模糊控制在线控液压转向系统上的应用.pdf

第 1 期 2 0 1 5年 1月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 41 模糊控制在线控液压转向系统上的应用 方桂花， 常福 内蒙古科技大学 机械工程学院， 内蒙古 包头0 1 4 0 1 0 摘要 针对线控液压转向系统转向沉重、 转向滞后、 转向不稳等问题 ， 同时基于线控液压转向系统多变量、 不确定和非 线性的特征以及目前数学模型还不够精确。 提出采用模糊控制方法对线控液压转向系统进行控制。 通过考虑转向系统的 各种非线性因素， 在 A M E S i m和 S i m u l i n k中建立了与实际线控液压转向系统相吻合的联合仿真模型， 通过仿真得出液压 缸位移曲线， 结果表明 在相同的输入信号下， 模糊控制与无控制相比， 其响应速度大约提高了1 ． 2 s 左右， 且其动态特性 良好， 输出稳定， 满足系统要求。 关键词 线控； 液压转向系统； 模糊控制； 联合仿真 中图分类号 T H1 6 ； T P 2 7 3 ． 4 ； T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 1 0 1 4 1 0 3 Ap p l i c a t i o n o f Fu z z y Co n t r o l i n Hy d r a u l i c S t e e r i n g B y - W i r e Sy s t e m FANG Gu i h ua，CHANG F u I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f s c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n s t i t u t e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， I n n e r Mo n g o l i a B a o t o u 0 1 4 0 1 0 ， C h i n a A b s t r a c t I n v i e w o f t h e h e a v y s t e e r i n g ，s t e e r i n g l a g g i n g a n d s t e e r i n g i n s t a b i l i t y p r o b l e m s o f h y d r a u l i c s t e e r i n g b y - w i r e s y s t e m，a t s a m e t i m e b a s e d o n t h e m u l t i v a r i a b l e ，u n c e r t a i n and n o n l i n e a r c h ara c t e r i s t i c s o f h y d r a u l w s t e e r i n g b y r e s y s t e m， and n o acc u r at e c u e n t m a t h e m ati c a l m o d e l ， i t p u t s f o r w a r d f u z z y c o n t r o l met h o d f o r c o n t r o l ofh y d r aul ic s t e e r i n g b y w i r e s y s t e m ．B y c o nsi d e r i n g t h e n o n l i n e ar f a c t o r s of s t e e ri n g s y s t e m．i t e s t abl i s h e d t h e u n i t e d s i m u l i o n mo d e l t h a t 嘞l c o n f o r m i t y w i t h t h e a c t u a l w i r e c o n t r o l h y d r a u l ic s t e e r i n g s y s t e m i n t h e A ME S i m a n d S i m u l i n k ，and t h r o u g h s i mu l ati o n c o ncl u d e s t h e h y d r aul i c c y l i n d e r d 却 l ace me n t c u r v e ． T h e r e s u l t s s h o w t h at u n d e r t h e S O l l i n p u t s i g n al， c o m p are d w i t h f u z z y c o n t r o l a n d no c o n t r o l ， t h e r e s p o nse s p e e d i n c r e ase d abo u t 1 ． 