基于模糊PID的低速工况离合器控制优化

1.模糊PID 控制器设计

在车辆实际运行中，其运动状态是实时变化的，采用一成不变的PID（proportion integral differential、比例、积分、微分）控制参数Kp、Ki、Kd 不能适应所有时刻的车辆运行状态。本书采用模糊PID 控制器对车辆的运动状态进行控制，并借助Matlab 中的模糊逻辑工具箱对模糊PID 模块进行设计。

本书的模糊PID 控制器中的模糊模块结构如图8.2所示。

图8.2　本书的模糊PID 控制器中的模糊模块结构

模糊控制器采用mamdani 型算法，把目标变速器输入轴转速nw 与实际变速器输入轴转速n1 的差值en 及其变化率ecn 当作模糊控制器的输入。

式中，nw 为目标变速器输入轴转速；en 为nw 与n1 的差值；ecn 为en 的变化率；其余参数同前。

为了能够使控制更加精准，选择将输入量与输出量划分为7 个隶属度函数，NB 为负方向大偏差，NM 为负方向中偏差，NS 为负方向小偏差，ZO 为0偏差，PS，PM 与PB 分别代表正方向的小偏差、中偏差与大偏差。其模糊集合为

确定了模糊集合后，要确定各个量的隶属度函数。输入量en 采用三角形隶属度函数，对目标转速nw 与实际转速n1 的差值进行分析，结合实际的用车条件与试验条件，确定其取值范围为［－800，800］。图8.3所示为输入量en隶属度函数图像。

图8.3　输入量en 隶属度函数图像

输入量ecn 同样采用三角形隶属度函数，对ecn 的来源进行分析，并结合实际情况，确定其取值范围为［－400，400］。图8.4所示为输入量ecn 隶属度函数图像。

图8.4　输入量ecn 隶属度函数图像

模糊控制的输出量，Kp、Ki、Kd 的隶属度函数图像分别如图8.5 ～图8.7所示。

图8.5　Kp 的隶属度函数图像

图8.6　Ki 的隶属度函数图像

图8.7　Kd 的隶属度函数图像

对于模糊控制的输出量Kp、Ki、Kd 的取值范围，通过模型调试和试验，确定其最佳取值范围分别为［0.4，0.6］、［0，0.1］、［0.15，0.25］。

得到隶属度函数之后，要利用模糊规则，在输入量与输出量之间建立联系。模糊规则是由49 条模糊条件语句组成的，这些模糊规则来自实际驾驶时驾驶员操作方式，是通过归纳总结大量的实际驾驶数据并分析而来的。以一种实际情况为例，结合实际要求，当en 与ecn 都处于正方向大偏差的状态时，即nw 远大于n1，并且差值还在迅速增大的情况下，应当使模糊PID 输出的控制量pidvalue 变小，因此为了加快系统的响应速度，Kp 应取负方向大偏差值，Ki 应取正方向大偏差值，Kd 应取0 偏差值。以此类推，可以得到对应于Kp、Ki、Kd 的模糊规则，如表8.1 ～表8.3所示。

表8.1　Kp 的模糊规则

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表8.2　Ki 的模糊规则

表8.3　Kd 的模糊规则

确定了模糊规则之后，要将其放入模糊逻辑工具箱中，图8.8所示为部分模糊规则语句。

图8.8　部分模糊规则语句

模糊控制器在利用模糊规则对输入量进行处理之后，得到输出量的模糊值，此时需要对其进行去模糊化处理。在本节中选用最大隶属度函数法，在模糊逻辑工具箱Defuzzification 菜单中选择mom。最后可以得到输出量Kp、Ki、Kd 与输入量en、ecn 之间的关系，如图8.9 ～图8.11所示。

随后，将模糊控制器的输出量传递给PID 控制模块，模糊控制器与PID控制器接合，得到模糊PID 控制器。PID 模块将模糊控制器的输出量分别当作比例、积分、微分环节系数，PID 模块利用这三个参数，对输入量en 进行处理，得到控制量pidvalue。模糊PID 控制器结构如图8.12所示。

图8.9　Kp 与输入量en、ecn 之间的关系

图8.10　Ki 与输入量cn、ecn 之间的关系

图8.11　Kd 与输入量en、ecn 之间的关系

图8.12　模糊PID 控制器结构

2.实车试验与分析

1）怠速过程

怠速过程试验曲线如图8.13所示。由图可以看出，在虚线A 处，变速器输入轴转速低于目标范围，TCU 控制离合器接合来调高车速；在虚线B 和C处，变速器输入轴转速高于目标范围，TCU 控制离合器分离来降低车速；虚线D 处，滑摩时间大于规定值，因为没踩加速踏板，离合器完全分离。整个过程，变速器输入轴转速大致为发动机转速的一半，符合最初的设定目标。

图8.13　怠速过程试验曲线

2）非怠速过程

非怠速过程试验曲线如图8.14所示。由图可以看出，在虚线A 处，变速器输入轴转速低于目标范围，TCU 控制离合器接合来调高车速；在虚线B 处，变速器输入轴转速高于目标范围，TCU 控制离合器分离来降低车速；虚线C处，滑摩时间大于规定值，因为踩下加速踏板，离合器完全接合，变速器输入轴与发动机输出轴同步。整个过程，变速器输入轴平均转速大致为发动机转速的一半，符合最初的设定目标。

图8.14　非怠速过程试验曲线