模糊控制在汽車中的應用課件

模糊控制理論在汽車中的應用模糊控制理論在汽車中的應用1一、概述二、在汽車上的應用方面三、舉例說明在汽車空調(diào)當中的應用四、簡要介紹在其他方面的應用模糊控制在汽車中的應用課件2

一、概述１、什么叫模糊控制？所謂模糊控制，就是對難以用已有規(guī)律描述的復雜系統(tǒng)，采用自然語言（如大、中、?。┘右詳⑹?，借助定性的、不精確的及模糊的條件語句來表達，模糊控制是一種基于語言的一種智能控制

一、概述32、為什么采用模糊控制？

傳統(tǒng)的自動控制控制器的綜合設計都要建立在被控對象準確的數(shù)學模型(即傳遞函數(shù)模型或狀態(tài)空間模型)的基礎上，但是在實際中，很多系統(tǒng)的影響因素很多，油氣混合過程、缸內(nèi)燃燒過程等)，很難找出精確的數(shù)學模型。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大。因為模糊控制不用建立數(shù)學模型不需要預先知道過程精確的數(shù)學模型。要研制智能化的汽車，就離不開模糊控制技術(shù)如汽車空調(diào)：人體舒適度的模糊性和空調(diào)復雜系統(tǒng)

2、為什么采用模糊控制？43、工作原理把由各種傳感器測出的精確量轉(zhuǎn)換成為適于模糊運算的模糊量,然后將這些量在模糊控制器中加以運算,最后再將運算結(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量,以便對各執(zhí)行器進行具體的操作控制。在模糊控制中,存在著一個模糊量和精確量之間相互轉(zhuǎn)化的問題3、工作原理把由各種傳感器測出的精確量轉(zhuǎn)換成為適于模糊運算的5

模糊控制原理圖s:系統(tǒng)的設定值。x1,x2:模糊控制的輸入(精確量)。X,1,X2:模糊量化處理后的模糊量。U:經(jīng)過模糊控制規(guī)則和近似推理后得出的模糊控制量。u:經(jīng)模糊判決后得到的控制量(精確量)。y:對象的輸出。模糊控制原理圖s:系統(tǒng)的設定6也可以表示成也可以表示成7工作步驟：

輸入量模糊化建立模糊規(guī)則進行模糊推理輸出量反模糊工作步驟：83、模糊控制的特點

①適用于不易獲得精確數(shù)學模型的被控對象，②是一種語言變量控制器③從屬于智能控制的范疇。該系統(tǒng)尤其適于非線性，時變，滯后系統(tǒng)的控制④抗干擾能力強，響應速度快，并對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強的魯棒性。3、模糊控制的特點9二、模糊控制在汽車的應用方面1、ABS防抱死系統(tǒng)工況的多變及輪胎的非線性2、汽車巡航系統(tǒng)外界負荷的擾動、汽車質(zhì)量和傳動系效率的不確定性、被控對象的強非線性3、汽車空調(diào)人體舒適感的模糊性和空調(diào)復雜結(jié)構(gòu)4、半主動懸架系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定性5、發(fā)動機二、模糊控制在汽車的應用方面1、ABS防抱死系統(tǒng)工況的多變及10三、在汽車空調(diào)上的應用對汽車空調(diào)系統(tǒng)的要求：★技術(shù)性能和控制性能優(yōu)良，滿足人體舒適性的要求；★節(jié)能自動控制的應用是達到這兩方面要求的一個重要途徑。經(jīng)典控制理論：建立數(shù)學模型現(xiàn)代控制理論：狀態(tài)方程

