模糊控制在汽車離合器中的應用

　　模糊控制和專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展的第三個階段。前兩個階段，經典控制理論和現代控制理論統稱為傳統(或常規)的控制理論。它們的共同特點是：各種理論和方法都是建立在對象的數學模型基礎上。但隨著認識的深化，認識對象范圍的擴大，人們發現越來越多的控制對象具有高度的復雜性，高度的不確定性，很難用精確的數學模型來加以描述，而且人們還對其控制提出越來越高的性能要求。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，這就進入了控制理論發展的第3個階段——智能控制理論階段。智能控制理論是多種學科交叉的結果，是在常規控制理論的基礎上，吸收了人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、實驗心理學、生理學等其他科學中的新思想、新方法而發展起來的。它的基本思想就是模仿人的智能對復雜不確定性系統進行有效的控制。智能控制系統按系統構成原理可分為專家系統控制、模糊控制、人工神經網絡控制、仿人智能控制等。本文將介紹模糊控制及其在汽車離合器中的應用。

　　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展，并應用于各個學科，產生了模糊識別、模糊控制等一系列前沿學科。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、人工智能領域的一個重要突破，它實際上是對人類長期以來對自然界中一些復雜的、不確定的、無法用現有數學工具進行描述的對象進行定量的模糊描述和控制。它的基本思路在于：人的控制經驗一般是用帶有相當大的模糊性的語言來表達，這些規則的形式正是模糊條件語句的形式，可以用模糊數學的方法來描述過程變量和控制作用的這些模糊概念及它們之間的關系，又可以根據這種模糊關系和某時刻這種過程變量的檢測值(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：

　　一般來說，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，是對被控對象進行控制的一個知識模型，是操作人員或專家控制經驗的總結。推理機主要是采用某種模糊推理方法，由采樣時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規則，通過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、模糊控制在汽車離合器中的應用

　　車輛起步時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，起步時要求駕駛員根據不同道路環境條件，負載等各種因素，準確判斷離合器半接合點的位置，以保證車輛的平穩起步;同時，還要求離合器踏板、油門踏板的操縱動作的配合準確、協調。離合器復雜的操作要求很容易造成離合器操作不當，造成車輛起步過程中的沖擊及磨損等。針對這些缺點和不足，車輛上正逐步用自動操縱離合器取代手動操縱。

　　離合器的起步控制一直是電控機械式自動變速器操縱系統的難點和核心。由于外界工作環境和駕駛員的主觀意圖是時刻變化的，而且車輛本身是一個時變、非線性的系統，無法建立其精確的數學模型。而傳統的控制方法要用計算機實現控制，首先要設定控制目標值，根據被控對象的特性變化和環境變化，通過負反饋原理不斷進行調節以跟蹤所設定的目標值。要設計一個滿足控制目標的控制器就必須要有控制數學模型，即輸入到輸出的一個映射關系或某種函數關系，以被控對象的物理系統作數學的抽象。所以依靠傳統或基于現代控制理論的自動控制方法很難很好地解決離合器的起步控制問題。而熟練的駕駛員卻可以憑借豐富的駕駛經驗，成功地實現汽車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模擬，采用建立在駕駛員經驗 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。將駕駛員的經驗，形成控制語言規則，在實時工況下選擇合適的語言變量和控制參數以實現對離合器的合理控制。

　　(一)控制目標

　　車輛起步過程中離合器的模糊控制能夠保證車輛能夠自適應駕駛員的意圖順利起步。具體表現在：當駕駛員油門踩得較大而且油門踩得較快時，意味著此時駕駛員想快速起步或此時地面阻力較大，所以離合器的結合速度應較快;反之，當油門踩得較小而且油門踩得較慢時，意味著駕駛員想平穩起步或者此時路面阻力較小，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數種，結論既非線性，種類也非常繁多。總的來說，用模糊控制的方法就是為了實現在不同駕駛員意圖和不同路面環境下離合器的起步自動控制。