2 s ， a n d i t h as t h e f e at u r e s ofw e l l d y n a mi c c h aract e r i s t ic s ， o u tp u t s t a b i l i t y a n d i t a l s o me e t s t h e s y s t e m r e q u i r e me n ts c o m pare d wi t h no c o n t r o 1 ． Ke y W o r d s Li n e a r Co n t r o l ； Hy d r a u l i c S t e e r i n g S y s t e m； F u z z y Co n t r o l ； Un i o n S i mu l a ti o n 1 引言 转向系统基本要求是 车轮能快速 、稳定而准确的转 到指定 位置， 所以转向系统的响应速度和稳定性对安全行驶具有重要作 用。 线控液压转向系统常出现转向沉重、 转向滞后、 转向不稳等问 题， 但是现在国内外主要从事电动助力转向系统和电控转向系统 方面的研究， 缺乏对线控液压转向系统的研究 ， 这些问题依然有 待解 一。 线控液压转向系统具有低阻尼、 非线性等性质， 使用传 统 P I D控制难以达到满意的控制效果，所以在前人研究的基础 上， 提出了一种模糊控制算法， 利用仿真软件 A ME S i m建立了液 压转向系统模型， 用 S i m u l i n k建立了模糊控制模型， 进行联合仿 真， 对线控液压转向系统模拟控制， 此研究为线控液压转向系统 的研究提供了指导和借鉴作用。 2系统工作原理与传递函数 当方向盘转动时， 转角传感器检测出相应的转角信号， 传送 给电子控制单元 E C U ， 而E C U进行相关运算和处理， 把转角信 号转换成电压信号， 传送给电液比例换向阀的电磁铁， 电磁铁通 电时会产生推力或拉力 ， 使阀芯运动产生相应位移， 从而控制比 例阀输出流量， 供给液压缸， 使液压缸产生相应的位移， 液压缸推 动着连杆机构， 实现车轮转向。 输人为电控单元的控制电压 U ， 输 出为液压缸的位移 Y ， 则以电压 U为输入、 液压缸活塞位移 Y 为 输出的三位四通电液比例阀控缸动力机构的传递函数为 击’ ‘盎 ＼ c 【 ， 。 ／ 一 K 帅 ． 。 s “ 式中 一阀的输入电压一 缸运动速度增益 m S - 1 V ； 靠一电控 器斜坡发生器的时间常数 s ， 响应比较快的阀一般取 0 ； 一 阀芯运动的时间常数 s ； ∞ ，『 - 固有频率 r a d ／ s ； 因 次阻尼 比。 来稿 日期 2 0 1 4 0 7 2 0 ’ 基金项目 内蒙古自 治区高等学校科学技术研究项目 N J Z Y 1 2 1 0 9 ； 包头市重大科技发展项目 2 0 1 2 Z 1 0 0 6 2 作者简介 方桂花， 1 9 6 2 一 ， 女， 内蒙古包头人， 硕士研究生， 教授， 主要研究方向 流体传动与控制领域的教学与科研工作 1 4 2 方桂花等 模糊控制在线控液压转向系统上的应用 第 1期 3液压转向模糊控制实现 通过线控液压转向系统的工作原理和传递函数可知要保 证转向系统稳定 、 快速和准确的得到控制， 就必须考虑外界的非 线性干扰 ， 采用闭环控制 ， 通过采用模糊控制算法对液压缸的速 度和位移进行控制 ， 实现车轮快速 、 稳定 、 准确的转动。 3 。 1模糊控制设计思想 线控液压转向系统具有不确定、 多变量和非线性等特性， 而 模糊控制对非线性和多变量具有很好的控制效果， 所以本研究采 用模糊算法进行控制。其基本原理是 通过数据采集得到液压缸 的输入位移和反馈位移， 在计算机中进行运算， 得到液压缸位移 偏差 e 和偏差变化率 e 作为输入， 输出为电压 U 。模糊控制器结 构的选择对模糊控制器的性能影响较大， 不同的结构控制效果亦 不同 ， 选用二维模糊控制器。 3 ． 2输入输出变量及隶属函数确定 线控液压转向系统的输人为液压缸活塞的输入位移和反馈 位移之间的偏差e和位移偏差变化率e ，电压 u为控制器输出。 选用正大、 正中、 正小、 零、 负小、 负中、 负大七个语言变量， 则系统 e 的模糊子集为 { P B 、 P M、 P S 、 Z 、 N S 、 N B 、 N M} ； e 的模糊子集为 { P B 、 P M、 P S 、 Z ． N S 、 N B、 N M} ； U的模 糊子 集 为 { P B、 P M、 P S 、 Z , N S 、 N B 、 N M t o考虑到油缸的位移及传感器的量程， 加上转向系统的实际隋 况， 选择偏差 e 的基本论域为[ _ 9 0 ， 9 0 ] mm， 偏差变化e c 的基本论域 为 [ 一 1 0 ， 1 0 ] m m。偏差 e的模糊论域为{ _ 6 ， _ 5 ， - 4 ， 一 3 ， - 2 ， 一 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6} ， 量化因子 K e-- - 0 ． 5 2 ； 偏差变化率e 的模糊论域为 { _ 6 ， - 5 ， ， 一 3 ， 一 2 ， 一 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6} ， 量化因子 K -- 0 ． 