空調(diào)器為典型的傳質(zhì)換熱系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和內(nèi)部物理過程復雜，難以建立精確的數(shù)學模型。汽車空調(diào)由于工作條件多變，用傳統(tǒng)的控制方法如:PID控制，難以獲得較好的控制效果。對于環(huán)境干擾，魯棒性好，能夠抑制非線性因素對控制器的影響三、在汽車空調(diào)上的應用對汽車空調(diào)系統(tǒng)的要求：11全空調(diào)型客車空調(diào)原理圖1、外進風;2出風口;3蒸發(fā)器風機:4蒸發(fā)器芯;5熱水器芯:6溫度門:7、出風口:8車內(nèi)進風全空調(diào)型客車空調(diào)原理圖1、外進風;2出風口;312模糊控制是基于語言的控制模糊語言集的組成：T（E）

T（E）={負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}用模糊語言變量E來描述偏差，或用符號表示負大NB（NegativeBig）、負中NM（NegativeMedium）、負小NS（NegativeSmall）、零ZE（Zero）、正小PS（PositiveSmall）、正中PM（PositiveMedium），正大PB（PositiveBig），則：T（E）={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}模糊控制在汽車中的應用課件13建立隸屬函數(shù)：各參數(shù)對相應子集的隸屬函數(shù)分別由不同的函數(shù)族決定。參數(shù)的相應子集指該參數(shù)被人為地劃分成的等級所構(gòu)成的一組模糊集合。相應子集的多少，由控制精度決定。例如，參數(shù)“溫差”的相應子集可以是“正大，正小，負小，負大”，也可以是“正大，正中，正小，負小，負中，負大”，后者比前者模糊子集多，因而控制精度更高（在其它條件相同的情況下）。溫度偏差x的相應子集為：

正大：u(ⅹ)=1-1/（1+0.5X2）(X>0)正中：u(ⅹ)=1/（1+（x-2）2）(X>0)正?。簎(ⅹ)=1/（1+(x-1)2）(X>0)正很小：u(ⅹ)=1/（1+0.5X2）(X>0)負很?。簎(ⅹ)=1/（1+0.5X2）(X<0)負?。簎(ⅹ)=1/（1+(x+1)2）(X<0)負中：u(ⅹ)=1/（1+(x+2)2）(X<0)負大：u(ⅹ)=1-1/（1+0.5X2）(X<0)建立隸屬函數(shù)：14溫度偏差E的隸屬函數(shù)溫度變化率Eu的隸屬函數(shù)控制輸出量U的隸屬函數(shù)溫度偏差E的隸屬函數(shù)溫度變化率Eu的隸屬函數(shù)控制輸出量U的隸15普通集合對溫度的定義模糊集合對溫度的設定普通集合對溫度的定義模糊集合對溫度的設定16★汽車空調(diào)模糊控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行器壓縮機、蒸發(fā)器風機、電子膨脹閥★控制目標:壓縮機能量調(diào)節(jié)機構(gòu)控制其排量;蒸發(fā)器風機控制車內(nèi)的送風量;電子膨脹閥控制壓縮機吸入氣體的過熱度。執(zhí)行器和控制量之間有交互的影響,增加了控制的復雜性。★汽車空調(diào)模糊控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行器壓縮機、蒸發(fā)器風機、電子膨17

汽車空調(diào)模糊控制框圖汽車空調(diào)模糊控制框圖18模糊控制規(guī)則：（根據(jù)人工經(jīng)驗設定）

根據(jù)溫差和溫差變化率設定等級，推導壓縮機排量、膨脹閥開度和風機轉(zhuǎn)速的等級。

(1)如果溫差“正大”,溫差變化率“負很小”,認為機器制冷力嚴重不足。運行狀態(tài)設置為:壓縮機排量為“最大”,膨脹閥開度為“最大”,風機轉(zhuǎn)速為“最大”。(2)如果溫差“正中”,溫差變化率“正大”,認為機器制冷力不足,運行狀態(tài)設置為:壓縮機排量為“大”,膨脹閥開度為“大”,風機轉(zhuǎn)速為“大”。(3)如果溫差“正小”,溫差變化率“正中”,認為機器制冷力仍不足,運行狀態(tài)設置為:壓縮機排量為“中”,膨脹閥開度為“中”,風機轉(zhuǎn)速為“中”。..如果溫差變化率相應子集數(shù)和溫差相同,均為8個,那么,這種類型的規(guī)則應有64條模糊控制在汽車中的應用課件19

