模糊控制在汽車(chē)離合器中的應用

　　模糊控制和專(zhuān)家系統控制都屬于智能控制的范圍。智能控制是控制理論發(fā)展的第三個(gè)階段。前兩個(gè)階段，經(jīng)典控制理論和現代控制理論統稱(chēng)為傳統(或常規)的控制理論。它們的共同特點(diǎn)是：各種理論和方法都是建立在對象的數學(xué)模型基礎上。但隨著(zhù)認識的深化，認識對象范圍的擴大，人們發(fā)現越來(lái)越多的控制對象具有高度的復雜性，高度的不確定性，很難用精確的數學(xué)模型來(lái)加以描述，而且人們還對其控制提出越來(lái)越高的性能要求。對于這些系統，傳統的控制理論就顯得有些力不從心，需要尋找一種新的理論，新的方法。通過(guò)研究和模仿人的智能行為，將人工智能引入控制理論，這就進(jìn)入了控制理論發(fā)展的第3個(gè)階段——智能控制理論階段。智能控制理論是多種學(xué)科交叉的結果，是在常規控制理論的基礎上，吸收了人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數學(xué)、實(shí)驗心理學(xué)、生理學(xué)等其他科學(xué)中的新思想、新方法而發(fā)展起來(lái)的。它的基本思想就是模仿人的智能對復雜不確定性系統進(jìn)行有效的控制。智能控制系統按系統構成原理可分為專(zhuān)家系統控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制、仿人智能控制等。本文將介紹模糊控制及其在汽車(chē)離合器中的應用。

　　一、模糊控制與模糊控制系統

　　自從1965年加利福尼亞大學(xué)教授扎德(L.A.Zadeh)提出了模糊集合的概念之后，模糊理論得到了飛速發(fā)展，并應用于各個(gè)學(xué)科，產(chǎn)生了模糊識別、模糊控制等一系列前沿學(xué)科。到1974年Momdoni成功地研制出第一臺模糊控制器，從此模糊理論從一種思維方式變成了控制理論中的一種具體應用。模糊控制理論的提出，是現代控制理論、人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要突破，它實(shí)際上是對人類(lèi)長(cháng)期以來(lái)對自然界中一些復雜的、不確定的、無(wú)法用現有數學(xué)工具進(jìn)行描述的對象進(jìn)行定量的模糊描述和控制。它的基本思路在于：人的控制經(jīng)驗一般是用帶有相當大的模糊性的語(yǔ)言來(lái)表達，這些規則的形式正是模糊條件語(yǔ)句的形式，可以用模糊數學(xué)的方法來(lái)描述過(guò)程變量和控制作用的這些模糊概念及它們之間的關(guān)系，又可以根據這種模糊關(guān)系和某時(shí)刻這種過(guò)程變量的檢測值(需化為模糊量)用模糊邏輯推理的方法得出這刻的控制量。

　　模糊控制系統基本結構可由圖1表示：

　　一般來(lái)說(shuō)，模糊控制系統組成同傳統控制系統基本相同，都是由控制器、輸入輸出接口、檢測裝置、執行機構和被控對象組成，只是控制器為模糊控制器。模糊控制器從功能上主要分為4部分：模糊化接口、知識庫、推理機、解模糊化接口。模糊化接口主要功能為：量程轉換，即將輸入的數值映射到相應的輸入論域上;模糊化，即將輸入的精確量轉化為論域上的模糊子集。知識庫包含應用領(lǐng)域方面的知識，主要有數據庫和規則庫組成。數據庫提供所有必要的定義，包括所有輸入、輸出變量所對應的論域以及這些論域上所定義的規則庫中所用的所有模糊子集的定義。規則庫存放模糊控制規則，是對被控對象進(jìn)行控制的一個(gè)知識模型，是操作人員或專(zhuān)家控制經(jīng)驗的總結。推理機主要是采用某種模糊推理方法，由采樣時(shí)刻的輸入和模糊控制規則推導出模糊控制器的控制輸出。解模糊化接口主要功能為：量程轉化，即將輸出作用的論域轉化為輸出物理量的變化范圍;解模糊，即將得到的模糊的控制作用轉化為一個(gè)精確的值。模糊控制器具體工作流程為：控制器從輸入接口獲得一精確輸入，通過(guò)模糊化接口將其化為論域上的模糊子集，推理機檢查模糊輸入同規則前件的匹配度，在符合某一程度上激發(fā)規則，通過(guò)推理的合成算法得到一輸出模糊子集，再將其解模糊化為精確物理輸出值，作用到被控對象上，從而完成一次控制操作。