0 0 1 ； 输 出 U的模糊论域为{ 一 6 ， 一 5 ， -4， 一 3 ， 一 2 ， 一 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 } ， 比例因 子K 7 ．5 2 。 为保证转向系统的快速性和平稳性， 隶属函数为三角 型隶属函数， 如图 1 所示。三角形隶属度函数数学表达和运算简 便， 占有内存空间小， 可达到控制要求， 控制规则选用4 9 条 。 3 ． 3控制规则确定 选取输出量的原则是 当偏差大或较大时 ， 选择控制量 以尽 快消除偏差为主； 而当偏差较小时， 选择控制量要注意防止超调， 以系统的稳定性为主要出发点， 建立模糊控制规则表的基本思想 是先考虑偏差为负的情况 。根据本液压转向系统的控制要求及 以往对液压转向系统的经验， 并考虑操作者在操作过程中遇到的 各种可能出现的情况 ， 制定出本系统的控制策略， 如表 1 所示 。 B N M NS 2 P S P M f B N M N S 2 聘P M 】 I 4 2 0 2 4 -6 - 4 2 0 2 4 6 图 1 e 、 U的隶属函数曲线 F i g ． 1 T h e Me mb e r s h i p Fu n c t i o n Ca Ⅳe o f e， e a n d U 表 1模糊控制规则表 Ta b ． 1 F u z z y Co n t r o l -Ru le T ab l e 4基于 S i m u l i n k的模糊控制器设计 模糊控制是建立在模糊推理基础上的一种非线性控制策 略， 可以控制那些不需要精确数学模型的系统， 当系统负载参数 变化较大时或者受到非线性因素影响时， 也能取得很好的控制效 果口 0 1 。根据线控液压转向系统的原理， 利用 MA T L A B ／ S i m u l i n k建 立模糊控制的仿真模型， 如图2所示。 图 2模糊控制 的仿真模块 F i g ． 2 S i mu l a t i n g Mo d u l e o f F u z z y Co n t r o l 5基于 A ME S i i n的液压转向系统设计 A ME S i m为用户提供了一个系统工程设计的完整平台，可以 建立复杂的多学科领域系统的数学模型， 并在此基础 匕 进行仿真计 算和深入的分析l 1 11 。根据线控液压转向系统的原理 ， 用 A ME S i m 仿真软件建立了液压模型， 如图3 所示。根据实际车辆参数设置 模型仿真参数， 如表 2 所示。 图3液压系统仿真模块 Fi g ． 3 S i mu l a t i n g Mo d u l e o f Hy d r a u l i c S y s t e m No ． 1 J a n ． 2 0 1 5 机 械 设 计 与 制 造 1 4 3 表 2模型参数 T a b ． 2 Mo d e I Pa r a me t er s 数值 液压缸活塞直径 液压缸活塞行程 液压泵额定转数 液压泵排量 电机转数 三通压力补偿器开启压力 电液 比例换 向阀工作压力 溢流阀阀芯开启压力 单向阀工作压力 过滤器公称流量 O． 1 8 0 ． 1 6 0 ． 1 4 昌0 ． 1 2 一 o l o o ．0 8 2 0 0 mm 0 0 6 1 5 0 0r ／ mi n 0 ．O 4 1 0 m 0 0 2 0 ． U U 1 5 0 0 r ／ mj n l O b a r 1 1 0 b a r 1 5 0b a r 9 0 b a r 3 0I J mi n 6仿真结果及分析 6 ． 1阶跃信号下的仿真对比分析 阶跃信号模拟汽车突然转弯的工况。输入信号为阶跃信号 和液压缸的反馈信号， 阶跃幅值设为 0 ． 0 9 m， 仿真时间为 3 s ， 得出 液压缸位移曲线。 仿真结果， 如图 4 所示。由图4可知， 在阶跃信 号下模糊控制的上升时间约为 0 ． 8 s ， 无控制上升时间约为 2 s ， 前 者比后者快 1 ． 2 s ， 且基本无超调 ， 满足 国家规定 的响应速度要求 。 0． 1 O O． 08 o． 06 渣 o． 04 0． 02 0． 0o 厂．． f 2 ，r ， ⋯ ／ u i 2 模糊控制 ．1 1 2 o． U U ． 5 1 ． o 1 ． 5 2 ． o 2． 5 3． o 时间 t s 图 4模糊控制和无控制的阶跃响应曲线 Fi g ．4 S t e p Re s p o n s e Cu r v e o f F u z z y C o n t r o l a n d n o Co n t r o l 6 _ 2正弦信号下的仿真对比分析 正弦信号模拟汽车行驶蛇形路的工况。输入信号为正弦信 号， 数据为幅值 0 ． 0 9 m、 频率 0 ． 1 Hz ， 仿真时间为 1 0 s ， 仿真结果 ， 如 图5所示。由图5可知， 在正弦信号下模糊控制的上升时间比无 控制上升时间快 0 ．2 s ， 满足国家规定的响应速度要求。 、 ／ 1 巾U ． 囊⋯ I { f m 、 ⋯露 ⋯ 。 一 ．f- 0 2 1 2 4 6 8 1 0 时间 t s 图5模糊控制和无控制的正弦响应曲线 F i g ．