　　(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現離合器的自動控制，而路面環境條件的不同可以根據駕駛員踏油門踏板的意圖反映出來。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)油門踏板位移值電控機械式自動變速操縱系統中，取消了離合器的人工操縱，只保留了油門踏板由駕駛員來控制。駕駛員的起步意圖可以從油門踏板信號判斷，油門踏板踏得越深，表明駕駛員希望起步時間較短，盡管此時沖擊較大;反之若踏得淺，意味著希望車輛起步要平穩，所以要減緩結合速度。

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

　　2.輸出參數

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

　　雖然離合器半接合點的位置經常在變化，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。從最大限度發揮車輛性能角度看，動力傳動系性能參數的優化是很重要的。而離合器的接合規律是影響傳動系性能的主要因素之一。車輛從靜止到最小穩定車速之間的速度增長過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力傳動系參數優化是必不可少的。

　　離合器的接合過程，理論上可以分為3個階段，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，對于車輛和離合器都沒有任何影響，應盡快結束。(2)滑磨階段l2：該階段主從動片產生滑磨，開始產生扭矩且扭矩逐漸增大，直到克服最大的滾動阻力，使車輛開始運動。在此階段內離合器對接合品質的影響最大。

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

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

　　(b)離合器結合速度車輛從開始運動到離合器主從動軸完全同步階段，離合器結合速度的控制至關重要。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控制過程的效果。如果駕駛員的意圖是希望車輛快速起步，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)控制過程分析

　　車輛起步時離合器的控制是一個非線性的過程。模糊控制能根據系統的一些特性;依據豐富而較合理的經驗進行直覺推理，在線確定和改變控制策略。

　　首先根據采集到的油門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為油門踏板位移隸屬度，μ2為油門踏板位移變化率的隸屬度;X為油門踏板位移值的大小，Y為油門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方便。具體計算模糊控制輸出時再將它們換算成為實際值。再將輸出參數進行模糊化處理，如圖5、圖6所示。

　　其中μ3為半接合點隸屬度，μ4為結合速度隸屬度;Z1為半接合點的值，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再換算過來。

　　然后建立起一系列模糊推理規則。這里有2個輸入參數，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秀駕駛員的經驗來確定的。

　　在離合器的整個接合過程中，應該做到接合平順、柔和，同時應該減少滑磨功，使磨損盡可能小，延長離合器的使用壽命。這是對離合器使用性能提出的要求。為了評價這兩個要求，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引起的傳動系扭矩波動，所以，可把車身的縱向加速的變化率，即沖擊度j作為評價指標。

　　式中：TOT—變速器輸出軸轉矩

　　io—變速器輸出軸至驅動輪傳動比

　　IW—與變速器輸出軸相連的慣量

　　rr—驅動輪半徑

　　j與離合器接合扭矩的導數成正比，波動值dTot/dt越大，j也越大，j能較好地反映離合器接合過程的動力學本質。因為主要研究的是怎樣使車輛自適應駕駛員的意圖起步，有時為了快速起步而不得不以犧牲沖擊度為代價，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：離合器在接合過程中，主要元件與從動元件一直經歷由轉速不等到轉速一致的滑磨過程，離合器頻繁的接合和滑磨，使摩擦片很容易磨損，滑磨產生的熱量使壓盤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。因此可以滑磨功來評價離合器的使用壽命。離合器接合過程中，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—發動機、離合器從動軸角速度

　　W—滑磨功

　　從上式中可以看到，當離合器摩擦力矩一定時，滑磨時間越長，滑磨功越大。所以從控制滑磨功大小，防止滑磨功過大的方面考慮，在阻力較大的路面上起步時必須限制滑磨時間。另一方面，油門踏板位移較大和油門踏板位移變化率較大時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，盡管此時沖擊比較大，這時對離合器的結合要求也是希望快速結合。

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

　　具體的參數輸入后，通過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。經過批模糊化處理后得到模糊控制輸出參數的精確值，精確值可以用來控制離合器的結合過程。

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

　　三、結束語

　　模糊控制理論的產生和發展，不是控制理論從確定思維的倒退，而是螺旋式的前進;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域的重現。

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