模糊控制規(guī)則表建立模糊控制規(guī)則的基本思想:當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。以誤差為負大時，誤差變化為負大為例，這時誤差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負大誤差并抑制誤差變大，所以控制量取負大，即使風門開度達到最小，減少通過加熱器的風量。模糊控制規(guī)則表建立模糊20控制步驟：⑴.計算出溫度差x，溫差的變化率，x,即為精確的控制輸入。⑵.求出控制輸入x、x對相應子集的隸屬度，把精確的控制輸入轉(zhuǎn)換成模糊量。例如，x=1℃,x=0.1℃/min,則有：x對相應子集的隸屬度為（按前述設定隸屬函數(shù)）：正大：u(x)=0.33正中：u(x)=0.5正?。簎(x)=1正很?。簎(x)=0.67其余子集：u(x)=0同樣地，對相應子集隸屬度亦可算出，例如：正大：u()=0.1正中：u()=0.8正?。簎()=0.9正很小：u()=0.1其余子集：u()=0控制步驟：21⑶.模糊控制規(guī)則條件部分的隸屬度。例如，對前述設定的模糊控制規(guī)則⑴⑵、控制輸入組y={x=1℃,x=0.1℃/min}對其條件部分的隸屬度可求得：對規(guī)則⑴的條件部分：u(y)=0對規(guī)則⑵的條件部分：u(y)=0.1對規(guī)則⑶的條件部分：u(y)=0.8..⑶.模糊控制規(guī)則條件部分的隸屬度。22（4）利用模糊控制規(guī)則，推導控制輸出的模糊量。由前一步驟計算的對規(guī)則條件部分的隸屬度u（y）,可直接得出相應規(guī)則結(jié)論部分對相應子集的隸屬度。例如，對規(guī)則⑶，已知y對條件部分的隸屬度u（y）=0.8，那么，壓縮機排量F對“中等排量”隸屬度u(F)=0.8，風機轉(zhuǎn)速v，對“中等轉(zhuǎn)速”隸屬度u(v)=0.8，膨脹閥開度N對“中等轉(zhuǎn)速”隸屬度u(N)=0.8。考慮所有有關(guān)的結(jié)論部分，即可得到控制輸出對相應子集的隸屬度。如壓縮機排量F對相應子集的隸屬度為：最大：u(F)=0大：u(F)=0.1中：u(F)=0.8小：u(F)=0.7最?。簎(F)=0.1（4）利用模糊控制規(guī)則，推導控制輸出的模糊量。由前一步驟計算23

模糊推理規(guī)則模糊量化為清晰量輸出模糊24

輸出模糊量輸出模糊量25根據(jù)重心法原則

模糊控制器控制表根據(jù)重心法原則26

模糊控制與常規(guī)控制比較模糊控制具有超調(diào)量小、穩(wěn)差小的特點。一般汽車空調(diào)模糊控制可節(jié)能15%～20%。模糊控制與常規(guī)控制比較27控制過程：1、根據(jù)溫度傳感器和濕度傳感器測定的溫度濕度，以人體舒適感為基礎，對車廂溫度進行模糊修正2、根據(jù)設定溫度和實測溫度，用模糊控制原則推論控制輸出3、根據(jù)室外溫度、乘車滿員率對控制輸出進行熱負荷模糊修正。4、根據(jù)車門啟閉情況，對控制輸出進行修正控制過程：28實行模糊控制要進行三個方面的工作:精確量的模糊化,把語言變量的語言值化為某適當論域上的模糊子集;模糊控制算法和設計,通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則,并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系;輸出信息的模糊判決,并完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化結(jié)論：結(jié)論：29在ABS中的的應用