5 S i n e Re s p o n s e Cu rv e o f F u z z y C o n t r o l a n d n o Co n t r o l 6 ． 3方波信号下的仿真对比分析 方波信号模拟汽车紧急情况下左右急转工况。方波信号数 据为幅值 0 ． 0 9 m、 频率 0 ． 0 5 Hz ， 仿真时间分 3 5 s 。仿真结果， 如图6 所示。由图6可知， 在方波信号下模糊控制的上升时间比无控制 上升时间快 2 s ， 满足国家规定的响应速度要求。 ●-● 卜 一 2 模糊控制1 ⋯一 o 5 t o 1 5 2O 25 30 35 x 时『 司t s 图 6模糊控制和无控制的方波响应曲线 F i g ． 6 S q u a r e W a v e Re s p o n s e Cu r v e o f F u z z y C o n t r o l a n d n o Co n t r o l 7结论 这里提 出的模糊控制在线控液压转 向系统上的应用 ，利用 A ME S i m和 S i mu l i n k 联合仿真， 分析了线控液压转向系统在模糊 控制下的动态特性。 结果表明 1 在阶跃信号下模糊控制的上升 时间约为 0 ． 8 s ， 无控制上升时间约为 2 s ， 前者比后者快 1 ． 2 s ， 且基 本无超调。 2 在正弦信号下模糊控制的上升时间比无控制上升时 间快 0 ． 2 s 。 3 在正弦信号下模糊控制的上升时间比无控制上升时 间快 0 ． 2 s 。综上所述 与无控制相比， 模糊控制响应快、 基本无超 调、 动态特性良好 ， 输出稳定， 具有良好的鲁棒性， 满足系统要求。 参考文献 l 1 J M．K ．Ha s s a n ， N ．A ．M．Az u b i r a ， H ． M工 Ni z a n O p t i mal d e s i g n o f e l e c t r i c p o w e r a s s i s t e d s t e e ri n g s y s t e m E P A S u s i n g G A P I D m e t h o d[ J ] ．P r o c e d i a E n g - i n e e ri n g ， 2 0 1 2 4 1 6 1 4 - 6 2 1 ． 1 2 J J i - H o o n K i m， J a e B o k S o n g ． C o n t r o l l o g i c f o r a n e l e c t ri c p o w e r s t e e ri n g s y s t e mu s i n g a s s i s t mo t o r l J J ．Me c h a t r o n i c s ， 2 0 0 2 ， 1 2 3 4 4 7 - 4 5 9 ． [ 3 ] 李九灵 ， 吴德旭 ， 冯维． 电动液压助力转 向系统能耗分析 与仿真 [ J ] ． 机 械设计与制造 ， 2 0 1 4 5 1 8 9 1 9 1 ． L i J i u - l i n g ， Wu D e - x u ， F e n g We i ． T h e e n e r g y a n a l y s i s and s i m u l a t i o n o f e l e c t r o h y d r a u l i c p o w e r s t e e r i n g EH P s s y s t e m[ J ] ． Ma c h i n e r y D e s i g n＆ Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 4 5 1 8 9 1 9 1 ． [ 4 ] 肖 体兵， 肖 世耀， 廖辉．三位四通电液比例阀控缸动力机构的数学建模 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 8 8 0 8 2 ． Xi a o T i B i n g ， Xi a o S h i Y a o ， L i a o H u i ．Ma t h e ma t i c s mo d e l i n g o f t h e a c t - u a t i n g u n i t wi t h a 4 ／ 3 wa y e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e c o n t r o l l i n g c y l i u d e r [ J j ．Ma c h i n e T o o l H y d r a u l i c s ， 2 0 0 8 ， 3 6 8 8 0 8 2 ． [ 5 ] 顾海 明， 赵桂范 ， 杨佳磷． 基于最优控制和模糊控制的半主动悬架仿真 研究E J ] ．机械设计与制造 ， 2 0 1 3 6 6 5 6 7 ． G u H a i mi n g ， Z h a o G u i f a n ， Ya n g J i a l i n ．