姚斌　林溫建　金寅德

摘 要：重型車輛在國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和快速發(fā)展中，具有不可或缺的重要地位。重型車輛在加裝輪轂液驅(qū)系統(tǒng)后，液壓系統(tǒng)的輪轂馬達(dá)控制便成為其中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在通過(guò)復(fù)雜路況時(shí)，通過(guò)輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的馬達(dá)助力，可以顯著提升車輛的牽引力和通過(guò)性能。本文通過(guò)模糊PID控制器控制實(shí)現(xiàn)對(duì)輪轂馬達(dá)的轉(zhuǎn)速性能控制，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。

關(guān)鍵詞：輪轂馬達(dá) 模糊PID 控制

1 前言

重型車輛在國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和快速發(fā)展中，是作為一種重要的運(yùn)載工具，在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)過(guò)程中，具有不可或缺的重要地位。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)重型車輛的需求不斷擴(kuò)大，國(guó)外各大重型汽車品牌也開(kāi)始進(jìn)軍我國(guó)市場(chǎng)，重型車輛市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈來(lái)愈白熱化。面對(duì)不斷升級(jí)的國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)，努力提高我國(guó)重型車輛車企的核心技術(shù)，不斷開(kāi)拓創(chuàng)新，是我國(guó)國(guó)內(nèi)重型車輛生產(chǎn)制造企業(yè)生存發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)需求不斷提升，重型車輛經(jīng)常被要求在復(fù)雜的路面環(huán)境下行駛，有些行駛工況甚至較為惡劣，這些路面環(huán)境附著系數(shù)低，整車容易出現(xiàn)車輪打滑的情況，進(jìn)而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力不足，這對(duì)重型車輛的牽引性能和底盤性能提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的機(jī)械式全輪驅(qū)動(dòng)方案雖然在一定程度上能提高重型車輛的牽引能力，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)效率較低。輪轂液驅(qū)系統(tǒng)是新興的解決重型車輛牽引能力的一種思路，系統(tǒng)通過(guò)電液比例閥，帶動(dòng)安裝在非驅(qū)動(dòng)輪輪轂內(nèi)的液壓馬達(dá)，由其適時(shí)地向車輛提供輔助驅(qū)動(dòng)力，從而提高重型車輛在復(fù)雜工況工況下的驅(qū)動(dòng)力。相較于傳統(tǒng)的機(jī)械式全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輪轂液驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，過(guò)載能力強(qiáng)，控制策略靈活，較低系統(tǒng)重量。因此，搭載了輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的重型車輛具有良好的應(yīng)用前景，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。

重型車輛在加裝輪轂液驅(qū)系統(tǒng)后，液壓系統(tǒng)的輪轂馬達(dá)控制便成為其中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的一部分動(dòng)力通過(guò)液壓油從而驅(qū)動(dòng)輪轂馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)適時(shí)四驅(qū)運(yùn)行，使其輸出功率與工況需求相匹配。因此，本文就重型車輛的輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的液壓馬達(dá)，研究系統(tǒng)控制策略，從而提高重型車輛在復(fù)雜工況下的牽引力和通過(guò)性能。

2 輪轂馬達(dá)液驅(qū)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

重型汽車在通過(guò)復(fù)雜路況時(shí)，通過(guò)輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的馬達(dá)助力，可以顯著提升車輛的牽引力和通過(guò)性能。在助力模式下時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)變速箱等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到后輪，而電液比例閥帶動(dòng)安裝在非前輪輪轂內(nèi)的液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)適時(shí)四驅(qū)。

由此可見(jiàn)在重型車輛輪轂液驅(qū)系統(tǒng)模型中，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力通過(guò)兩條路線，分別傳遞到前后車輪。其中一條是經(jīng)離合器、變速器、傳動(dòng)軸、主減速器和差速器，傳遞到后輪驅(qū)動(dòng)車輪。另外一條是取力器將發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分動(dòng)能通過(guò)電液比例閥，帶動(dòng)帶動(dòng)前輪輪轂內(nèi)的液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)。

