液压混合动力车中变量泵_马达的模糊控制器的设计_李世刚

2007年1月 农 机 化 研 究 第1期液压混合动力车中变量泵/马达的模糊控制器的设计李世刚，谭 彧，谢 斌(中国农业大学 工学院，北京 100083)摘 要：液压混合动力车是一种新型环保节能车辆,以液压蓄能器和变量泵/马达为核心组成刹车能量再生系统，实现节能环保。

为了便于对变量泵/马达的排量进行控制研究，建立了变量泵/马达控制系统的数学模型，分别采用模糊PID 控制与PID 控制对控制系统进行了仿真分析。

仿真结果表明，模糊PID 控制减小了系统响应的超调量，加快了系统响应时间，使系统具有了良好的动态性能。

关键词：汽车工程；变量泵/马达；设计；液压混合；车辆；模糊PID中图分类号：U260.35 文献标识码：A 文章编号：1003─188X(2007)01─0133─030 引言随着社会经济的发展，能源紧缺与环境污染成为当今社会的主要问题。

发展节能环保新型车辆越来越成为社会的广泛共识，同时也成为当前汽车工业界的一项重要任务。

液压混合动力车正是在这种情况下应运而生的。

液压混合动力车是在传统汽车的基础上利用蓄能器功率密度大的优点，通过双向可逆变量泵/马达对刹车能量进行回收与利用,达到节能与环保的目的。

因此，具有广阔的发展前景。

1 系统的构成及工作原理液压混合动力车驱动系统由车辆原有驱动系和液压辅助驱动单元构成，结构如图1所示。

图1中的虚线方框内为液压辅助驱动单元，主要由变量泵/马达、高低压蓄能器、电磁阀等元件组成，实现储存和释放能量的目的。

图1 液压混合动力车驱动系统的结构简图在液压混合动力驱动系统中，当车辆处于制动状态时，变量泵/马达以液压泵的方式工作，为车辆的制动提供制动扭矩，并将车辆的机械能转换成液压能，低压蓄能器中的液体以高压的形式储存到高压蓄能器中；当车辆起步时，变量泵/马达以液压马达的方式工作，将高压蓄能器中的压力能转换成机械能，并驱动车辆行驶。

当行驶到一定速度时启动发动机，车辆开始正常行驶。

为了分析车辆制动时能量回收性能和起步时能量释放性能，有必要对变量泵/马达进行有效控制，其实质就是对其排量进行控制。

由于变量泵/马达的排量大小是由电液比例阀控液压缸系统决定的，因此对电液比例换向阀控液压缸系统进行理论分析是必要的。

比例阀控液压缸活塞运动位移由位移传感器检测，并将检测到的活塞位移信号与给定信号进行比较，将比较结果输出给控制器，由控制器发出指令对比例阀控液压缸活塞位移进行调节，从而达到对变量泵/马达排量调节的目的。

2 系统数学模型的建立2.1 比例电磁铁的数学模型的建立 比例电磁铁电压增量方程为tx k i r R t iLu v e p c i d d )(d d +++= (1) 式中 L —圈电感；e k —感应反电势系数；c R ,p r —分别为线圈和放大器内阻。

电磁铁吸力方程（在工作行程段）为v y i e x K i K F −= (2)式中 i —线圈电流；i K —电磁力转换系数；收稿日期：2006-03-16作者简介：李世刚（1973-）,男，辽宁昌图人，博士研究生，(E-mail)lishigang2523@ 。

通讯作者：谭 彧（1963-）,女,湖南常宁人，教授，博士生导师，(E-mail)tanyu32@ 。

DOI:10.13427/ki.njyi.2007.01.043NB NM NS ZO PS PM PB -6 -4 -2 0 2 4 61.00.5NB NM NS ZO PS PM PB-3 -2 -1 01 2 30.51.0y K —位移力转换系数。

电磁铁的动力学方程为e v s vv F x K tx Bt x m =++d d d d 22 (3) 式中 m —衔铁组件的质量； B —阻尼系数（Ns/m ）； s K —衔铁组件的弹簧刚度。

2.2 电液比例换向阀控缸数学模型的建立 活塞受力平衡方程为L m L F Kx t xB tx M A p +++=d d d d 22 (4)式中 M —阀控液压缸活塞部分运动组件的总质量（kg ）；m B —折算到活塞上的粘性阻尼系数（Ns/m ）； K —折算到活塞上的负载弹簧刚度（N/m ）； x —液压缸活塞位移（m ）；L F —变量泵斜盘作用在活塞上的外负载力（N ）；A —液压缸有效面积（m 2）；L p —阀控液压缸高低压腔的压力差（Pa ）。

