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        模糊推理在轉(zhuǎn)向柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠性計算中的應(yīng)用

        2018-06-28 05:36:20顧秉章
        時代汽車 2018年5期
        關(guān)鍵詞:柱式模糊化原型

        顧秉章

        同濟(jì)大學(xué) 上海市 200092

        電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( Electric Power Steering System,簡稱EPS) 是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上加裝伺服控制裝置而構(gòu)成。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還有輕型小巧、裝配迅速、易于調(diào)整、維修方便、回正性好、噪聲小等優(yōu)點。基于以上優(yōu)點,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正在迅速取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而得到越來越多的應(yīng)用,已經(jīng)成為現(xiàn)代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。

        相對于國內(nèi)汽車市場各種新車型迅速的更新?lián)Q代,如何能夠在相應(yīng)的研發(fā)周期內(nèi)完成必要的驗證試驗以確保整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全可靠是放在所有人面前的一個問題。本文針對轉(zhuǎn)向柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在研發(fā)應(yīng)用過程中的可靠性驗證優(yōu)化問題作出的一些探索。

        1 轉(zhuǎn)向柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成與基本工作原理

        一般來說,轉(zhuǎn)向柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分解成以下單元:電控單元、傳感系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)、減速裝置、機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及中間傳動軸。

        當(dāng)駕駛?cè)藛T轉(zhuǎn)動方向盤時,傳感系統(tǒng)當(dāng)即檢測到轉(zhuǎn)向角度信號與轉(zhuǎn)向手力信號并將其通過內(nèi)部數(shù)線路傳送到電控單元。電控單元當(dāng)即對傳感系統(tǒng)所采集信號、并結(jié)合車速

        信號與車況信號進(jìn)行分析,確定所驅(qū)動電機(jī)所需要輸出助力扭矩的大小與方向,并將該指令通過內(nèi)部線路傳輸至驅(qū)動電機(jī)。驅(qū)動電機(jī)接收電控單元發(fā)出的驅(qū)動信號后,立即開始工作,對外輸出助力。該助力通過減速裝置(通常為蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu))增幅后,通過中間傳動軸傳遞至機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī),最后帶動橫拉桿,實現(xiàn)轉(zhuǎn)向動作。

        2 模糊推理的基本概念

        “模糊”就是指這些彼此間邊界不明確,從屬于該概念到不屬于該概念之間無明顯分界線的情況。對于“模糊”的情況,運(yùn)用傳統(tǒng)屬于與不屬于概念來區(qū)分并不合適,而運(yùn)用屬于程度來代替屬于或者不屬于。在不必要獲得精確數(shù)據(jù)時,通常運(yùn)用模糊推理的方法進(jìn)行分析判斷。

        模糊推理的過程,一般需要經(jīng)過以下幾個步驟:

        (1)將已有信息、輸入模糊化;

        (2)通過已定義的邏輯規(guī)則,對已模糊化的信息、輸入進(jìn)行推理,獲得一個模糊的輸出;

        (3)將獲得的模糊輸出反模糊化,獲得輸出。

        除了從已知的邏輯事件中計算獲得模糊關(guān)系外,也可以直接利用相關(guān)專家的經(jīng)驗知識或已經(jīng)明確成熟的規(guī)則,得到相應(yīng)的模糊規(guī)則。直接基于模糊規(guī)則的推理過程如下:計算規(guī)則前提部分的邏輯組合;依次將各規(guī)則的前提部分的邏輯組合的隸屬度與結(jié)論命題的隸屬函數(shù)做取小運(yùn)算,得到模糊輸出;將所有規(guī)則的模糊輸出做交取運(yùn)算,得到模糊推理結(jié)果。由于在實際應(yīng)用中往往需要的是一個精確的輸出結(jié)果,所以對于模糊推理得到的模糊化的結(jié)果進(jìn)行反模糊化將其轉(zhuǎn)變成一個精確的結(jié)果。

        3 模糊推理的在系統(tǒng)相似度中的應(yīng)用

        兩個不同的轉(zhuǎn)向柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間的相似程度是一個模糊量,可以利用模糊推理的方法進(jìn)行判斷。前文已將整個系統(tǒng)分解為六個子系統(tǒng),整個系統(tǒng)的相似度從其組成子系統(tǒng)的相似度進(jìn)行推算。

        子系統(tǒng)間的相似度也是個模糊量,通過表1中的規(guī)則可以對其進(jìn)行判斷。對表中未寫明的相似度分值,可以也可以通過經(jīng)驗在相應(yīng)規(guī)則間選取一個值。該分值并不需要十分精確,這也是模糊推理的一個優(yōu)點。

        本文中將相似度分為四個模糊子集,分別為“完全相同”、“基本相同”、“基本不同”、“完全不同”,記做TS、PS、PD、TD。本文中,總結(jié)以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上選擇了三角形分布作為子系統(tǒng)相似度的隸屬函數(shù),相鄰模糊子集相應(yīng)隸屬函數(shù)曲線在隸屬度值為0.5處相交。

