)。y:對(duì)象的輸出。第6頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四也可以表示成第7頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四工作步驟： 輸入量模糊化 建立模糊規(guī)則 進(jìn)行模糊推理 輸出量反模糊第8頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四3、模糊控制的特點(diǎn)適用于不易獲得精確數(shù)

4、學(xué)模型的被控對(duì)象，是一種語(yǔ)言變量控制器 從屬于智能控制的范疇。該系統(tǒng)尤其適于非線性，時(shí)變，滯后系統(tǒng)的控制抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。第9頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四二、模糊控制在汽車的應(yīng)用方面1、ABS防抱死系統(tǒng)工況的多變及輪胎的非線性2、汽車巡航系統(tǒng)外界負(fù)荷的擾動(dòng)、汽車質(zhì)量和傳動(dòng)系效率的不確 定性、被控對(duì)象的強(qiáng)非線性3、汽車空調(diào)人體舒適感的模糊性和空調(diào)復(fù)雜結(jié)構(gòu)4、半主動(dòng)懸架系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定性5、發(fā)動(dòng)機(jī)第10頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四三、在汽車空調(diào)上的應(yīng)用對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)的要求：技術(shù)性能和控制性能優(yōu)良，滿足人

5、體舒適性的要求；節(jié)能自動(dòng)控制的應(yīng)用是達(dá)到這兩方面要求的一個(gè)重要途徑。經(jīng)典控制理論：建立數(shù)學(xué)模型現(xiàn)代控制理論：狀態(tài)方程 空調(diào)器為典型的傳質(zhì)換熱系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和內(nèi)部物理過(guò)程復(fù)雜，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。汽車空調(diào)由于工作條件多變，用傳統(tǒng)的控制方法如:PID控制，難以獲得較好的控制效果。 對(duì)于環(huán)境干擾，魯棒性好，能夠抑制非線性因素對(duì)控制器的影響第11頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四 全空調(diào)型客車空調(diào)原理圖1、外進(jìn)風(fēng);2出風(fēng)口;3蒸發(fā)器風(fēng)機(jī):4蒸發(fā)器芯;5熱水器芯: 6溫度門:7、出風(fēng)口:8車內(nèi)進(jìn)風(fēng)第12頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四模糊控制是基于語(yǔ)言的控制

6、模糊語(yǔ)言集的組成： T（E） T（E）=負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大用模糊語(yǔ)言變量E 來(lái)描述偏差，或用符號(hào)表示 負(fù)大NB（Negative Big）、 負(fù)中NM（Negative Medium）、 負(fù)小NS（Negative Small）、 零ZE（Zero）、 正小PS（Positive Small）、 正中PM（Positive Medium）， 正大PB（Positive Big），則： T（E）= NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB第13頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四建立隸屬函數(shù)：各參數(shù)對(duì)相應(yīng)子集的隸屬函數(shù)分別由不同的函數(shù)族決定。參數(shù)的相應(yīng)子集

7、指該參數(shù)被人為地劃分成的等級(jí)所構(gòu)成的一組模糊集合。相應(yīng)子集的多少，由控制精度決定。例如，參數(shù)“溫差”的相應(yīng)子集可以是“正大，正小，負(fù)小，負(fù)大”，也可以是“正大，正中，正小，負(fù)小，負(fù)中，負(fù)大”，后者比前者模糊子集多，因而控制精度更高（在其它條件相同的情況下）。溫度偏差x 的相應(yīng)子集為： 正大：u() =1-1/（1+0.5X2） (X0) 正中：u ()=1/（1+（x-2）2） (X0) 正小：u ()=1/（1+(x-1)2） (X0) 正很?。簎 ()=1/（1+0.5X2） (X0) 負(fù)很?。簎 ()=1/（1+0.5X2） (X0) 負(fù)?。簎 ()=1/（1+(x+1)2） (X0)

8、負(fù)中：u ()=1/（1+(x+2)2） (X0) 負(fù)大：u ()= 1-1/（1+0.5X2） (X0)第14頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四溫度偏差E的隸屬函數(shù)溫度變化率Eu的隸屬函數(shù)控制輸出量U的隸屬函數(shù)第15頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四普通集合對(duì)溫度的定義 模糊集合對(duì)溫度的設(shè)定第16頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四汽車空調(diào)模糊控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行器壓縮機(jī)、蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)、電子膨脹閥控制目標(biāo): 壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制其排量; 蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)控制車內(nèi)的送風(fēng)量; 電子膨脹閥控制壓縮機(jī)吸入氣體的過(guò)熱 度。 執(zhí)行器和控制量之間有交

9、互的影響, 增加了控制的復(fù)雜性。第17頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四 汽車空調(diào)模糊控制框圖第18頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四模糊控制規(guī)則：（根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定） 根據(jù)溫差和溫差變化率設(shè)定等級(jí)，推導(dǎo)壓縮機(jī)排量、膨脹閥開度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的等級(jí)。 (1) 如果溫差“正大”, 溫差變化率“負(fù)很小”, 認(rèn)為機(jī)器制冷力嚴(yán)重不足。運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置為: 壓縮機(jī)排量為“最大”, 膨脹閥開度為“最大”, 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為“最大”。(2) 如果溫差“正中”, 溫差變化率“正大”, 認(rèn)為機(jī)器制冷力不足, 運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置為: 壓縮機(jī)排量為“大”, 膨脹閥開度為“大”, 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為“大

