柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制技術(shù)

趙小軍

（九江學(xué)院，江西 九江 332005）

模糊控制技術(shù)是一種基于模糊數(shù)學(xué)理論，并通過模擬人的推理和綜合決策過程的高科技技術(shù)，是現(xiàn)代智能控制技術(shù)的重要組成部分，其使控制算法的可控性、適應(yīng)性以及合理性得到了充分的發(fā)揮。

而柴油機(jī)作為現(xiàn)代大多數(shù)工程機(jī)械以及汽車等設(shè)備的主要?jiǎng)恿υ矗涔ぷ餍再|(zhì)有著復(fù)雜、重載、大負(fù)荷等特點(diǎn)，所以隨著柴油機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速的不斷變化，其耗油量也很難得到控制。將模糊控制技術(shù)合理而科學(xué)地應(yīng)用于柴油機(jī)的調(diào)整系統(tǒng)中，可以有效地穩(wěn)定和控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速問題，在提高柴油機(jī)性能的同時(shí)，也節(jié)省了大量的能源消耗。

1 模糊控制的概念

1.1 模糊控制理論

傳統(tǒng)的控制理論，對(duì)于比較明確的系統(tǒng)，有著有效的控制能力，但是對(duì)于一些較為復(fù)雜和精密系統(tǒng)的控制，則較為困難。所以利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論，來對(duì)復(fù)雜機(jī)械進(jìn)行控制的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息精確與詳細(xì)，從而達(dá)到精確控制的目的。

模糊控制是一種宏觀的系統(tǒng)控制方法，其加入具體的規(guī)則方式，來表達(dá)實(shí)際控制中的專家知識(shí)和規(guī)則。模糊控制最大的特征，就是將專家的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，表達(dá)成語言規(guī)則，采用規(guī)則來完成目標(biāo)系統(tǒng)的控制，因此非常適用于如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等數(shù)學(xué)模型未知的、復(fù)雜的、非線性的系統(tǒng)控制。

1.2 模糊控制器的組成

模糊控制器通常由4部分組成，即模糊化接口、知識(shí)庫、模糊推理機(jī)、解模糊接口。各部分的作用如下：

（1）模糊化接口。模糊化接口接受到只有誤差信號(hào)的輸入，然后生成誤差的變化率或者誤差的差分值，最后來完成論域的變換和模糊化。

（2）知識(shí)庫。知識(shí)庫是模糊控制器的重要部分，其存貯著模糊控制器相關(guān)的一切知識(shí)，并決定著模糊控制器的最終性能。模糊控制器中的數(shù)據(jù)庫，存貯著模糊化、模糊推理以及解模糊的一切知識(shí)，其中包括模糊化中的論域變換方法、輸入變量各模糊集合的函數(shù)定義、模糊護(hù)理算法、解模糊算法、變量輸出各模糊集合的函數(shù)定義等。

規(guī)則庫負(fù)責(zé)模糊控制規(guī)則形式的條件語句的存貯，如“if……then……”等

（3）模糊推理機(jī)。模糊控制所應(yīng)用的是廣義的前向推理方式。

（4）解模糊接口。解模糊接口主要包括解模糊和論域反變換兩部分。

2 柴油機(jī)的模糊控制系統(tǒng)

2.1 柴油機(jī)的模糊控制方法

對(duì)于柴油機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)，建立一個(gè)較為科學(xué)、合理且精確的數(shù)學(xué)模型，是非常困難的。在對(duì)柴油機(jī)的調(diào)速控制進(jìn)行研究時(shí)，雖然通過測(cè)量可以得到其模型，但對(duì)于多變量的非線性變化來說，很難掌握其控制的精確度。

而模糊控制技術(shù)，則只要依據(jù)操作者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和直觀推斷，還有設(shè)計(jì)人員和研發(fā)人員的知識(shí)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)累積來完成，所以其適應(yīng)性和主觀性較強(qiáng)。也就是說柴油機(jī)的調(diào)整模糊控制方法，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，只需要在常規(guī)的模糊控制器上，建立一種在線修正因子和量化因子的自調(diào)整模糊控制器，這種修正算法能夠進(jìn)行智能的分析和識(shí)別系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，從而動(dòng)態(tài)且獨(dú)立地對(duì)量化因子和比例因子進(jìn)行在線修正，來調(diào)節(jié)整個(gè)控制過程中的控制性能。因此，采用模糊控制技術(shù)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的方法，非常有效。