S i mu l a t i o n s t u d y o f s e m i a c t i v e s u s p e n s i o n b a s e d o n o p t i m a l c o n t r o l a n d f u z z y l o g i c c o n t r o l l J j ． Ma c h i n e r y D e s i g n Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 3 6 6 5 6 7 ． l 6 J C h r i s B r o w n ， Ho s s a mA ．G a b b a F u z z y l o g i c c o n t r o l f o r i mp r o v e d p r e s s u r i z e r s y s t e ms i n n u c l e a r p o w e r p l a n t l J J ．An n a l s o f N u e l e m “ E n e r gy， 2 0 1 4 7 2 4 6 1 - 46 6 ． [ 7 ] 尹玉珍 ．基于参数 自整定模糊 P I D控制液压万能试验机控制研究 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 2 4 7 5 7 7 ． Yi n Y u - z h e n ．S t u d y o n s y s t e m c o n t r o l o f h y d r a u l i c u n i v e r s a l t e s t i n g ma c h i n e b a s e d o n f u z z y P I D s e l f t u n i n g c o n t r o l t e c h n o l o gy 【 J J ．C h i n e s e H y d r a u l i c s ＆P n e u ma t i c s ， 2 0 1 2 4 7 5 7 7 ． l 8 J N a d i a N e d j a h ， P a u l o R e n a t o S ．S ． S a n d r e s ． C u s t o mi z a b l e h a r d ware d e s i g n o f f u z z y c o n t r o l l e r s a p p l i e d t o a u t o n o mo u s c a r d ri v i n g[ J ] ．E x p e a S y s t e ms w i t hA p p l i c a t i o n s ， 2 0 1 4 4 1 7 0 4 6 7 0 6 0 ． [ 9 ] 周瑾 ， 刘勇．模糊控制磁流变阻尼器与磁悬浮装置并联减振研究 [ J l 冲 国机械工程 ， 2 0 1 0 ， 2 1 1 2 2 5 3 6 2 5 4 0 ． Z h o u J i n ， L i u Yo n g ．F u z z y c o n t r o l o f ma g n e t o r h e o l o g i c al d a mp e r a n d p a r a l l e l c o n n e c t i o n v i b r a t i o n d e p r e s s i o n s y s t e m b a s e d ma g n e t i c l e v i t a t i o n d e v i c e I J j ． C h i n a Me c h a n i c alE n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 ， 2 1 1 2 2 5 3 6 2 5 4 0 ． [ 1 0 ] 张传红， 陆静平， 徐亚茹． 电动助力转向系统模糊控制算法研究[ J ] ．装 备制造技术 ， 2 0 1 4 2 3 3 ． Z h a n g C h u a n - h o n g ， L u J i n g - p i n g ， X u Y a - r u ．Re s e a r c h o n f u z z y c o n t r o l a l g o r i t h m o f e l e c t ri c p o w e r s t e e ri n g s y s t e m[ J J ．E q u i p me n t Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y ， 2 0 1 4 2 3 3 ． l 1 1 j H u i C a o ， H u i G u o ． O p t i m i z a t i o n o f P I Dp a r a m e t e r s o f h y d r a u l i c s y s t e m o f e l e v a t i n g w h e e l c h a i r b a s e d o n A ME S i ml J J ．P r o c e d i a E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 1 1 5 3 7 1 0 3 7 1 4 ． H m 嘴 嘶 ∞ O 0 0 O 0 O 0 O 0 O 一 ～