　　二、模糊控制在汽車(chē)離合器中的應用

　　車(chē)輛起步時(shí)對離合器控制提出了很高的要求。傳統的機械式換擋機構中，離合器的操縱十分復雜，例如，起步時(shí)要求駕駛員根據不同道路環(huán)境條件，負載等各種因素，準確判斷離合器半接合點(diǎn)的位置，以保證車(chē)輛的平穩起步;同時(shí)，還要求離合器踏板、油門(mén)踏板的操縱動(dòng)作的配合準確、協(xié)調。離合器復雜的操作要求很容易造成離合器操作不當，造成車(chē)輛起步過(guò)程中的沖擊及磨損等。針對這些缺點(diǎn)和不足，車(chē)輛上正逐步用自動(dòng)操縱離合器取代手動(dòng)操縱。

　　離合器的起步控制一直是電控機械式自動(dòng)變速器操縱系統的難點(diǎn)和核心。由于外界工作環(huán)境和駕駛員的主觀(guān)意圖是時(shí)刻變化的，而且車(chē)輛本身是一個(gè)時(shí)變、非線(xiàn)性的系統，無(wú)法建立其精確的數學(xué)模型。而傳統的控制方法要用計算機實(shí)現控制，首先要設定控制目標值，根據被控對象的特性變化和環(huán)境變化，通過(guò)負反饋原理不斷進(jìn)行調節以跟蹤所設定的目標值。要設計一個(gè)滿(mǎn)足控制目標的控制器就必須要有控制數學(xué)模型，即輸入到輸出的一個(gè)映射關(guān)系或某種函數關(guān)系，以被控對象的物理系統作數學(xué)的抽象。所以依靠傳統或基于現代控制理論的自動(dòng)控制方法很難很好地解決離合器的起步控制問(wèn)題。而熟練的駕駛員卻可以憑借豐富的駕駛經(jīng)驗，成功地實(shí)現汽車(chē)在各種工況下的平穩起步。人所具有的這種特殊控制能力可以用計算機來(lái)模擬，采用建立在駕駛員經(jīng)驗 基礎之上的模糊邏輯控制方法可望獲得較理想的控制效果。將駕駛員的經(jīng)驗，形成控制語(yǔ)言規則，在實(shí)時(shí)工況下選擇合適的語(yǔ)言變量和控制參數以實(shí)現對離合器的合理控制。

　　(一)控制目標

　　車(chē)輛起步過(guò)程中離合器的模糊控制能夠保證車(chē)輛能夠自適應駕駛員的意圖順利起步。具體表現在：當駕駛員油門(mén)踩得較大而且油門(mén)踩得較快時(shí)，意味著(zhù)此時(shí)駕駛員想快速起步或此時(shí)地面阻力較大，所以離合器的結合速度應較快;反之，當油門(mén)踩得較小而且油門(mén)踩得較慢時(shí)，意味著(zhù)駕駛員想平穩起步或者此時(shí)路面阻力較小，故離合器的結合速度應較慢。處于這兩種條件之間的情況又可分為無(wú)數種，結論既非線(xiàn)性，種類(lèi)也非常繁多?？偟膩?lái)說(shuō)，用模糊控制的方法就是為了實(shí)現在不同駕駛員意圖和不同路面環(huán)境下離合器的起步自動(dòng)控制。

　　(二)模糊控制的輸入輸出參數

　　1.輸入參數

　　由于控制目標是依據駕駛員的意圖及路面條件的變化實(shí)現離合器的自動(dòng)控制，而路面環(huán)境條件的不同可以根據駕駛員踏油門(mén)踏板的意圖反映出來(lái)。應該選擇能夠較好的體現駕駛員意圖的參數作為模糊控制的輸入參數。

　　(a)油門(mén)踏板位移值電控機械式自動(dòng)變速操縱系統中，取消了離合器的人工操縱，只保留了油門(mén)踏板由駕駛員來(lái)控制。駕駛員的起步意圖可以從油門(mén)踏板信號判斷，油門(mén)踏板踏得越深，表明駕駛員希望起步時(shí)間較短，盡管此時(shí)沖擊較大;反之若踏得淺，意味著(zhù)希望車(chē)輛起步要平穩，所以要減緩結合速度。

　　(b)油門(mén)踏板位移變化率油門(mén)踏板位移變化率也是反映駕駛員意圖的一個(gè)重要參數。油門(mén)踏得急，說(shuō)明駕駛員希望較快起步;反之，若油門(mén)踏得緩，意味著(zhù)駕駛員希望以較低的結合速度起步。因此，選擇油門(mén)踏板的位移及其變化率作為模糊控制的兩個(gè)輸入參數。在這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)參數的關(guān)系是并列的，但油門(mén)踏板位移的重要性略重于油門(mén)踏板位移變化率。