車輛工況的多變及輪胎的非線性導致傳統(tǒng)PID控制中比例、微分、積分最佳參數(shù)匹配的困難,模糊控制恰好適應了這種變工況非線性系統(tǒng)的控制,并具有魯棒性強的優(yōu)點ABS模糊控制模型在ABS中的的應用30誤差的變化率定義為E=S-S0，S0為期望滑移律點誤差的變化率定義為EC=(Ek-Ek-1)/T控制量U為制動系統(tǒng)壓力,它決定了制動力矩的大小,為輸出量。誤差的變化率定義為E=S-S0，S0為期望滑移律31

模糊控制規(guī)則

車輪與輪速關(guān)系曲線

滑移率變化曲線模糊控制規(guī)則車輪與輪速關(guān)系曲線32汽車巡航控制系統(tǒng)

在汽車的行駛過程中，由于外界負荷的擾動、汽車質(zhì)量和傳動系效率的不確定性、被控對象的強非線性等因素的影響，采用傳統(tǒng)的PID控制方法難以保證在不同的條件下都取得令人滿意的控制效果。

汽車巡航模糊自整定PID控制原理汽車巡航控制系統(tǒng)汽車巡航模糊自整定PID控33自適應模糊神經(jīng)網(wǎng)絡在半自動懸架上應用自適應模糊神經(jīng)網(wǎng)絡34

謝謝大家謝謝大家35模糊控制理論在汽車中的應用模糊控制理論在汽車中的應用36一、概述二、在汽車上的應用方面三、舉例說明在汽車空調(diào)當中的應用四、簡要介紹在其他方面的應用模糊控制在汽車中的應用課件37

一、概述１、什么叫模糊控制？所謂模糊控制，就是對難以用已有規(guī)律描述的復雜系統(tǒng)，采用自然語言（如大、中、小）加以敘述，借助定性的、不精確的及模糊的條件語句來表達，模糊控制是一種基于語言的一種智能控制

一、概述382、為什么采用模糊控制？

傳統(tǒng)的自動控制控制器的綜合設計都要建立在被控對象準確的數(shù)學模型(即傳遞函數(shù)模型或狀態(tài)空間模型)的基礎上，但是在實際中，很多系統(tǒng)的影響因素很多，油氣混合過程、缸內(nèi)燃燒過程等)，很難找出精確的數(shù)學模型。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大。因為模糊控制不用建立數(shù)學模型不需要預先知道過程精確的數(shù)學模型。要研制智能化的汽車，就離不開模糊控制技術(shù)如汽車空調(diào)：人體舒適度的模糊性和空調(diào)復雜系統(tǒng)

2、為什么采用模糊控制？393、工作原理把由各種傳感器測出的精確量轉(zhuǎn)換成為適于模糊運算的模糊量,然后將這些量在模糊控制器中加以運算,最后再將運算結(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量,以便對各執(zhí)行器進行具體的操作控制。在模糊控制中,存在著一個模糊量和精確量之間相互轉(zhuǎn)化的問題3、工作原理把由各種傳感器測出的精確量轉(zhuǎn)換成為適于模糊運算的40

模糊控制原理圖s:系統(tǒng)的設定值。x1,x2:模糊控制的輸入(精確量)。X,1,X2:模糊量化處理后的模糊量。U:經(jīng)過模糊控制規(guī)則和近似推理后得出的模糊控制量。u:經(jīng)模糊判決后得到的控制量(精確量)。y:對象的輸出。模糊控制原理圖s:系統(tǒng)的設定41也可以表示成也可以表示成42工作步驟：

