探究汽車連桿機(jī)械自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龍丹

（上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200232）

隨著人們生活水平的提高，汽車已經(jīng)成為不可或缺的代步運(yùn)輸工具，目前，綠色環(huán)保已經(jīng)成為汽車未來發(fā)展的主要方向，決定了汽車行業(yè)發(fā)展必須改變傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)。其中，汽車連桿機(jī)械作為汽車結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，是自動(dòng)化節(jié)能設(shè)計(jì)的重要組成部分。而結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展情況來看，在進(jìn)行自動(dòng)節(jié)能傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念，這樣才能強(qiáng)化控制系統(tǒng)性能。

1 汽車連桿機(jī)械的技術(shù)要求

從汽車機(jī)構(gòu)來看，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出傳動(dòng)功能需要依靠連桿機(jī)械來實(shí)現(xiàn)的，在現(xiàn)有的傳動(dòng)輸出系統(tǒng)中，依靠連桿機(jī)械來完成力的傳輸，此時(shí)，汽車連桿機(jī)械作為汽車車體的重要組成部分，在功能設(shè)計(jì)中，不僅要考慮到汽車動(dòng)力傳輸要求，也應(yīng)該兼顧環(huán)保要求等，所以對(duì)于相關(guān)人員而言，需要重視汽車連桿機(jī)械的綠色技能設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)有的研究不斷完善了汽車連桿機(jī)械的節(jié)能設(shè)計(jì)要求，其中，使用綠色發(fā)動(dòng)機(jī)連桿則是實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能設(shè)計(jì)的重要組成部分。目前，越來越多的學(xué)者提出，在設(shè)計(jì)中要將各種自動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)思想應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化控制連桿機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法，保證連桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

而針對(duì)目前汽車連桿機(jī)械的傳動(dòng)過程，為保證機(jī)械應(yīng)力的平穩(wěn)傳輸，可考慮實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與自適應(yīng)控制律的結(jié)合，最終全面提高傳動(dòng)系統(tǒng)品質(zhì)，在這種情況下，自動(dòng)化節(jié)能傳動(dòng)效果會(huì)受到荷載因素的影響，因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該按照其荷載變化來提取系統(tǒng)的荷載變化參數(shù)，再運(yùn)結(jié)合其中的運(yùn)行信息以及特征參數(shù)來評(píng)價(jià)自動(dòng)節(jié)能控制效果，以連桿機(jī)械的自動(dòng)節(jié)能效果為基礎(chǔ)，通過反演控制或者模糊PID方法等控制方法即可完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是，也有研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的控制方法在傳動(dòng)控制過程中存在諸多不足，尤其是穩(wěn)態(tài)誤差會(huì)影響自動(dòng)節(jié)能效果，所以為了能夠有效解決上述問題，在本次研究中，本文將對(duì)連桿自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)的控制方法進(jìn)行優(yōu)化，在完成被控對(duì)象以及控制約束參數(shù)變化的基礎(chǔ)上，運(yùn)用結(jié)構(gòu)模糊PID來優(yōu)化其中的控制律，這是避免出現(xiàn)誤差、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

2 控制約束參量分析與被控對(duì)象

2.1 控制約束參量模型的實(shí)現(xiàn)

在綜合考慮汽車連桿機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性后，本文提出的控制約束參量模型應(yīng)該充分考慮現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的要求，在持續(xù)優(yōu)化自動(dòng)節(jié)能功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)該詳細(xì)采集汽車連桿機(jī)械工作物理環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)量信息，依照傳感器的設(shè)備環(huán)境以及相關(guān)敏感元件等采集汽車連桿機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)特征。所以，為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在設(shè)計(jì)期間，可運(yùn)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在采集機(jī)械參數(shù)信息之后，將其輸入系統(tǒng)的信息處理模塊中后，結(jié)合自適應(yīng)控制算法以及LMNN算法完成智能化控制，并由此形成控制質(zhì)量；再將控制指令依托程序加載器直接輸入傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行器中，這樣才能實(shí)現(xiàn)汽車連桿機(jī)械的自動(dòng)控制。在這種情況下，為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)要求，本文提出了一種Smith模型的自動(dòng)節(jié)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 汽車連桿機(jī)械的自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)控制結(jié)構(gòu)

在圖1所介紹的結(jié)構(gòu)下，也有學(xué)者對(duì)自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的性能要求等作出全面分析，并將其作為系統(tǒng)功能完善的重要組成部分，而其中的關(guān)鍵技術(shù)為：在設(shè)計(jì)自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)的控制系統(tǒng)期間，需要掌握汽車連桿機(jī)械的相關(guān)運(yùn)輸數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)信息采集的基礎(chǔ)上，識(shí)別其中的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)。一般情況下，自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)管理需要以控制算法為依據(jù)，并且為了能提高數(shù)據(jù)的運(yùn)行效率，可采用傳感器模塊加載完成信息采集過程；此時(shí)，在控制指令加載等一系列管理過程中，可以在DAQ-STC基礎(chǔ)上增加中央控制模塊；在控制電路的核心板上，選擇ARM9處理器，該處理器由多個(gè)SDRAM組成（規(guī)格為32M，寬度為16bit）核心控制芯片，最后，通過AMBA總線接口等實(shí)現(xiàn)了彼此之間的聯(lián)系。在這種情況下，為了能夠進(jìn)一步增強(qiáng)自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)效果，在設(shè)計(jì)中，還需要進(jìn)一步增加敏感元件數(shù)量。

