模糊控制在汽车离合器中的应用

清雅轩

模糊控制和专家系统控制都属于智能控制的范围。智能控制是控制理论发展的第三个阶段。前两个阶段，经典控制理论和现代控制理论统称为传统（或常规）的控制理论。它们的共同特点是：各种理论和方法都是建立在对象的数学模型基础上。但随着认识的深化，认识对象范围的扩大，人们发现越来越多的控制对象具有高度的复杂性，高度的不确定性，很难用精确的数学模型来加以描述，而且人们还对其控制提出越来越高的性能要求。对于这些系统，传统的控制理论就显得有些力不从心，需要寻找一种新的理论，新的方法。通过研究和模仿人的智能行为，将人工智能引入控制理论，这就进入了控制理论发展的第3个阶段——智能控制理论阶段。智能控制理论是多种学科交叉的结果，是在常规控制理论的基础上，吸收了人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、实验心理学、生理学等其他科学中的新思想、新方法而发展起来的。它的基本思想就是模仿人的智能对复杂不确定性系统进行有效的控制。智能控制系统按系统构成原理可分为专家系统控制、模糊控制、人工神经网络控制、仿人智能控制等。本文将介绍模糊控制及其在汽车离合器中的应用。

一、模糊控制与模糊控制系统


自从1965年加利福尼亚大学教授扎德（L.A.Zadeh）提出了模糊集合的概念之后，模糊理论得到了飞速发展，并应用于各个学科，产生了模糊识别、模糊控制等一系列前沿学科。到1974年Momdoni成功地研制出第一台模糊控制器，从此模糊理论从一种思维方式变成了控制理论中的一种具体应用。模糊控制理论的提出，是现代控制理论、人工智能领域的一个重要突破，它实际上是对人类长期以来对自然界中一些复杂的、不确定的、无法用现有数学工具进行描述的对象进行定量的模糊描述和控制。它的基本思路在于：人的控制经验一般是用带有相当大的模糊性的语言来表达，这些规则的形式正是模糊条件语句的形式，可以用模糊数学的方法来描述过程变量和控制作用的这些模糊概念及它们之间的关系，又可以根据这种模糊关系和某时刻这种过程变量的检测值（需化为模糊量）用模糊逻辑推理的方法得出这刻的控制量。


模糊控制系统基本结构可由图1表示：

一般来说，模糊控制系统组成同传统控制系统基本相同，都是由控制器、输入输出接口、检测装置、执行机构和被控对象组成，只是控制器为模糊控制器。模糊控制器从功能上主要分为4部分：模糊化接口、知识库、推理机、解模糊化接口。模糊化接口主要功能为：量程转换，即将输入的数值映射到相应的输入论域上；模糊化，即将输入的精确量转化为论域上的模糊子集。知识库包含应用领域方面的知识，主要有数据库和规则库组成。数据库提供所有必要的定义，包括所有输入、输出变量所对应的论域以及这些论域上所定义的规则库中所用的所有模糊子集的定义。规则库存放模糊控制规则，是对被控对象进行控制的一个知识模型，是操作人员或专家控制经验的总结。推理机主要是采用某种模糊推理方法，由采样时刻的输入和模糊控制规则推导出模糊控制器的控制输出。解模糊化接口主要功能为：量程转化，即将输出作用的论域转化为输出物理量的变化范围；解模糊，即将得到的模糊的控制作用转化为一个精确的值。模糊控制器具体工作流程为：控制器从输入接口获得一精确输入，通过模糊化接口将其化为论域上的模糊子集，推理机检查模糊输入同规则前件的匹配度，在符合某一程度上激发规则，通过推理的合成算法得到一输出模糊子集，再将其解模糊化为精确物理输出值，作用到被控对象上，从而完成一次控制操作。


二、模糊控制在汽车离合器中的应用


车辆起步时对离合器控制提出了很高的要求。传统的机械式换挡机构中，离合器的操纵十分复杂，例如，起步时要求驾驶员根据不同道路环境条件，负载等各种因素，准确判断离合器半接合点的位置，以保证车辆的平稳起步；同时，还要求离合器踏板、油门踏板的操纵动作的配合准确、协调。离合器复杂的操作要求很容易造成离合器操作不当，造成车辆起步过程中的冲击及磨损等。针对这些缺点和不足，车辆上正逐步用自动操纵离合器取代手动操纵。


离合器的起步控制一直是电控机械式自动变速器操纵系统的难点和核心。由于外界工作环境和驾驶员的主观意图是时刻变化的，而且车辆本身是一个时变、非线性的系统，无法建立其精确的数学模型。而传统的控制方法要用计算机实现控制，首先要设定控制目标值，根据被控对象的特性变化和环境变化，通过负反馈原理不断进行调节以跟踪所设定的目标值。要设计一个满足控制目标的控制器就必须要有控制数学模型，即输入到输出的一个映射关系或某种函数关系，以被控对象的物理系统作数学的抽象。所以依靠传统或基于现代控制理论的自动控制方法很难很好地解决离合器的起步控制问题。而熟练的驾驶员却可以凭借丰富的驾驶经验，成功地实现汽车在各种工况下的平稳起步。人所具有的这种特殊控制能力可以用计算机来模拟，采用建立在驾驶员经验基础之上的模糊逻辑控制方法可望获得较理想的控制效果。将驾驶员的经验，形成控制语言规则，在实时工况下选择合适的语言变量和控制参数以实现对离合器的合理控制。


