液壓平地機(jī)的模糊換擋控制

周瑞浩　鄒傳伍　魏華　田雯

摘 要：通過對影響液壓平地機(jī)換擋因素的分析，提出了模糊換擋控制方法，利用MATLAB的Fuzzy Control工具箱完成換擋的模糊控制算法設(shè)計(jì)，建立相應(yīng)的模糊控制響應(yīng)表，在軟件CoDeSys開發(fā)平臺編寫程序進(jìn)行仿真。

關(guān)鍵詞：液壓平地機(jī)；模糊控制；Fuzzy Control工具箱；CoDeSys

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.038

1 緒論

平地機(jī)是一種以鏟刀作為工具的施工機(jī)械，主要是在大面積平整地上進(jìn)行工作，比如道路、機(jī)場、農(nóng)田水利等地方，也主要作用于其他方面的施工，包括刮婆、挖溝、推土、松土、清除路面冰雪等[1]。平地機(jī)有100多年的發(fā)展歷史，經(jīng)過機(jī)電一體化，走向自動化和智能化，這種發(fā)展路徑，主要體現(xiàn)在平地機(jī)的換擋方面。傳統(tǒng)控制方法都是在確定的數(shù)學(xué)模型上建立的，但由于平地機(jī)的工作狀況復(fù)雜、工作范圍大，工作中的負(fù)載是時變的、復(fù)雜的，所以要建立精確的復(fù)雜模型是極其困難的。為減少繁重的建模工作量 ，提出了二參數(shù)模糊換擋控制策略，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)：刂埔?guī)則，實(shí)現(xiàn)了對平地機(jī)的換擋決策控制。

2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

模糊化、知識庫、模糊推理、去模糊化是模糊控制器的四個模塊。對于常規(guī)的模糊控制器一般是采用二個輸入，即二維控制器，即輸出的誤差量（e）和誤差的改變量（ec），來作為模糊控制器的輸入量其具體的系統(tǒng)如圖1所示[2]。

3 液壓平地機(jī)換擋模糊控制器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用作業(yè)質(zhì)量、油門開度兩個輸入來作為輸入量，擋位選擇作為輸出量，是屬于多輸入單輸出的系統(tǒng)（MISO），它相對應(yīng)的模糊控制器輸入輸出關(guān)系圖如圖2所示[2]。

3.1 控制變量模糊化及量化因子

模糊換擋系統(tǒng)采用多輸入單輸出結(jié)構(gòu)，根據(jù)作業(yè)質(zhì)量、油門開度的大小，按照一定的模糊控制規(guī)則和推理方法，進(jìn)行擋位決策[3]。

作業(yè)質(zhì)量m的模糊量：“小”（VS）、“中小”（FS）、“中”（M）、“中大”（FL）、“大”（VL）共五個。取其論域?yàn)椋簕0，1，2，3，4，5，6，7，8}。

油門開度α的模糊量：“小”（VS）、“中小”（FS）、“中”（M）、“中大”（FL）、“大”（VL）共五個，取其論域?yàn)椋簕0，1，2，3，4，5，6，7，8}。

以單點(diǎn)來表示檔位u ，分別為 “微動擋”（V擋）速度3.5km/h、“低速大負(fù)荷作業(yè)擋”（I擋）速度7km/h、“中輕負(fù)荷作業(yè)擋”（II擋）速度11km/h、“除冰雪作業(yè)擋”（III擋）速度16km/h、“高速行駛擋”（IV擋）速度24km/h。

3.2 模糊量的隸屬函數(shù)

作業(yè)質(zhì)量m的各模糊子集的隸屬度曲線如圖3a所示，油門開度α的模糊子集的隸屬度曲線如圖3b所示，擋位選擇的模糊子集的隸屬度函數(shù)曲線如圖3c[4]。

3.3 模糊推理

采用生成式規(guī)則建立系統(tǒng)知識庫[2]。 其中具體的知識庫規(guī)則如下所示：

1. If （m is VS） and （alpha is VS） then （u is IV擋） ；

2. If （m is VS） and （alpha is FS） then （u is II擋） ；

…

24. If （m is VL） and （alpha is FL） then （u is V擋） ；

25. If （m is VL） and （alpha is VL） then （u is V擋） ；

其中關(guān)系矩陣 R 的生成式由以上的規(guī)則的并組成， 可用下式表述[2]：

（（VS*VS）T·IV） ∪（（VS*FS）T·IV）∪…∪（（VL*FL）T·V） ∪（（VL*VL）T·V。其中具體的模糊糊控制表總見表1。

3.4 去模糊化

去模糊化的方法普遍有“最大隸屬度法”、“加權(quán)平均法”、“面積等分法”等。 由于加權(quán)平均法可以在最大程度上包含系統(tǒng)信息而被廣泛采用，其公式為[4]：

（1）

式中，系數(shù)ki的選擇根據(jù)實(shí)際情況而定。對于不同系統(tǒng)的系數(shù)，系統(tǒng)的響應(yīng)特性不同。

通過MATLAB進(jìn)行動態(tài)仿真，得到如圖4所示的模糊換擋策略。

通過進(jìn)行一系列的總結(jié)、修正得到模糊控制查詢表，如表 2 所示。將所得的模糊控制查詢表存入專用控制器系統(tǒng)擴(kuò)展程序存儲器（ROM）中。

4 CODESYS程序測試對比

創(chuàng)建一個PLC_PRG主函數(shù)調(diào)用其它功能，程序如下：

聲明部分：

PROGRAM PLC_PRG

VAR

END_VAR

VAR_INPUT

M： INT；

A： INT；

END_VAR

VAR_OUTPUT

D： INT；

END_VAR主體部分如下圖5：

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該程序能有效的通過作業(yè)質(zhì)量與油門開度得到車輛的檔位，例如當(dāng)作業(yè)質(zhì)量“中小”，油門開度“小”時，系統(tǒng)仿真輸出為5檔，即微動擋”（V擋）速度3.5km/h。

5 結(jié)束語

本文利用模糊控制的魯棒性，平穩(wěn)性，對平地機(jī)的換擋進(jìn)行模糊設(shè)計(jì)，在PLC軟件平臺上實(shí)現(xiàn)了控制算法，液壓平地機(jī)的換擋問題得以改善，使液壓平地機(jī)可以根據(jù)作業(yè)狀況、油門開度實(shí)時的自動選擇檔位，減少了人為干預(yù)，使得換擋更為平緩干擾性得到提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]焦生杰.國內(nèi)外平地機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與新技術(shù)[D].西安：長安大學(xué)，2008.

[2]熊濤，吳向前.基于模糊控制的汽車換擋系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)[D].新疆：新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，2011.

[3]石崗，井元偉，徐皚冬，馬佳.基于模糊控制的AMT自動變速系統(tǒng)研究[J].中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，2008.

[4]許力.智能控制與智能系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.