　　2.輸出參數

　　(a)離合器半接合點(diǎn)離合器是傳動(dòng)裝置中最關(guān)鍵的部件之一，它能保證發(fā)動(dòng)機空載啟動(dòng)，使車(chē)輛獲得平穩起步以及緊急制動(dòng)時(shí)防止過(guò)載。離合器的接合過(guò)程比較復雜，當車(chē)輛在不同路面上行駛、負載不同、檔位不同時(shí)，離合器接合過(guò)程也不同。因此，離合器接合過(guò)程的理論分析對研究是很重要的。

　　雖然離合器半接合點(diǎn)的位置經(jīng)常在變化，但這并不影響離合器的接合規律，所以研究離合器的控制應首先研究離合器的接合規律。從最大限度發(fā)揮車(chē)輛性能角度看，動(dòng)力傳動(dòng)系性能參數的優(yōu)化是很重要的。而離合器的接合規律是影響傳動(dòng)系性能的主要因素之一。車(chē)輛從靜止到最小穩定車(chē)速之間的速度增長(cháng)過(guò)程取決于離合器的接合方式，所以接合規律的深入探討對于研究動(dòng)力傳動(dòng)系參數優(yōu)化是必不可少的。

　　離合器的接合過(guò)程，理論上可以分為3個(gè)階段，如圖2所示。

　　(1)空行程階段l1：此階段用于消除離合器對偶摩擦面的間隙，對于車(chē)輛和離合器都沒(méi)有任何影響，應盡快結束。(2)滑磨階段l2：該階段主從動(dòng)片產(chǎn)生滑磨，開(kāi)始產(chǎn)生扭矩且扭矩逐漸增大，直到克服最大的滾動(dòng)阻力，使車(chē)輛開(kāi)始運動(dòng)。在此階段內離合器對接合品質(zhì)的影響最大。

　　(3)同步接合階段l3：在該階段中，滑磨停止，扭矩不再增長(cháng)，離合器對接合品質(zhì)已無(wú)任何影響，應盡快結束。

　　第一階段和第三階段在各種情況下對車(chē)輛和離合器均無(wú)任何影響，要求離合器快速結合，要精確控制的只有第二階段即滑磨階段。實(shí)際上，滑磨階段又可以分為兩個(gè)階段：第一階段為從消除間隙后到摩擦力矩等于負載力矩的時(shí)刻，此時(shí)車(chē)輛處于將要運動(dòng)的一瞬間;第二階段為從車(chē)輛開(kāi)始運動(dòng)到離合器主從動(dòng)軸同步為止。如果把車(chē)輛開(kāi)始運動(dòng)時(shí)離合器的行程定為半結合點(diǎn)，那么，離合器半接合點(diǎn)的值是隨負載的不同而變化的。路面阻力大，半接合點(diǎn)的值相應較大;反之，路面阻力小，半接合點(diǎn)的值相應較小。目前半接合點(diǎn)的精確測量是一個(gè)難點(diǎn)，現有的測量方式都在不同程度上造成離合器控制的超調。計算半接合點(diǎn)如果采用傳統算法是無(wú)法建立起它的數學(xué)模型的，針對這個(gè)特點(diǎn)，用模糊控制的方法計算半接合點(diǎn)是比較理想的。因此，將離合器的半接合點(diǎn)定為模糊控制的輸出之一。

　　(b)離合器結合速度車(chē)輛從開(kāi)始運動(dòng)到離合器主從動(dòng)軸完全同步階段，離合器結合速度的控制至關(guān)重要。因為不論從順應駕駛意圖方面考慮或從離合器使用壽命方面考慮，這一階段的控制都影響整個(gè)控制過(guò)程的效果。如果駕駛員的意圖是希望車(chē)輛快速起步，這一階段的結合速度就必須加快;如果駕駛員的意圖是希望車(chē)輛平緩起步，這一階段的結合速度就必須放慢。因此，本階段離合器的結合速度也定為模糊控制的輸出參數。

　　(三)控制過(guò)程分析

　　車(chē)輛起步時(shí)離合器的控制是一個(gè)非線(xiàn)性的過(guò)程。模糊控制能根據系統的一些特性;依據豐富而較合理的經(jīng)驗進(jìn)行直覺(jué)推理，在線(xiàn)確定和改變控制策略。

　　首先根據采集到的油門(mén)踏板位移值及其變化率，將它們分別模糊量化。模糊量化就是將精確的數字量轉換為模糊量，即將輸入的精確量轉變成為與之 相應的隸屬函數。隸屬函數有鐘形，梯形，三角形等形狀，一般認為鐘形最好，但難于計算;三角形次之，最后是梯形。在這里，為了計算方便，選用的是三角形隸屬函數。油門(mén)踏板位移及其變化率的隸屬函數如圖3、圖4所示。

　　μ1為油門(mén)踏板位移隸屬度，μ2為油門(mén)踏板位移變化率的隸屬度;X為油門(mén)踏板位移值的大小，Y為油門(mén)踏板位移變化率的大小。X和Y均取為從0～100之間變化是為了計算隸屬度時(shí)方便。具體計算模糊控制輸出時(shí)再將它們換算成為實(shí)際值。再將輸出參數進(jìn)行模糊化處理，如圖5、圖6所示。