（一）控制目标


车辆起步过程中离合器的模糊控制能够保证车辆能够自适应驾驶员的意图顺利起步。具体表现在：当驾驶员油门踩得较大而且油门踩得较快时，意味着此时驾驶员想快速起步或此时地面阻力较大，所以离合器的结合速度应较快；反之，当油门踩得较小而且油门踩得较慢时，意味着驾驶员想平稳起步或者此时路面阻力较小，故离合器的结合速度应较慢。处于这两种条件之间的情况又可分为无数种，结论既非线性，种类也非常繁多。总的来说，用模糊控制的方法就是为了实现在不同驾驶员意图和不同路面环境下离合器的起步自动控制。


（二）模糊控制的输入输出参数


1．输入参数


由于控制目标是依据驾驶员的意图及路面条件的变化实现离合器的自动控制，而路面环境条件的不同可以根据驾驶员踏油门踏板的意图反映出来。应该选择能够较好的体现驾驶员意图的参数作为模糊控制的输入参数。


（a）油门踏板位移值电控机械式自动变速操纵系统中，取消了离合器的人工操纵，只保留了油门踏板由驾驶员来控制。驾驶员的起步意图可以从油门踏板信号判断，油门踏板踏得越深，表明驾驶员希望起步时间较短，尽管此时冲击较大；反之若踏得浅，意味着希望车辆起步要平稳，所以要减缓结合速度。


（b）油门踏板位移变化率油门踏板位移变化率也是反映驾驶员意图的一个重要参数。油门踏得急，说明驾驶员希望较快起步；反之，若油门踏得缓，意味着驾驶员希望以较低的结合速度起步。因此，选择油门踏板的位移及其变化率作为模糊控制的两个输入参数。在这个过程中，两个参数的关系是并列的，但油门踏板位移的重要性略重于油门踏板位移变化率。


2．输出参数


（a）离合器半接合点离合器是传动装置中最关键的部件之一，它能保证发动机空载启动，使车辆获得平稳起步以及紧急制动时防止过载。离合器的接合过程比较复杂，当车辆在不同路面上行驶、负载不同、档位不同时，离合器接合过程也不同。因此，离合器接合过程的理论分析对研究是很重要的。


虽然离合器半接合点的位置经常在变化，但这并不影响离合器的接合规律，所以研究离合器的控制应首先研究离合器的接合规律。从最大限度发挥车辆性能角度看，动力传动系性能参数的优化是很重要的。而离合器的接合规律是影响传动系性能的主要因素之一。车辆从静止到最小稳定车速之间的速度增长过程取决于离合器的接合方式，所以接合规律的深入探讨对于研究动力传动系参数优化是必不可少的。


离合器的接合过程，理论上可以分为3个阶段，如图2所示。

（1）空行程阶段l1：此阶段用于消除离合器对偶摩擦面的间隙，对于车辆和离合器都没有任何影响，应尽快结束。（2）滑磨阶段l2：该阶段主从动片产生滑磨，开始产生扭矩且扭矩逐渐增大，直到克服最大的滚动阻力，使车辆开始运动。在此阶段内离合器对接合品质的影响最大。


（3）同步接合阶段l3：在该阶段中，滑磨停止，扭矩不再增长，离合器对接合品质已无任何影响，应尽快结束。


第一阶段和第三阶段在各种情况下对车辆和离合器均无任何影响，要求离合器快速结合，要精确控制的只有第二阶段即滑磨阶段。实际上，滑磨阶段又可以分为两个阶段：第一阶段为从消除间隙后到摩擦力矩等于负载力矩的时刻，此时车辆处于将要运动的一瞬间；第二阶段为从车辆开始运动到离合器主从动轴同步为止。如果把车辆开始运动时离合器的行程定为半结合点，那么，离合器半接合点的值是随负载的不同而变化的。路面阻力大，半接合点的值相应较大；反之，路面阻力小，半接合点的值相应较小。目前半接合点的精确测量是一个难点，现有的测量方式都在不同程度上造成离合器控制的超调。计算半接合点如果采用传统算法是无法建立起它的数学模型的，针对这个特点，用模糊控制的方法计算半接合点是比较理想的。因此，将离合器的半接合点定为模糊控制的输出之一。