2.2 柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

作為被控制對(duì)象的柴油機(jī)，要考慮其延遲性，并經(jīng)過線性化處理后，可近似為一個(gè)一階或者二階系統(tǒng)。柴油機(jī)的模糊控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，通常采用電磁執(zhí)行器，可以認(rèn)為是一個(gè)比例環(huán)節(jié)。柴油機(jī)和執(zhí)行器這兩環(huán)節(jié)，對(duì)于一個(gè)已知的控制系統(tǒng)來說，應(yīng)該為確定的。模糊控制器能夠在柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)下，自動(dòng)調(diào)節(jié)模糊控制規(guī)則，使柴油機(jī)在工況變化顯著的情況下，仍然能夠得到有效的控制。柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)應(yīng)該如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量，如果想要在某一轉(zhuǎn)速下得到精確控制，可考慮在供油拉桿處增加一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制單元對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，在反向電流通過時(shí)，供油拉桿的位移量會(huì)減小，當(dāng)正向電流通過時(shí)，供油拉桿的位移量就會(huì)增加。控制單元可以通過接收安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)，和安裝在供油拉桿上的位移傳感器信號(hào)，來計(jì)算柴油機(jī)的基本噴油量。如果在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的某一時(shí)段，設(shè)定為定速運(yùn)行，柴油機(jī)便應(yīng)該以此轉(zhuǎn)速進(jìn)行勻速運(yùn)行。但如果柴油機(jī)受到外界干擾，致使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的話，控制單元就會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)的工作，從而改變供油拉桿的位置，將轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到設(shè)定值。

2.3柴油機(jī)模糊控制設(shè)計(jì)的重要因素

（1）變量的選擇。控制變量對(duì)系統(tǒng)的性能有很大的影響，所以控制變量的選擇，不但要具有系統(tǒng)特性，還要具有高度的準(zhǔn)確性。進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時(shí)，系統(tǒng)的輸出與設(shè)定值之間的誤差，可以當(dāng)做模糊控制器的輸入變量。通常情況下，可以選用系統(tǒng)的輸出、輸出變量、輸出誤差、輸出誤差變量及輸出誤差量總和等，來做為模糊控制系統(tǒng)的語言變量。但在具體的設(shè)計(jì)中，如何進(jìn)行選擇，或根據(jù)設(shè)計(jì)師對(duì)系統(tǒng)的了解和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來確定。所以工程師的豐富經(jīng)驗(yàn)和高水平的專業(yè)知識(shí)，是控制變量選擇的首要條件。

（2）模糊分割。在控制變量選擇并確定之后，就要對(duì)模糊控制器的輸入變量和輸出變量空間進(jìn)行模糊分割，然后再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，來完成控制規(guī)則的編寫。進(jìn)行模糊分割時(shí)，各領(lǐng)域之間的重疊程度，會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的性能，通常模糊領(lǐng)域間重疊的程度沒有一定的明確方法，大多依據(jù)模擬和實(shí)驗(yàn)的調(diào)整來決定分割，所以效果的理想程度并不算太高。模糊分割時(shí)重疊的部分，代表著模糊控制規(guī)則間的模糊程度，所以模糊分割是模糊控制的主要特征。

（3）模糊控制規(guī)則的獲取。在實(shí)際的柴油機(jī)調(diào)整系統(tǒng)模糊控制設(shè)計(jì)中，專業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，是設(shè)計(jì)線索的基礎(chǔ)。模糊控制規(guī)則的決策分析通常可用“if……then……”的語言形式表現(xiàn)出來。

模糊控制規(guī)則應(yīng)該多次進(jìn)行試誤法來進(jìn)行修正，以獲取最佳的模糊控制規(guī)則，從而使系統(tǒng)的性能得到有效發(fā)揮。模糊控制系統(tǒng)在控制上，不但要考慮知識(shí)的獲得，也在考慮技巧的獲得。所以在實(shí)際的操作工作中，有效地記錄下操作員的操作模式，根據(jù)柴油機(jī)不同的轉(zhuǎn)速來提出相應(yīng)的模糊控制規(guī)則表，也是獲取并構(gòu)成控制規(guī)則的重要方式。

此外，在設(shè)計(jì)模糊規(guī)則時(shí)，先要選擇好各個(gè)階段的特征點(diǎn)，并記錄在模糊控制規(guī)則的前件部，然后再考慮在該點(diǎn)采取的動(dòng)作記錄在模糊控制規(guī)則的后件部。

3 結(jié)束語

應(yīng)用模糊控制技術(shù)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來建立模糊規(guī)則表，并運(yùn)用規(guī)則進(jìn)行科學(xué)的模糊推理。通過對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化分析，來達(dá)到其隸屬度，然后代入公式進(jìn)行計(jì)算，再進(jìn)行解模糊，便可得到轉(zhuǎn)速控制的精確值和轉(zhuǎn)速的預(yù)控制，達(dá)到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整的目的。模糊控制技術(shù)對(duì)于提高柴油機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)性能和節(jié)能減排，有著重要的作用和意義，值得深入研究和推廣。

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