液壓馬達(dá)作為輪轂液驅(qū)系統(tǒng)中的核心元件，其選型也至關(guān)重要了。為了保證車輛在復(fù)雜路況下，能有足夠的牽引力，液壓馬達(dá)必須在助力時(shí)輸出大扭矩，且應(yīng)具有高負(fù)載力、低慣性等特點(diǎn)，因此選擇徑向柱塞式輪轂馬達(dá)較為適合系統(tǒng)要求。在選擇液壓馬達(dá)的參數(shù)時(shí)，因以車輛行駛在復(fù)雜路況下失去牽引力時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到前輪的動(dòng)力值，以及電液比例閥所提供的流量、功率的要求來(lái)確定液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

在輪轂馬達(dá)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩理論計(jì)算時(shí)，假設(shè)電液比例閥的輸出流量，等量流入兩個(gè)前輪輪轂馬達(dá)中，則輪轂馬達(dá)轉(zhuǎn)速為：

輪轂馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩為：

其中，n為輪轂馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，q為電液比例閥的額定流量，V為輪轂馬達(dá)排量，T為輪轂馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩，為輪轂馬達(dá)進(jìn)出油口壓力差。

3 輪轂馬達(dá)控制策略

在輪轂馬達(dá)液壓系統(tǒng)中，馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制一般通過(guò)PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是PID控制器一般對(duì)線性模型控制精度較高，對(duì)于非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)難以達(dá)到理想的控制效果難。因此在很多非線性的控制模型中，采用了模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、專家算法等控制算法，從而達(dá)到預(yù)期的控制效果。本論文針對(duì)輪轂馬達(dá)的控制，采用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)速。

輪轂馬達(dá)的控制驅(qū)動(dòng)主要是根據(jù)車輛行駛狀態(tài)以及當(dāng)前液驅(qū)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行控制，通過(guò)電液比例閥，進(jìn)而控制輪轂馬達(dá)的輸出。

在輪轂馬達(dá)控制系統(tǒng)中，控制對(duì)象是輪轂馬達(dá)的轉(zhuǎn)速性能控制，因此可將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速的偏差以及偏差的變化率設(shè)定為控制器的輸入變量。利用模糊控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制器中比例、微分、積分變量的調(diào)整，進(jìn)而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，如圖1所示。

圖1，r（t）為系統(tǒng)期望值;y（t）為系統(tǒng)實(shí)際輸出值;e和ec分別代表了系統(tǒng)偏差和偏差變化率;E和EC分別代表模糊后系統(tǒng)偏差和偏差變化率;KP，KI，和KD分別代表了模糊PID控制器中的比例、積分和微分控制參數(shù)。輪轂馬達(dá)通過(guò)模糊PID控制器使y（t）達(dá)到期望值r（t）。

設(shè)計(jì)的模糊PID控制器將被控對(duì)象輪轂馬達(dá)的轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化率作為控制器的輸入變量，通過(guò)分析兩者的變化來(lái)決定輸出變量KP，KI，和KD。在控制參數(shù)模糊化前，首先要確定其基本語(yǔ)言值，然后根據(jù)語(yǔ)言值確定其隸屬函數(shù)和論域。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值越多，對(duì)事物的描述就越準(zhǔn)確，可能得到的控制效果就越好。不過(guò)，過(guò)細(xì)的劃分反而有可能使控制規(guī)則變得很復(fù)雜。因此，應(yīng)依據(jù)具體情況而定。