（b）离合器结合速度车辆从开始运动到离合器主从动轴完全同步阶段，离合器结合速度的控制至关重要。因为不论从顺应驾驶意图方面考虑或从离合器使用寿命方面考虑，这一阶段的控制都影响整个控制过程的效果。如果驾驶员的意图是希望车辆快速起步，这一阶段的结合速度就必须加快；如果驾驶员的意图是希望车辆平缓起步，这一阶段的结合速度就必须放慢。因此，本阶段离合器的结合速度也定为模糊控制的输出参数。


（三）控制过程分析


车辆起步时离合器的控制是一个非线性的过程。模糊控制能根据系统的一些特性；依据丰富而较合理的经验进行直觉推理，在线确定和改变控制策略。


首先根据采集到的油门踏板位移值及其变化率，将它们分别模糊量化。模糊量化就是将精确的数字量转换为模糊量，即将输入的精确量转变成为与之相应的隶属函数。隶属函数有钟形，梯形，三角形等形状，一般认为钟形最好，但难于计算；三角形次之，最后是梯形。在这里，为了计算方便，选用的是三角形隶属函数。油门踏板位移及其变化率的隶属函数如图3、图4所示。

μ1为油门踏板位移隶属度，μ2为油门踏板位移变化率的隶属度；X为油门踏板位移值的大小，Y为油门踏板位移变化率的大小。X和Y均取为从0～100之间变化是为了计算隶属度时方便。具体计算模糊控制输出时再将它们换算成为实际值。再将输出参数进行模糊化处理，如图5、图6所示。

其中μ3为半接合点隶属度，μ4为结合速度隶属度；Z1为半接合点的值，Z2为结合速度的值。同样道理，为了计算隶属度的方便，半接合点的值和结合速度的值都先取从0～100之间变化，具体计算最后输出时再换算过来。


然后建立起一系列模糊推理规则。这里有2个输入参数，各种不同输入参数的组合将得到不同的输出。模糊推理规则是依据离合器的寿命目标函数和优秀驾驶员的经验来确定的。


在离合器的整个接合过程中，应该做到接合平顺、柔和，同时应该减少滑磨功，使磨损尽可能小，延长离合器的使用寿命。这是对离合器使用性能提出的要求。为了评价这两个要求，可以分别建立他们的目标函数。


（a）接合平顺性目标函数。对接合平顺性影响最大的是离合器接合时引起的传动系扭矩波动，所以，可把车身的纵向加速的变化率，即冲击度j作为评价指标。

式中：TOT—变速器输出轴转矩


io—变速器输出轴至驱动轮传动比


IW—与变速器输出轴相连的惯量


rr—驱动轮半径


j与离合器接合扭矩的导数成正比，波动值dTot/dt越大，j也越大，j能较好地反映离合器接合过程的动力学本质。因为主要研究的是怎样使车辆自适应驾驶员的意图起步，有时为了快速起步而不得不以牺牲冲击度为代价，所以考虑更多的是离合器的寿命目标函数。


（b）离合器寿命目标函数：离合器寿命目标函数是这样定义的：离合器在接合过程中，主要元件与从动元件一直经历由转速不等到转速一致的滑磨过程，离合器频繁的接合和滑磨，使摩擦片很容易磨损，滑磨产生的热量使压盘和飞轮元件温度升高，加剧摩擦片的磨损，降低离合器的使用寿命。因此可以滑磨功来评价离合器的使用寿命。离合器接合过程中，希望滑磨功越小越好，故目标函数为：

式中：Tc—离合器摩擦力矩


We、Wn—发动机、离合器从动轴角速度


W—滑磨功


从上式中可以看到，当离合器摩擦力矩一定时，滑磨时间越长，滑磨功越大。所以从控制滑磨功大小，防止滑磨功过大的方面考虑，在阻力较大的路面上起步时必须限制滑磨时间。另一方面，油门踏板位移较大和油门踏板位移变化率较大时除了可能是路面阻力较大外，也有可能是驾驶员希望快速起步，尽管此时冲击比较大，这时对离合器的结合要求也是希望快速结合。


依此类推，从考虑到离合器的寿命和依据驾驶员的经验可以得出一组模糊推理规则，从而建立一个模糊推理规则表。


具体的参数输入后，通过模糊推理规则表的处理以及运用Mamdani模糊推理方法，得出模糊的输出结果。


模糊推理完成后进行的模糊计算的最后一步：反模糊化处理，这里使用的是重心法。经过批模糊化处理后得到模糊控制输出参数的精确值，精确值可以用来控制离合器的结合过程。


模糊控制用于车辆起步离合器的控制是非常有效的，它能够解决车辆系统难以建立数学模型和难以精确控制的问题，它的控制效果是令人满意的。


三、结束语


模糊控制理论的产生和发展，不是控制理论从确定思维的倒退，而是螺旋式的前进；不是用精确性完全取代模糊性，而是承认精确性向模糊性的逼近，是模糊思维在控制理论领域的重现。


它是沟通人类模糊化自然思维和机械的精确思维之间的科学桥梁，它为我们解决巨人系统、人—机系统和人工智能等问题提供了有效的工具和手段。

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