楊效軍，何 仁，馮益增

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院，濰坊 261206；2.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

自勵(lì)式緩速器轉(zhuǎn)子溫度不僅取決于自身非線性、多變量函數(shù)的制動(dòng)功率，同時(shí)又與環(huán)境溫度、天氣等使用因素有關(guān)[1,2]。由于緩速器轉(zhuǎn)子與環(huán)境之間熱交換的復(fù)雜性，難以采用PID控制通過對(duì)制動(dòng)功率的實(shí)時(shí)調(diào)整將轉(zhuǎn)子溫度控制在安全工作范圍，故一般采用開環(huán)PWM控制，即根據(jù)Curie-Weiss定律設(shè)計(jì)一個(gè)安全門限溫度，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度超過門限溫度時(shí)則停止緩速器工作，避免高溫膨脹導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與定子之間的刮擦[1]。但由此所導(dǎo)致的制動(dòng)力矩突然消失或階躍性下降又增加了行車制動(dòng)的安全隱患，尤其是行駛在長(zhǎng)距離下坡道路上的汽車。

針對(duì)上述問題，在深入研究自勵(lì)式緩速器制動(dòng)功率與轉(zhuǎn)子溫升的基礎(chǔ)上提出以轉(zhuǎn)子、溫差及其溫差變化率為輸入變量、以可控硅控制角變化量為輸出變量的制動(dòng)力矩閉環(huán)Fuzzy控制。在轉(zhuǎn)子處于高溫情況下，通過可控硅控制角對(duì)制動(dòng)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使制動(dòng)功率與轉(zhuǎn)子溫升達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡以避免PWM控制中制動(dòng)力矩的突然消失或階躍性下降，對(duì)提高行車安全具有十分重要意義。

1 基本論域及其量化

制動(dòng)力矩閉環(huán)Fuzzy控制以轉(zhuǎn)子溫差e及溫差變化率ec為輸入語言變量，輸出語言變量選為可控硅控制角變化量ac。當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度高于設(shè)定溫時(shí)，模糊控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子溫差及其溫差變化率按照設(shè)定的模糊規(guī)則計(jì)算可控硅控制角變化量，通過可控硅控制角的調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)功率的閉環(huán)控制。

1.1 溫差

假設(shè)轉(zhuǎn)子溫度（T）允許超過設(shè)定溫度（T0）ΔT， 則 轉(zhuǎn) 子 溫 差（e）定 義 為 e=T-(T0+ΔT/2)，溫 差 E 的 基 本 論 域 為 [-ΔT/2, ΔT/2]； 選 E 的 論域?yàn)閄={-3,-2,-1,0,1,2,3}，語言變量值選擇為：PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB。e的量化因子為：

1.2 溫差變化率

溫差變化率ec定義為兩次檢測(cè)的轉(zhuǎn)子溫度之差與 ΔT/2的比值，即ec=2×(T2-T1)/ΔT ×100%，這樣溫差變化率ec的基本論域?yàn)閇-100,100]。選定溫差變化率EC的論域Y={-3,-2,-1,0,1,2,3}，語言變量值選擇為：PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB。溫差變化率ec的量化因子為：

1.3 可控硅控制角變化量

設(shè)當(dāng)前可控硅控制角為a，則可控硅控制角變化量的基本論域可確定為[-(π-a), (π-a)]。選定AC的論域?yàn)閁={-3,-2,-1,0,1,2,3}，語言變量值選擇為：PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB。量化因子為：

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

2.1 隸屬函數(shù)及語言變量賦值

論域X上描述模糊子集PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB的隸屬函數(shù)選擇反應(yīng)靈敏的三角函數(shù)[3～5]，如圖1所示。

圖1 論域X的隸屬函數(shù)

語言變量E的賦值表如表1所示。

論域Y、論域U的隸屬函數(shù)同樣選擇上述形式的三角函數(shù)，語言變量EC、AC的賦值表分別如表2、表3所示。

表1 語言變量E賦值表

表2 語言變量EC賦值表

表3 語言變量AC賦值表

2.2 模糊規(guī)則庫

基于模糊推理合成規(guī)則，根據(jù)模糊關(guān)系式（4）求得與給定輸入模糊集其中，構(gòu)成的nm維行向量（n=m=7）。模糊控制狀態(tài)表如表4所示。