在圖1介紹的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，考慮到汽車連桿機(jī)械的參量約束條件需要以構(gòu)建的總體結(jié)構(gòu)模型為依據(jù)，一般在初始狀態(tài)量已經(jīng)確定的情況下，構(gòu)建具有若干條輸出通道的模型。假設(shè)汽車連桿機(jī)械的相關(guān)參數(shù)表達(dá)為：飛行姿態(tài)角的加速度為：左右車輪的控制系數(shù)為系統(tǒng)振動(dòng)幅值分別用表示，連接結(jié)構(gòu)的輸出增益用表示，用fd1、fd2與fd3分別代表不同的干擾項(xiàng)，最后車體繞擺桿的力學(xué)控制輸出量用與δγ表示，則有關(guān)系式：

在上述結(jié)構(gòu)中，為避免汽車連桿機(jī)械的自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)過程出現(xiàn)的各種誤差可能會(huì)影響最終研究結(jié)果，在研究期間，可考慮通過引入穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償項(xiàng)的方法來降低擾動(dòng)因素的影響。其誤差不暢則需要結(jié)合控制約束參量等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，在數(shù)據(jù)處理過程中，針對(duì)控制約束對(duì)象能進(jìn)一步降低向擾動(dòng)因素對(duì)最終數(shù)據(jù)處理結(jié)果的影響，因此，在分析期間，可以根據(jù)字系統(tǒng)連桿傳動(dòng)角度以及旋轉(zhuǎn)角度等各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)做統(tǒng)一評(píng)價(jià)，并在增設(shè)干擾信號(hào)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化控制系統(tǒng)的抗干擾能力，這樣才能滿足汽車連接機(jī)械自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)控制方面的要求。

2.2 控制節(jié)律設(shè)計(jì)

在控制節(jié)律設(shè)計(jì)中，使用建模工具搭建具有較高精準(zhǔn)度的汽車連接機(jī)械自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)的控制模型后，即可進(jìn)行指控率設(shè)計(jì)，此時(shí)，本文使用模糊控制的PID變結(jié)構(gòu)控制法，由此能夠形成變結(jié)構(gòu)模糊的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系。在這種情況下，用t來表示任意一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，用xn表達(dá)在第n個(gè)神經(jīng)元輸入至輸出層厚，汽車連桿所產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)參量變化情況，并與對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘后，獲得輸出層控制器的辨識(shí)參數(shù)，其計(jì)算公式為：

在上述公式中，neti表輸出層i的控制器辨識(shí)參數(shù)情況；表示汽車機(jī)械連桿傳動(dòng)力學(xué)參數(shù)的在對(duì)應(yīng)時(shí)刻的權(quán)重值。

之后，根據(jù)控制約束量的相關(guān)數(shù)據(jù)要求，在完成誤差補(bǔ)償?shù)那闆r下，可以按照獲得的誤差項(xiàng)，且不考慮汽車傳動(dòng)機(jī)械在正常行駛情況下的不確定因素，即可判斷出系統(tǒng)切換的控制規(guī)律特征。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)期間，考慮到汽車連桿機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的特殊性能要求，對(duì)于控制系統(tǒng)而言，信息的采集效率則成為其中的關(guān)鍵點(diǎn)，所以，設(shè)計(jì)人員要通過多種方法來提高信息的全覆蓋面，這是提高數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的有效手段。所以，為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，本文在設(shè)計(jì)時(shí)，將結(jié)合連桿機(jī)械自動(dòng)化節(jié)能要求，通過智能傳感器模塊并搭配相應(yīng)的控制模塊，使整個(gè)系統(tǒng)能夠順利完成各種操作指令。同時(shí)，在控制電路中，控制核心板實(shí)其中的核心組件，因此，在綜合考慮各方面要求的基礎(chǔ)上，選擇了ARM9處理器模式，運(yùn)用DSP技術(shù)，在總線接口的支持下，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備之間的有效連接，能夠避免出現(xiàn)質(zhì)量問題的現(xiàn)象，使控制系統(tǒng)的性能更加滿意。

3 汽車連桿機(jī)械自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)的控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)

通過開展仿真實(shí)驗(yàn)的方法，能夠全面評(píng)價(jià)汽車連桿機(jī)械的自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)效果，所以本文將通過Mabtlab設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過簡化系統(tǒng)的相關(guān)操作步驟來降低出現(xiàn)質(zhì)量問題的風(fēng)險(xiǎn)。所以在設(shè)計(jì)中，可選擇Simulink仿真平臺(tái)，對(duì)汽車連桿機(jī)械的硬件部位做仿真評(píng)價(jià)，通過該結(jié)果，能夠顯示汽車連桿機(jī)械的性能。

在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置每隔0.2s采集一次汽車連桿機(jī)械的傳動(dòng)學(xué)參數(shù)，將實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)為12s，設(shè)計(jì)控制迭代補(bǔ)償為20；在嚴(yán)格遵守國家的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)后，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)數(shù)據(jù)；通過將設(shè)定好的仿真參量依托該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬后，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的模擬分析能力。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在設(shè)計(jì)迭代步長為10的情況下，本文所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)誤差為0.25N；而相比之下，若采用傳統(tǒng)的控制方法，則誤差量達(dá)到了0.45N。當(dāng)?shù)介L為20時(shí)，本文所介紹的設(shè)計(jì)方案的控制誤差僅為0.1N，而在使用傳統(tǒng)方法時(shí)，傳動(dòng)控制系統(tǒng)的誤差達(dá)到了0.33N。通過這組數(shù)據(jù)比較可發(fā)現(xiàn)，本文所介紹的控制系統(tǒng)誤差度更小。

4 結(jié)語

本文基于在變結(jié)構(gòu)模糊PID技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一套汽車連桿機(jī)械自動(dòng)節(jié)能傳動(dòng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本文的設(shè)計(jì)方法具有更高的精度，滿足汽車連桿機(jī)械自動(dòng)化節(jié)能要求，具有推廣價(jià)值。