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的模糊PID控制器將轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化率的論域量化為[-5，5]，將變量e和ec模糊化，其對(duì)應(yīng)的模糊變量分別為很低（NM），比較低（NS），適中（O），比較高（PS），很高（PM）五個(gè)模糊子集，即：

e={NM，NS，O，PS，PM}

ec={NM，NS，O，PS，PM}

對(duì)于隸屬函數(shù)的確定主要靠經(jīng)驗(yàn)，即總結(jié)實(shí)驗(yàn)中的操作經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)隸屬度值進(jìn)行相應(yīng)的擬合，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)輪轂馬達(dá)模糊PID控制器時(shí)可采用三角函數(shù)作為隸屬函數(shù)，同時(shí)三角函數(shù)具有形狀簡(jiǎn)單，計(jì)算工作量小，而且三角形狀的隸屬函數(shù)比正態(tài)隸屬函數(shù)更具有較大的靈敏度，當(dāng)存在偏差時(shí)，就能迅速的產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。

模糊控制器設(shè)計(jì)的核心是通過(guò)總結(jié)理論知識(shí)以及實(shí)驗(yàn)中的操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，本系統(tǒng)通過(guò)分析輪轂馬達(dá)轉(zhuǎn)速偏差E和轉(zhuǎn)速偏差變化率EC的變化來(lái)計(jì)算輸出變量KP，KI，和KD的值。當(dāng)輪轂馬達(dá)轉(zhuǎn)速偏差E較大時(shí)，為縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，取較大的KP;當(dāng)輪轂馬達(dá)轉(zhuǎn)速偏差E和轉(zhuǎn)速偏差變化率EC為中等數(shù)值時(shí)，為避免控制系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，則取較小的KP和適當(dāng)?shù)腒I;當(dāng)輪轂馬達(dá)轉(zhuǎn)速偏差E較小時(shí)，取較大的KP和KI值，同時(shí)根據(jù)變化率EC，選取合適的KD值。

模糊變量的清晰化方法有很多種，本系統(tǒng)采用加權(quán)平均判決法對(duì)變量進(jìn)行清晰化處理，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，選取隸屬函數(shù)作為加權(quán)系數(shù)。這種計(jì)算方法類似重心的計(jì)算，所以在很多情況下也稱其為重心法。用上述方法，輸入模糊PID控制器的輪轂馬達(dá)轉(zhuǎn)速偏差E和轉(zhuǎn)速偏差變化率EC的每一個(gè)值，都能夠用加權(quán)平均判決法計(jì)算出確定的輸出值，根據(jù)模糊控制規(guī)則以及模糊變量的清晰化方法，對(duì)所有可能的輸入，都進(jìn)行離線計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

利用MATLAB軟件繪制出輪轂馬達(dá)轉(zhuǎn)速偏差E和轉(zhuǎn)速偏差變化率EC的模糊規(guī)則曲面圖，如圖2和圖3所示。

該窗口以圖形的形式顯示了模糊推理系統(tǒng)的輸入輸出特性曲面，在該窗口內(nèi)可用菜單選項(xiàng)改變相應(yīng)的參數(shù)可以查看不同性質(zhì)的圖像。由圖像觀察，所建立的輪轂馬達(dá)模糊PID控制推理系統(tǒng)的輸入輸出特性曲面較為光滑，沒(méi)有突變，曲面性能較好。

4 結(jié)語(yǔ)

重型汽車在通過(guò)復(fù)雜路況時(shí)，通過(guò)輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的馬達(dá)助力，可以顯著提升車輛的牽引力和通過(guò)性能。本文通過(guò)模糊PID控制器控制實(shí)現(xiàn)對(duì)輪轂馬達(dá)的轉(zhuǎn)速性能控制，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。

基金項(xiàng)目：2021年浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目（青年專項(xiàng)）“輪轂液驅(qū)系統(tǒng)熱力學(xué)建模及控制策略研究”（KY202122）。

參考文獻(xiàn)：

[1]王立新.自適應(yīng)模糊系統(tǒng)與控制[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

[2]李思升，何曉暉，王強(qiáng)，張濤.某電控液驅(qū)車輛比例閥控馬達(dá)系統(tǒng)特性研究[J].液壓與氣動(dòng)，2020，（5）：145-150.

[3]賀輝.重型卡車輪轂馬達(dá)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與控制策略研究[D].吉林大學(xué)，2014.