輸入量模糊化建立模糊規(guī)則進行模糊推理輸出量反模糊工作步驟：433、模糊控制的特點

①適用于不易獲得精確數(shù)學模型的被控對象，②是一種語言變量控制器③從屬于智能控制的范疇。該系統(tǒng)尤其適于非線性，時變，滯后系統(tǒng)的控制④抗干擾能力強，響應速度快，并對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強的魯棒性。3、模糊控制的特點44二、模糊控制在汽車的應用方面1、ABS防抱死系統(tǒng)工況的多變及輪胎的非線性2、汽車巡航系統(tǒng)外界負荷的擾動、汽車質(zhì)量和傳動系效率的不確定性、被控對象的強非線性3、汽車空調(diào)人體舒適感的模糊性和空調(diào)復雜結(jié)構(gòu)4、半主動懸架系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定性5、發(fā)動機二、模糊控制在汽車的應用方面1、ABS防抱死系統(tǒng)工況的多變及45三、在汽車空調(diào)上的應用對汽車空調(diào)系統(tǒng)的要求：★技術(shù)性能和控制性能優(yōu)良，滿足人體舒適性的要求；★節(jié)能自動控制的應用是達到這兩方面要求的一個重要途徑。經(jīng)典控制理論：建立數(shù)學模型現(xiàn)代控制理論：狀態(tài)方程

空調(diào)器為典型的傳質(zhì)換熱系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和內(nèi)部物理過程復雜，難以建立精確的數(shù)學模型。汽車空調(diào)由于工作條件多變，用傳統(tǒng)的控制方法如:PID控制，難以獲得較好的控制效果。對于環(huán)境干擾，魯棒性好，能夠抑制非線性因素對控制器的影響三、在汽車空調(diào)上的應用對汽車空調(diào)系統(tǒng)的要求：46全空調(diào)型客車空調(diào)原理圖1、外進風;2出風口;3蒸發(fā)器風機:4蒸發(fā)器芯;5熱水器芯:6溫度門:7、出風口:8車內(nèi)進風全空調(diào)型客車空調(diào)原理圖1、外進風;2出風口;347模糊控制是基于語言的控制模糊語言集的組成：T（E）

T（E）={負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}用模糊語言變量E來描述偏差，或用符號表示負大NB（NegativeBig）、負中NM（NegativeMedium）、負小NS（NegativeSmall）、零ZE（Zero）、正小PS（PositiveSmall）、正中PM（PositiveMedium），正大PB（PositiveBig），則：T（E）={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}模糊控制在汽車中的應用課件48建立隸屬函數(shù)：各參數(shù)對相應子集的隸屬函數(shù)分別由不同的函數(shù)族決定。參數(shù)的相應子集指該參數(shù)被人為地劃分成的等級所構(gòu)成的一組模糊集合。相應子集的多少，由控制精度決定。例如，參數(shù)“溫差”的相應子集可以是“正大，正小，負小，負大”，也可以是“正大，正中，正小，負小，負中，負大”，后者比前者模糊子集多，因而控制精度更高（在其它條件相同的情況下）。溫度偏差x的相應子集為：

正大：u(ⅹ)=1-1/（1+0.5X2）(X>0)正中：u(ⅹ)=1/（1+（x-2）2）(X>0)正?。簎(ⅹ)=1/（1+(x-1)2）(X>0)正很?。簎(ⅹ)=1/（1+0.5X2）(X>0)負很?。簎(ⅹ)=1/（1+0.5X2）(X<0)負小：u(ⅹ)=1/（1+(x+1)2）(X<0)負中：u(ⅹ)=1/（1+(x+2)2）(X<0)負大：u(ⅹ)=1-1/（1+0.5X2）(X<0)建立隸屬函數(shù)：49溫度偏差E的隸屬函數(shù)溫度變化率Eu的隸屬函數(shù)控制輸出量U的隸屬函數(shù)溫度偏差E的隸屬函數(shù)溫度變化率Eu的隸屬函數(shù)控制輸出量U的隸50普通集合對溫度的定義模糊集合對溫度的設定普通集合對溫度的定義模糊集合對溫度的設定51★汽車空調(diào)模糊控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行器壓縮機、蒸發(fā)器風機、電子膨脹閥★控制目標:壓縮機能量調(diào)節(jié)機構(gòu)控制其排量;蒸發(fā)器風機控制車內(nèi)的送風量;電子膨脹閥控制壓縮機吸入氣體的過熱度。執(zhí)行器和控制量之間有交互的影響,增加了控制的復雜性。★汽車空調(diào)模糊控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行器壓縮機、蒸發(fā)器風機、電子膨52

