自勵式緩速器制動力矩閉環模糊控制

楊效軍，何 仁，馮益增

（1.山東交通職業學院，濰坊 261206；2.江蘇大學，鎮江 212013）

0 引言

自勵式緩速器轉子溫度不僅取決于自身非線性、多變量函數的制動功率，同時又與環境溫度、天氣等使用因素有關[1,2]。由于緩速器轉子與環境之間熱交換的復雜性，難以采用PID控制通過對制動功率的實時調整將轉子溫度控制在安全工作范圍，故一般采用開環PWM控制，即根據Curie-Weiss定律設計一個安全門限溫度，當轉子溫度超過門限溫度時則停止緩速器工作，避免高溫膨脹導致轉子與定子之間的刮擦[1]。但由此所導致的制動力矩突然消失或階躍性下降又增加了行車制動的安全隱患，尤其是行駛在長距離下坡道路上的汽車。

針對上述問題，在深入研究自勵式緩速器制動功率與轉子溫升的基礎上提出以轉子、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力矩閉環Fuzzy控制。在轉子處于高溫情況下，通過可控硅控制角對制動功率進行實時調整，使制動功率與轉子溫升達到動態平衡以避免PWM控制中制動力矩的突然消失或階躍性下降，對提高行車安全具有十分重要意義。

1 基本論域及其量化

制動力矩閉環Fuzzy控制以轉子溫差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。當轉子溫度高于設定溫時，模糊控制器根據轉子溫差及其溫差變化率按照設定的模糊規則計算可控硅控制角變化量，通過可控硅控制角的調整實現對制動功率的閉環控制。

1.1 溫差

假設轉子溫度（T）允許超過設定溫度（T0）ΔT， 則 轉 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 論域為X={-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定義為兩次檢測的轉子溫度之差與 ΔT/2的比值，即ec=2×(T2-T1)/ΔT ×100%，這樣溫差變化率ec的基本論域為[-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

設當前可控硅控制角為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的論域為U={-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 模糊控制器設計

2.1 隸屬函數及語言變量賦值

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

圖1 論域X的隸屬函數

語言變量E的賦值表如表1所示。

論域Y、論域U的隸屬函數同樣選擇上述形式的三角函數，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 模糊規則庫

基于模糊推理合成規則，根據模糊關系式（4）求得與給定輸入模糊集其中，構成的nm維行向量（n=m=7）。模糊控制狀態表如表4所示。

表4 模糊狀態控制表

2.3 去模糊化

去模糊化處理采用占用計算機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子溫差及溫差變化率變化的曲面形狀規則，符合可控硅控制角變化量隨轉子溫差及溫差變化率變化的規律，容易對仿真結果進行離散化處理[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，提高控制的實時性。去模糊后的仿真曲面圖如圖2所示。模糊控制器結構框圖如圖3所示。

圖2 可控硅控制角變化量曲面圖

3 試驗分析

試驗選用江蘇省汽車工程重點實驗室與揚州洪泉實業有限公司、鹽城步高汽配制造有限公司聯合研制的500Nm自勵式緩速器樣機，采用開環PWM控制器、閉環模糊控制器分別進行轉子溫度性能測試，測試曲線如圖4所示。

圖3 模糊控制器結構框圖

圖4（a）為使用開環PWM控制器測試的轉子溫度變化曲線。調速電機將轉速提高到1800r/min后切斷電機動力，緩速器工作在最高檔測試轉子溫度。約70秒后轉子溫度上升到230℃左右，之后隨轉子轉速的下降，自勵式緩速器發電裝置輸出電壓、緩速器制動功率、轉子內熱源強度均下降，轉子溫度下降。

圖4 轉子溫度及制動力矩變化曲線

圖4(b)為使用閉環模糊控制器所測試的溫度變化曲線。轉子高溫臨界點設置為190℃，允許轉子溫度超過門限溫度20℃；溫差e及溫差變化率ec的基本論域為[-10,10]、[-100,100]。電機提高到1800r/min后，控制器以最高檔位進行制動，不切斷電機動力進行拖磨。由測試曲線看出，35秒左右轉子溫度達到設定溫度190℃，比圖4（a）用時要短，其原因是電機維持較高的轉速，緩速器轉子內熱源強度衰減較慢，之后控制器根據轉子溫差及溫差變化率對制動力矩進行實時控制，轉子溫度基本維持在200±10℃之間，制動力矩下降到約180Nm左右。切斷電機動力后，轉子轉速及溫度開始下降。

圖4（c）為使用閉環模糊控制器測試轉子溫度時自勵式緩速器制動力矩的變化曲線，當轉子溫度超過190℃時，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整，制動力矩趨于穩定；當檢測到轉子溫度低于設定溫度時，可控硅控制角恢復初值，控制器切換到開環PWM控制模式，滿足低溫時盡可能提供較大制動力矩的需求。

4 結束語

試驗證明以轉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式緩速器制動力矩閉環模糊控制實現了制動功率與轉子溫度的動態平衡，并將自勵式緩速器轉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力矩突然消失或階躍性下降，提高了行車制動安全性。文中提出的基于轉子溫差、溫差變化率的制動力矩模糊控制思想可以為解決電渦流緩速器轉子高溫問題提供借鑒和參考。

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