　　其中μ3為半接合點(diǎn)隸屬度，μ4為結合速度隸屬度;Z1為半接合點(diǎn)的值，Z2為結合速度的值。同樣道理，為了計算隸屬度的方便，半接合點(diǎn)的值和結合速度的值都先取從0～100之間變化，具體計算最后輸出時(shí)再換算過(guò)來(lái)。

　　然后建立起一系列模糊推理規則。這里有2個(gè)輸入參數，各種不同輸入參數的組合將得到不同的輸出。模糊推理規則是依據離合器的壽命目標函數和優(yōu)秀駕駛員的經(jīng)驗來(lái)確定的。

　　在離合器的整個(gè)接合過(guò)程中，應該做到接合平順、柔和，同時(shí)應該減少滑磨功，使磨損盡可能小，延長(cháng)離合器的使用壽命。這是對離合器使用性能提出的要求。為了評價(jià)這兩個(gè)要求，可以分別建立他們的目標函數。

　　(a)接合平順性目標函數。對接合平順性影響最大的是離合器接合時(shí)引起的傳動(dòng)系扭矩波動(dòng)，所以，可把車(chē)身的縱向加速的變化率，即沖擊度j作為評價(jià)指標。

　　式中：TOT—變速器輸出軸轉矩

　　io—變速器輸出軸至驅動(dòng)輪傳動(dòng)比

　　IW—與變速器輸出軸相連的慣量

　　rr—驅動(dòng)輪半徑

　　j與離合器接合扭矩的導數成正比，波動(dòng)值dTot/dt越大，j也越大，j能較好地反映離合器接合過(guò)程的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)。因為主要研究的是怎樣使車(chē)輛自適應駕駛員的意圖起步，有時(shí)為了快速起步而不得不以犧牲沖擊度為代價(jià)，所以考慮更多的是離合器的壽命目標函數。

　　(b)離合器壽命目標函數：離合器壽命目標函數是這樣定義的：離合器在接合過(guò)程中，主要元件與從動(dòng)元件一直經(jīng)歷由轉速不等到轉速一致的滑磨過(guò)程，離合器頻繁的接合和滑磨，使摩擦片很容易磨損，滑磨產(chǎn)生的熱量使壓盤(pán)和飛輪元件溫度升高，加劇摩擦片的磨損，降低離合器的使用壽命。因此可以滑磨功來(lái)評價(jià)離合器的使用壽命。離合器接合過(guò)程中，希望滑磨功越小越好，故目標函數為：

　　式中：Tc—離合器摩擦力矩

　　We、Wn—發(fā)動(dòng)機、離合器從動(dòng)軸角速度

　　W—滑磨功

　　從上式中可以看到，當離合器摩擦力矩一定時(shí)，滑磨時(shí)間越長(cháng)，滑磨功越大。所以從控制滑磨功大小，防止滑磨功過(guò)大的方面考慮，在阻力較大的路面上起步時(shí)必須限制滑磨時(shí)間。另一方面，油門(mén)踏板位移較大和油門(mén)踏板位移變化率較大時(shí)除了可能是路面阻力較大外，也有可能是駕駛員希望快速起步，盡管此時(shí)沖擊比較大，這時(shí)對離合器的結合要求也是希望快速結合。

　　依此類(lèi)推，從考慮到離合器的壽命和依據駕駛員的經(jīng)驗可以得出一組模糊推理規則，從而建立一個(gè)模糊推理規則表。

　　具體的參數輸入后，通過(guò)模糊推理規則表的處理以及運用Mamdani模糊推理方法，得出模糊的輸出結果。

　　模糊推理完成后進(jìn)行的模糊計算的最后一步：反模糊化處理，這里使用的是重心法。經(jīng)過(guò)批模糊化處理后得到模糊控制輸出參數的精確值，精確值可以用來(lái)控制離合器的結合過(guò)程。

　　模糊控制用于車(chē)輛起步離合器的控制是非常有效的，它能夠解決車(chē)輛系統難以建立數學(xué)模型和難以精確控制的問(wèn)題，它的控制效果是令人滿(mǎn)意的。

　　三、結束語(yǔ)

　　模糊控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展，不是控制理論從確定思維的倒退，而是螺旋式的前進(jìn);不是用精確性完全取代模糊性，而是承認精確性向模糊性的逼近，是模糊思維在控制理論領(lǐng)域的重現。

　　它是溝通人類(lèi)模糊化自然思維和機械的精確思維之間的科學(xué)橋梁，它為我們解決巨人系統、人—機系統和人工智能等問(wèn)題提供了有效的工具和手段。