模糊控制工程机械论文

1换档规律

曲线是某高原型装载机全程调速的柴油机、变矩器和变速箱共同工作，油门开度一定，即泵轮转速一定时，4个档位的变矩器效率曲线．在发动机与液力变矩器匹配关系确定的情况下，影响传动系统效率的主要因素有：液力变矩器的传动效率﹑变速箱及各部分传动轴的传动效率．由于变速箱及各部分传动轴是纯机械传动，其效率可以认为是定值．于是，的变矩器效率曲线反映了液力变矩器传动效率的变化．相同泵轮转速的相邻曲线交点A，B，C就是所求该泵轮转速的换档点（变速箱输出轴转速）．对所有可能泵轮转速，求出对应于该泵轮转速的换档点，这样就可以得到装载机效率换档规律的换档曲线．

2模糊换档控制器的建立

模糊控制器的设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量．通常将模糊控制器输入变量个数称为模糊控制器的维数．模糊控制器的维数越高，控制越精细．但是维数过高，模糊控制规则就会变得很复杂，实现控制算法相对困难．所以本文设计的是二维模糊控制器．自动换档模糊控制器是整个控制系统的核心，它由模糊化、模糊推理、反模糊化等多个知识库模块组成，其工作原理是：由模糊控制器采集车辆的各种信号，如油门开度、发动机转速、涡轮转速、档位等，通过对各参数的分析，控制器可判别系统的工作状况，根据换档规律决定是否换档，从而保证传动系统效率最高、性能最优．本文选择发动机转速nB，变速箱输出轴转速n2作为输入变量，取变速箱档位i为输出变量。

2．1输入、输出变量论域的确定

输入量的真实论域（即变化范围）要变换到模糊控制器的内部论域．将泵轮转速分别变换到内部论域为：｛0，1，2，3，4，…，11，13｝，变速箱输出轴转速内部论域｛0，1，2，3，4，…，14，15｝，档位内部论域｛0，1，2，3，4｝．根据某高原型装载机的实际运行情况，取泵轮转速、变速箱输出轴转速的变化范围分别为：［800，2400］，［0，2000］，可得量化因子k1＝1／200，k2＝1／133．

2．2模糊化

在这个部分中，系统精确的输入量被转化成模糊量．将输入参数泵轮转速nB划分为5个模糊集合，变速箱输出轴转速n2划分为7个模糊集合．对于输入nB，有极小（VS）、小（S）、中（M）、大（B）、极大（VB）5个隶属函数；对于输入n2，有极小（VS）、小（S）、中小（MS）、中（M）、中大（MB）、大（B）、极大（VB）7个隶属函数．输出量档位y以单点表示，其取值为：1档（1），2档（2），3档（3），4档（4）．

2．3定义语言变量的隶属度函数

隶属函数在模糊控制系统中所起的作用是将普通的清晰量转化为模糊量，以便进行模糊逻辑运算和推理，并将模糊推理合成出的结果逆模糊化为普通的清晰量，以便驱动执行器达到控制目的．隶属函数应覆盖整个取值范围，并在整个取值范围内均匀分布．隶属函数曲线形状较尖的模糊子集分辨率较高，控制灵敏度也较高．相反，隶属函数曲线较缓，控制特性和系统特性也较平缓，系统稳定性较好．某个取值范围需要敏感一些，则相应的隶属函数可取“密”一些．另外，各模糊子集之间也有相互影响，即隶属函数之间有重叠．一般重叠的隶属度值μ为0．4～0．8，μ值过大易造成2个模糊子集难以区分，使控制的灵敏度显著降低；μ值过小则会使系统变得过于复杂．发动机怠速转速为800r／min，当发动机转速低于怠速转速时，不满足工作要求，故VSSigmoid型隶属度函数比较接近实际．其他的函数采用高斯函数。根据装载机效率换档规律的换档曲线，对变速箱输出轴转速取前4个隶属函数密一些，后3个隶属函数稍稀一些．变速箱输出轴转速n2的各模糊子集的隶属函数曲线．档位的隶属度函数取单点分布．对输出档位y各子集（1，2，3，4）的隶属函数。

2．4模糊控制规则的建立

模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而对于车辆的换档过程，手动控制策略就是驾驶员操作经验的积累．为保证液力变矩器高效性，本文采用二输入一输出的控制器，输入参数泵轮转速nB取5个语言值，变速箱输出轴转速n2取7个语言值，则控制规则数为5×7＝35个．这样，控制的知识库可以描述成35个If－Then形式的规则。

3仿真结果分析

为了验证上述换档规律的正确性，根据某高原型装载机动力传动系统数学模型及效率换档规律，建立了基于模糊控制的效率换档规律Matlab／simulink仿真模型。仿真初始条件如下：泵轮和变速箱输出轴的初始转速nB＝2200r／min，n2＝2900r／min；油门取100％；仿真时间为200s．仿真结果如图10所示．随着负载力矩的增加，变矩器逐渐进入低效区，变速箱自动进行降档，由4档降至3档，在3档停留一段时间后降至2档，在2档停留一定时间后降至1档，以保证液力变矩器在高效区工作．然后，随着负载力矩的减小，变矩器又逐渐进入低效区，变速箱也自动进行升档，以保证液力变矩器在高效区工作．仿真结果证明了模糊控制器能够控制变速箱换档来保证液力变矩器在高效区工作。

4结论

针对工程机械工作特点及动力传动系统效率低问题，从液力变矩器和变速箱入手，提出了利用变速箱换档来控制液力变矩器始终工作在高效区的效率换档规律，并开发了采用多输入单输出结构的模糊控制器．在一定初始条件下进行的仿真试验结果表明，基于模糊控制的效率换档规律可以通过变速箱换档来保持液力变矩器在高效区工作．

作者：诸绍龙 彭耀润 田晋跃 单位：江苏华通动力重工机械有限公司 江苏大学