汽車空調(diào)模糊控制框圖汽車空調(diào)模糊控制框圖53模糊控制規(guī)則：（根據(jù)人工經(jīng)驗設定）

根據(jù)溫差和溫差變化率設定等級，推導壓縮機排量、膨脹閥開度和風機轉(zhuǎn)速的等級。

(1)如果溫差“正大”,溫差變化率“負很小”,認為機器制冷力嚴重不足。運行狀態(tài)設置為:壓縮機排量為“最大”,膨脹閥開度為“最大”,風機轉(zhuǎn)速為“最大”。(2)如果溫差“正中”,溫差變化率“正大”,認為機器制冷力不足,運行狀態(tài)設置為:壓縮機排量為“大”,膨脹閥開度為“大”,風機轉(zhuǎn)速為“大”。(3)如果溫差“正小”,溫差變化率“正中”,認為機器制冷力仍不足,運行狀態(tài)設置為:壓縮機排量為“中”,膨脹閥開度為“中”,風機轉(zhuǎn)速為“中”。..如果溫差變化率相應子集數(shù)和溫差相同,均為8個,那么,這種類型的規(guī)則應有64條模糊控制在汽車中的應用課件54

模糊控制規(guī)則表建立模糊控制規(guī)則的基本思想:當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。以誤差為負大時，誤差變化為負大為例，這時誤差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負大誤差并抑制誤差變大，所以控制量取負大，即使風門開度達到最小，減少通過加熱器的風量。模糊控制規(guī)則表建立模糊55控制步驟：⑴.計算出溫度差x，溫差的變化率，x,即為精確的控制輸入。⑵.求出控制輸入x、x對相應子集的隸屬度，把精確的控制輸入轉(zhuǎn)換成模糊量。例如，x=1℃,x=0.1℃/min,則有：x對相應子集的隸屬度為（按前述設定隸屬函數(shù)）：正大：u(x)=0.33正中：u(x)=0.5正?。簎(x)=1正很?。簎(x)=0.67其余子集：u(x)=0同樣地，對相應子集隸屬度亦可算出，例如：正大：u()=0.1正中：u()=0.8正?。簎()=0.9正很?。簎()=0.1其余子集：u()=0控制步驟：56⑶.模糊控制規(guī)則條件部分的隸屬度。例如，對前述設定的模糊控制規(guī)則⑴⑵、控制輸入組y={x=1℃,x=0.1℃/min}對其條件部分的隸屬度可求得：對規(guī)則⑴的條件部分：u(y)=0對規(guī)則⑵的條件部分：u(y)=0.1對規(guī)則⑶的條件部分：u(y)=0.8..⑶.模糊控制規(guī)則條件部分的隸屬度。57（4）利用模糊控制規(guī)則，推導控制輸出的模糊量。由前一步驟計算的對規(guī)則條件部分的隸屬度u（y）,可直接得出相應規(guī)則結(jié)論部分對相應子集的隸屬度。例如，對規(guī)則⑶，已知y對條件部分的隸屬度u（y）=0.8，那么，壓縮機排量F對“中等排量”隸屬度u(F)=0.8，風機轉(zhuǎn)速v，對“中等轉(zhuǎn)速”隸屬度u(v)=0.8，膨脹閥開度N對“中等轉(zhuǎn)速”隸屬度u(N)=0.8。考慮所有有關(guān)的結(jié)論部分，即可得到控制輸出對相應子集的隸屬度。如壓縮機排量F對相應子集的隸屬度為：最大：u(F)=0大：u(F)=0.1中：u(F)=0.8小：u(F)=0.7最?。簎(F)=0.1（4）利用模糊控制規(guī)則，推導控制輸出的模糊量。由前一步驟計算58

模糊推理規(guī)則模糊量化為清晰量輸出模糊59