柴油機調速系統的模糊控制技術

趙小軍

（九江學院，江西 九江 332005）

模糊控制技術是一種基于模糊數學理論，并通過模擬人的推理和綜合決策過程的高科技技術，是現代智能控制技術的重要組成部分，其使控制算法的可控性、適應性以及合理性得到了充分的發揮。

而柴油機作為現代大多數工程機械以及汽車等設備的主要動力源，其工作性質有著復雜、重載、大負荷等特點，所以隨著柴油機的功率和轉速的不斷變化，其耗油量也很難得到控制。將模糊控制技術合理而科學地應用于柴油機的調整系統中，可以有效地穩定和控制柴油機的轉速問題，在提高柴油機性能的同時，也節省了大量的能源消耗。

1 模糊控制的概念

1.1 模糊控制理論

傳統的控制理論，對于比較明確的系統，有著有效的控制能力，但是對于一些較為復雜和精密系統的控制，則較為困難。所以利用模糊數學的基本思想和理論，來對復雜機械進行控制的方法，能夠實現系統的動態信息精確與詳細，從而達到精確控制的目的。

模糊控制是一種宏觀的系統控制方法，其加入具體的規則方式，來表達實際控制中的專家知識和規則。模糊控制最大的特征，就是將專家的控制經驗和知識，表達成語言規則，采用規則來完成目標系統的控制，因此非常適用于如柴油發動機等數學模型未知的、復雜的、非線性的系統控制。

1.2 模糊控制器的組成

模糊控制器通常由4部分組成，即模糊化接口、知識庫、模糊推理機、解模糊接口。各部分的作用如下：

（1）模糊化接口。模糊化接口接受到只有誤差信號的輸入，然后生成誤差的變化率或者誤差的差分值，最后來完成論域的變換和模糊化。

（2）知識庫。知識庫是模糊控制器的重要部分，其存貯著模糊控制器相關的一切知識，并決定著模糊控制器的最終性能。模糊控制器中的數據庫，存貯著模糊化、模糊推理以及解模糊的一切知識，其中包括模糊化中的論域變換方法、輸入變量各模糊集合的函數定義、模糊護理算法、解模糊算法、變量輸出各模糊集合的函數定義等。

規則庫負責模糊控制規則形式的條件語句的存貯，如“if……then……”等

（3）模糊推理機。模糊控制所應用的是廣義的前向推理方式。

（4）解模糊接口。解模糊接口主要包括解模糊和論域反變換兩部分。

2 柴油機的模糊控制系統

2.1 柴油機的模糊控制方法

對于柴油機的復雜系統，建立一個較為科學、合理且精確的數學模型，是非常困難的。在對柴油機的調速控制進行研究時，雖然通過測量可以得到其模型，但對于多變量的非線性變化來說，很難掌握其控制的精確度。

而模糊控制技術，則只要依據操作者實踐經驗和直觀推斷，還有設計人員和研發人員的知識儲備和經驗累積來完成，所以其適應性和主觀性較強。也就是說柴油機的調整模糊控制方法，不需要建立精確的數學模型，只需要在常規的模糊控制器上，建立一種在線修正因子和量化因子的自調整模糊控制器，這種修正算法能夠進行智能的分析和識別系統的輸出狀態，從而動態且獨立地對量化因子和比例因子進行在線修正，來調節整個控制過程中的控制性能。因此，采用模糊控制技術對柴油機進行轉速控制的方法，非常有效。

2.2 柴油機的轉速控制系統

作為被控制對象的柴油機，要考慮其延遲性，并經過線性化處理后，可近似為一個一階或者二階系統。柴油機的模糊控制系統的執行器，通常采用電磁執行器，可以認為是一個比例環節。柴油機和執行器這兩環節，對于一個已知的控制系統來說，應該為確定的。模糊控制器能夠在柴油機的運行狀態下，自動調節模糊控制規則，使柴油機在工況變化顯著的情況下，仍然能夠得到有效的控制。柴油機的轉速控制系統應該如圖1所示。

圖1 柴油機轉速控制系統

柴油發動機的噴油量，如果想要在某一轉速下得到精確控制，可考慮在供油拉桿處增加一臺步進電機如圖2所示。

圖2 柴油機系統結構

控制單元對步進電機進行控制，在反向電流通過時，供油拉桿的位移量會減小，當正向電流通過時，供油拉桿的位移量就會增加。控制單元可以通過接收安裝在發動機輸出軸上的轉速傳感器信號，和安裝在供油拉桿上的位移傳感器信號，來計算柴油機的基本噴油量。如果在柴油發動機運行過程中的某一時段，設定為定速運行，柴油機便應該以此轉速進行勻速運行。但如果柴油機受到外界干擾，致使轉速發生變化的話，控制單元就會控制步進電機的工作，從而改變供油拉桿的位置，將轉速進行調整，以達到設定值。

2.3柴油機模糊控制設計的重要因素

（1）變量的選擇。控制變量對系統的性能有很大的影響，所以控制變量的選擇，不但要具有系統特性，還要具有高度的準確性。進行轉速控制時，系統的輸出與設定值之間的誤差，可以當做模糊控制器的輸入變量。通常情況下，可以選用系統的輸出、輸出變量、輸出誤差、輸出誤差變量及輸出誤差量總和等，來做為模糊控制系統的語言變量。但在具體的設計中，如何進行選擇，或根據設計師對系統的了解和經驗知識來確定。所以工程師的豐富經驗和高水平的專業知識，是控制變量選擇的首要條件。

（2）模糊分割。在控制變量選擇并確定之后，就要對模糊控制器的輸入變量和輸出變量空間進行模糊分割，然后再根據經驗和專業知識，來完成控制規則的編寫。進行模糊分割時，各領域之間的重疊程度，會嚴重影響控制系統的性能，通常模糊領域間重疊的程度沒有一定的明確方法，大多依據模擬和實驗的調整來決定分割，所以效果的理想程度并不算太高。模糊分割時重疊的部分，代表著模糊控制規則間的模糊程度，所以模糊分割是模糊控制的主要特征。

（3）模糊控制規則的獲取。在實際的柴油機調整系統模糊控制設計中，專業的經驗和知識，是設計線索的基礎。模糊控制規則的決策分析通常可用“if……then……”的語言形式表現出來。

模糊控制規則應該多次進行試誤法來進行修正，以獲取最佳的模糊控制規則，從而使系統的性能得到有效發揮。模糊控制系統在控制上，不但要考慮知識的獲得，也在考慮技巧的獲得。所以在實際的操作工作中，有效地記錄下操作員的操作模式，根據柴油機不同的轉速來提出相應的模糊控制規則表，也是獲取并構成控制規則的重要方式。

此外，在設計模糊規則時，先要選擇好各個階段的特征點，并記錄在模糊控制規則的前件部，然后再考慮在該點采取的動作記錄在模糊控制規則的后件部。

3 結束語

應用模糊控制技術對柴油發動機進行調速控制時，可以根據實際經驗來建立模糊規則表，并運用規則進行科學的模糊推理。通過對柴油機轉速的變化分析，來達到其隸屬度，然后代入公式進行計算，再進行解模糊，便可得到轉速控制的精確值和轉速的預控制，達到柴油機轉速調整的目的。模糊控制技術對于提高柴油機的調速系統性能和節能減排，有著重要的作用和意義，值得深入研究和推廣。

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