        表1 子系統(tǒng)相似度計分規(guī)則

        類似的,將最得到的系統(tǒng)相似度分為五個模糊子集,分別為“不同”、“低”、“中”、“高”、“相同”,記做D、L、M、H、S。

        R2. 如果一個子系統(tǒng)基本相同并且其他的子系統(tǒng)都完全相同,則系統(tǒng)相似度為高。

        R3. 如果兩個子系統(tǒng)基本相同并且其他的子系統(tǒng)都完全相同,則系統(tǒng)相似度為中。

        R4. 如果三個或以上子系統(tǒng)基本相同并且其他的子系統(tǒng)都完全相同,則系統(tǒng)相似度為低。

        R5. 如果一個子系統(tǒng)基本不同并且沒有子系統(tǒng)完全不同,則系統(tǒng)相似度為低。R6. 如果兩個或以上子系統(tǒng)基本不同,則系統(tǒng)相似度為不同。

        R7. 如果一個子系統(tǒng)完全不同,則系統(tǒng)相似度為不同。

        如將各相應(yīng)規(guī)則所對應(yīng)的模糊輸出分別記為 至 ,則將模糊輸出反模糊化即可獲得需要的系統(tǒng)相似度。

        由于系統(tǒng)與系統(tǒng)之間是否相似很難直接從個體事件中得出規(guī)律,并且有相應(yīng)專家在以往的工程開發(fā)中積累了很多經(jīng)驗,所以決定采用直接將專家經(jīng)驗改寫為模糊關(guān)系規(guī)則的方式定義規(guī)則庫。結(jié)合資深專家的意見與工程實踐中的經(jīng)驗,總結(jié)了以下規(guī)則。

        R1. 如果所有子系統(tǒng)都完全相同,則系統(tǒng)相似度為相同。

        4 模糊推理的在系統(tǒng)可靠性中的應(yīng)用

        在實際工程中,常見的研發(fā)模式是進(jìn)行原型平臺開發(fā)后,基于該平臺進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。在原型平臺開發(fā)階段將進(jìn)行大量的試驗并積累大量的試驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗。但在傳統(tǒng)的驗證過程中,這些積累的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗并沒有能對應(yīng)用項目的可靠性做出任何貢獻(xiàn)。以下就將運(yùn)用模糊推理的方法將平臺研發(fā)階段的數(shù)據(jù)借用至應(yīng)用開發(fā)型產(chǎn)品中。

        以某一應(yīng)用型產(chǎn)品為例,首先對其進(jìn)行分析,識別其中的非沿用件,并對對于這些非沿用件一一進(jìn)行工程變更分析,并估計該變更對可靠度產(chǎn)生的影響并記錄于表2中。

        之后根據(jù)式1至4,將相應(yīng)的輸入模糊化后得到模糊推理所需要的模糊輸入,并將各子系統(tǒng)相對模糊子集的隸屬度記錄于下表3中。

        在得到模糊輸入后,將根據(jù)所有規(guī)則依次進(jìn)行判斷,并結(jié)合式5至式9得到各個規(guī)則所對應(yīng)的模糊輸出。在得到所有規(guī)則的模糊輸出后,通過式10就可以得到最后需要的模糊輸出。

        將式12代入式11進(jìn)行反模糊化就可以最終得到應(yīng)用型產(chǎn)品與原平臺產(chǎn)品的相似度為0.375。

        轉(zhuǎn)向柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的失效概率密度滿足威布爾分布。

        基于同一原型平臺產(chǎn)品開發(fā)的應(yīng)用型產(chǎn)品的失效概率密度服從于同一威布爾分布。那么通過對于威布爾分布的推導(dǎo),可以得到式16。

        我們?nèi)菀桌斫?,如果系統(tǒng)A與系統(tǒng)B完全相同,則如果系統(tǒng)A通過試驗并滿足設(shè)計要求,那么系統(tǒng)B也應(yīng)通過試驗并滿足試驗要求。系統(tǒng)A與系統(tǒng)B之間相似程度越高,在系統(tǒng)A通過試驗并滿足設(shè)計要求的情況下,系統(tǒng)B也應(yīng)通過試驗并滿足試驗要求的可能性也相應(yīng)越高。將通過模糊推理得到的系統(tǒng)相關(guān)度引入式16可以得到式17。

        其中x為系統(tǒng)相關(guān)度,m為原型產(chǎn)品完成試驗樣件數(shù),t0為應(yīng)用型產(chǎn)品計劃試驗時間,ti為原型產(chǎn)品試驗時間。

        表2 子系統(tǒng)相似度計分表

        表3 子系統(tǒng)模糊子集隸屬度表

        上例中的原型平臺產(chǎn)品在開發(fā)過程中共對12個樣品進(jìn)行4個壽命當(dāng)量耐久試驗并且并得到相應(yīng)威布爾形狀參數(shù)為 =2.2。應(yīng)用型產(chǎn)品的計劃試驗時間為3個壽命當(dāng)量,那么將所有數(shù)據(jù)代入式17可以計算得到原型平臺產(chǎn)品對應(yīng)用型產(chǎn)品在研發(fā)過程中的貢獻(xiàn)量,即可以認(rèn)為應(yīng)用型產(chǎn)品已經(jīng)完成8.474個樣件的耐久試驗并未發(fā)生任何失效。

        5 結(jié)語

        通過以上論述,采用模糊推理的方法將原型平臺產(chǎn)品在開發(fā)過程中的試驗數(shù)據(jù)合理借用到應(yīng)用型產(chǎn)品開發(fā)中,大大提高實際產(chǎn)品驗證工作的效率,達(dá)到降低試驗成本、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的目的。并且隨著基于同一原型平臺產(chǎn)品的應(yīng)用型產(chǎn)品數(shù)量增多,新的應(yīng)用型產(chǎn)品可以借用更多的同類產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù),可以進(jìn)一步降低試驗成本、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

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