表4 模糊狀態(tài)控制表

2.3 去模糊化

去模糊化處理采用占用計(jì)算機(jī)資源較少的最大隸屬度平均值法（mom）。去模糊化后可控硅控制角變化量隨轉(zhuǎn)子溫差及溫差變化率變化的曲面形狀規(guī)則，符合可控硅控制角變化量隨轉(zhuǎn)子溫差及溫差變化率變化的規(guī)律，容易對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行離散化處理[9,10]，建立可控硅控制角變化量的3D查詢表格，并通過查詢3D表的方式獲得可控硅控制角變化量，提高控制的實(shí)時(shí)性。去模糊后的仿真曲面圖如圖2所示。模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 可控硅控制角變化量曲面圖

3 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)選用江蘇省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與揚(yáng)州洪泉實(shí)業(yè)有限公司、鹽城步高汽配制造有限公司聯(lián)合研制的500Nm自勵(lì)式緩速器樣機(jī)，采用開環(huán)PWM控制器、閉環(huán)模糊控制器分別進(jìn)行轉(zhuǎn)子溫度性能測(cè)試，測(cè)試曲線如圖4所示。

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖

圖4（a）為使用開環(huán)PWM控制器測(cè)試的轉(zhuǎn)子溫度變化曲線。調(diào)速電機(jī)將轉(zhuǎn)速提高到1800r/min后切斷電機(jī)動(dòng)力，緩速器工作在最高檔測(cè)試轉(zhuǎn)子溫度。約70秒后轉(zhuǎn)子溫度上升到230℃左右，之后隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降，自勵(lì)式緩速器發(fā)電裝置輸出電壓、緩速器制動(dòng)功率、轉(zhuǎn)子內(nèi)熱源強(qiáng)度均下降，轉(zhuǎn)子溫度下降。

圖4 轉(zhuǎn)子溫度及制動(dòng)力矩變化曲線

圖4(b)為使用閉環(huán)模糊控制器所測(cè)試的溫度變化曲線。轉(zhuǎn)子高溫臨界點(diǎn)設(shè)置為190℃，允許轉(zhuǎn)子溫度超過門限溫度20℃；溫差e及溫差變化率ec的基本論域?yàn)閇-10,10]、[-100,100]。電機(jī)提高到1800r/min后，控制器以最高檔位進(jìn)行制動(dòng)，不切斷電機(jī)動(dòng)力進(jìn)行拖磨。由測(cè)試曲線看出，35秒左右轉(zhuǎn)子溫度達(dá)到設(shè)定溫度190℃，比圖4（a）用時(shí)要短，其原因是電機(jī)維持較高的轉(zhuǎn)速，緩速器轉(zhuǎn)子內(nèi)熱源強(qiáng)度衰減較慢，之后控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子溫差及溫差變化率對(duì)制動(dòng)力矩進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，轉(zhuǎn)子溫度基本維持在200±10℃之間，制動(dòng)力矩下降到約180Nm左右。切斷電機(jī)動(dòng)力后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及溫度開始下降。

圖4（c）為使用閉環(huán)模糊控制器測(cè)試轉(zhuǎn)子溫度時(shí)自勵(lì)式緩速器制動(dòng)力矩的變化曲線，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度超過190℃時(shí)，由于溫差變化率較大，由此帶來溫差變化較大，可控硅控制角快速增大，制動(dòng)力矩迅速下降；其后，溫差、溫差變化率變化減小，可控硅控制角小幅度調(diào)整，制動(dòng)力矩趨于穩(wěn)定；當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，可控硅控制角恢復(fù)初值，控制器切換到開環(huán)PWM控制模式，滿足低溫時(shí)盡可能提供較大制動(dòng)力矩的需求。

4 結(jié)束語

試驗(yàn)證明以轉(zhuǎn)子溫差及其溫差變化率為輸入變量，以可控硅控制角變化量為輸出變量的自勵(lì)式緩速器制動(dòng)力矩閉環(huán)模糊控制實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)功率與轉(zhuǎn)子溫度的動(dòng)態(tài)平衡，并將自勵(lì)式緩速器轉(zhuǎn)子溫度控制在安全工作范圍，避免了高溫情況下需停止緩速器工作所帶來的制動(dòng)力矩突然消失或階躍性下降，提高了行車制動(dòng)安全性。文中提出的基于轉(zhuǎn)子溫差、溫差變化率的制動(dòng)力矩模糊控制思想可以為解決電渦流緩速器轉(zhuǎn)子高溫問題提供借鑒和參考。

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