10、”。(3) 如果溫差“正小”, 溫差變化率“正中”, 認(rèn)為機(jī)器制冷力仍不足, 運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置為: 壓縮機(jī)排量為“中”, 膨脹閥開度為“中”, 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為“中”。. .如果溫差變化率相應(yīng)子集數(shù)和溫差相同, 均為8 個(gè), 那么, 這種類型的規(guī)則應(yīng)有64 條第19頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四 模糊控制規(guī)則表建立模糊控制規(guī)則的基本思想:當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。 以誤差為負(fù)大時(shí)，誤差變化為負(fù)大為例，這時(shí)誤差有增大的趨勢(shì)，為盡快消除已有的負(fù)大誤差并抑制誤差變大，所以控制量取負(fù)大，即使風(fēng)門

11、開度達(dá)到最小，減少通過(guò)加熱器的風(fēng)量。第20頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四控制步驟：. 計(jì)算出溫度差x，溫差的變化率 ，x, 即為精確的控制輸入。. 求出控制輸入x、x 對(duì)相應(yīng)子集的隸屬度，把精確的控制輸入轉(zhuǎn)換成模糊量。例如，x=1,x=0.1/min,則有：x 對(duì)相應(yīng)子集的隸屬度為（按前述設(shè)定隸屬函數(shù)）： 正大：u (x)=0.33 正中：u (x)=0.5 正小：u (x)=1 正很?。簎 (x)=0.67 其余子集：u (x)=0同樣地， 對(duì)相應(yīng)子集隸屬度亦可算出，例如： 正大：u ( )=0.1 正中：u ( )=0.8 正小：u ( )=0.9 正很?。簎 (

12、 )=0.1 其余子集：u ( )=0第21頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四. 模糊控制規(guī)則條件部分的隸屬度。 例如，對(duì)前述設(shè)定的模糊控制規(guī)則、控制輸入組y=x=1,x=0.1/min對(duì)其條件部分的隸屬度可求得：對(duì)規(guī)則的條件部分：u(y)=0對(duì)規(guī)則的條件部分：u (y)=0.1對(duì)規(guī)則的條件部分：u (y)=0.8.第22頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四（4）利用模糊控制規(guī)則，推導(dǎo)控制輸出的模糊量。由前一步驟計(jì)算的對(duì)規(guī)則條件部分的隸屬度u（y）,可直接得出相應(yīng)規(guī)則結(jié)論部分對(duì)相應(yīng)子集的隸屬度。例如，對(duì)規(guī)則，已知y 對(duì)條件部分的隸屬度u （y）=0.8

13、，那么，壓縮機(jī)排量F 對(duì)“中等排量”隸屬度u (F)=0.8，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速v，對(duì)“中等轉(zhuǎn)速”隸屬度u (v)=0.8，膨脹閥開度N 對(duì)“中等轉(zhuǎn)速”隸屬度u (N)=0.8?？紤]所有有關(guān)的結(jié)論部分，即可得到控制輸出對(duì)相應(yīng)子集的隸屬度。如壓縮機(jī)排量F 對(duì)相應(yīng)子集的隸屬度為：最大：u (F)=0 大：u (F)=0.1 中：u (F)=0.8 ?。簎 (F)=0.7 最?。簎 (F)=0.1第23頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四 模糊推理規(guī)則模糊量化為清晰量輸出第24頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四 輸出模糊量第25頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6

14、點(diǎn)53分，星期四根據(jù)重心法原則 模糊控制器控制表第26頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四 模糊控制與常規(guī)控制比較模糊控制具有超調(diào)量小、穩(wěn)差小的特點(diǎn)。一般汽車空調(diào)模糊控制可節(jié)能 15%20%。第27頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四控制過(guò)程：1、根據(jù)溫度傳感器和濕度傳感器測(cè)定的溫度濕度，以人體舒適感為基 礎(chǔ)，對(duì)車廂溫度進(jìn)行模糊修正2、根據(jù)設(shè)定溫度和實(shí)測(cè)溫度，用模糊控制原則推論控制輸出3、根據(jù)室外溫度、乘車滿員率對(duì)控制輸出進(jìn)行熱負(fù)荷模糊修正。4、根據(jù)車門啟閉情況，對(duì)控制輸出進(jìn)行修正第28頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四實(shí)行模糊控制

15、要進(jìn)行三個(gè)方面的工作: 精確量的模糊化,把語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值化為某適當(dāng)論域上的模糊子集; 模糊控制算法和設(shè)計(jì),通過(guò)一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊控制規(guī)則,并計(jì)算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系;輸出信息的模糊判決,并完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化 結(jié) 論：第29頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四在ABS中的的應(yīng)用 車輛工況的多變及輪胎的非線性導(dǎo)致傳統(tǒng)PID控制中比例、微分、積分最佳參數(shù)匹配的困難,模糊控制恰好適應(yīng)了這種變工況非線性系統(tǒng)的控制,并具有魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn) ABS 模 糊 控 制 模 型第30頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四誤差的變化率定義為E = S - S0 ， S0為期望滑移律點(diǎn)誤差的變化率定義為EC =( Ek - Ek - 1 ) / T 控制量U 為制動(dòng)系統(tǒng)壓力,它決定了制動(dòng)力矩的大小,為輸出量。 第31頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)53分，星期四 模糊控制規(guī)則 車輪與輪速關(guān)系曲線 滑移率變化曲線第32頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日