流量连续方程为L t L e t L p C tp v t xA q ++=d d 4d d β (5)式中 t C —阀控动力机构总内、外泄漏系数（m 3/s ·Pa ）； e β—体积弹性模量（Pa ）； L P —液压缸两缸压力差（Pa ）； t V —包括油道的总工作容积（m 3）。

比例阀流量方程（线性化后）为L c v q L p K x K q ⋅−⋅= (6)式中 q K —阀流量增益（m 2/s ）； c K —阀流量-压力增益（m 5/N ·s ）将式(1)～(6)进行拉氏变换并简化。

其中，由于比例电磁铁的衔铁主件的固有频率远大于比例阀液压部分的固有频率,可将比例电磁铁简化成一个比例环节v K （电压—阀芯位移的增益），外负载对阀控缸活塞的作用力很小，可忽略。

因此，电液比例换向阀控液压缸传递函数如式(7)所示，即[2])12()(++=s sAs K K s G hhhq v ωξω (7)式中 q K —阀流量增益；h ω—阀控液压缸系统的液压固有频率。

电液比例换向阀控液压缸系统方框图，如图2所示。

图2 电液比例换向阀控缸系统方框图3 模糊PID 控制器的设计为了达到良好的控制效果，对变量泵/马达采用模糊PID 控制器进行控制。

PID 控制算法因为计算量小，较好实时性以及易于实现等优点一直为过程控制所广泛采用，但是其参数比例增益p K ，积分增益I K ,微分增益D K 一经确定就存在了修改不便，不能进行自整定的缺点。

模糊PID 控制器是以误差E 和误差变化BC 作为其输入，以PID 控制器的3个参数比例增益p K ，积分增益I K ，微分增益D K 作为其输出,这样就实现了对PID 参数的在线自调整,提高了系统的控制精度和鲁棒性[3]。

模糊PID 控制系统原理，如图3所示。

图3 模糊PID 控制系统结构图模糊PID 控制器输入变量误差E ，误差变化EC和输出变量p K ，I K ，D K 语言值的模糊集分别为{NB ，NM ，NS ，ZO ，PS ，PM ，PB}和{ZO ，PS ，PM ，PB}，E 和EC 的整数论域皆为{-5，5}，K P ，K I ，K D 的整数论域皆为{-3，3}。

输入变量用同一个隶属函数，如图4所示；输出变量用同一个隶属函数，如图5所示。

图4 输入变量E ，EC 的隶属函数图5 输出变量 K P ,K I ,K D 的隶属函数①—PID 控制 ②—模糊PID 控制0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10t /s141210.80.60.40.20单位阶段响应曲线模糊控制规则是模糊控制器的关键,是对工程技术人员的技术知识和操作经验的总结，表1、表2和表3分别给出了P K ，I K 和D K 的模糊控制规则表。

表1 p K 模糊控制规则表EC NB NM NS ZO PS PM PB NB PS NS NB NB NB NM PS NM PS NS NB NM NM NS ZO NS ZO NS NM NM NS NS ZO E ZO ZO NS NS NS NS NS ZO PS ZO ZO ZO ZO ZO ZO ZO PM PB NS NS PS PS PS PBPBPBPMPMPMPSP3PB4 仿真结果由于变量泵/马达排量控制系统中的主要元件电液比例换向阀的换向时间比较长，因此在仿真中加入了延时环节，延迟时间为0.04s 。

对电液比例换向阀控缸活塞位移控制系统，分别采用PID 和模糊PID 控制，在阶跃信号作用下的仿真曲线，如图6所示。

图6 PID 控制与模糊PID 控制仿真由图6可以看出，采用模糊PID 控制的系统调节时间为4s ，没有超调量；而采用PID 控制的系统调节时间为7s ，有较大的超调量。

仿真结果表明：模糊PID 控制能有效地提高系统的响应速度，使系统的响应时间缩短，减小了系统的超调量，改善了系统的动态性能。

5 结束语本文所设计模糊PID 控制器是有效的，与常规PID 控制比较，特别是与系统中带有延时环节的常规PID 控制相比，采用模糊PID 控制可使系统具有较小的超调量，系统的响应速度得到了提高。

由于采用模糊PID 控制可以使系统没有超调和振荡，因而使系统具有较强的鲁棒性。

参考文献：[1] 啟黎柏.电液比例控制与数字控制系统[M].北京:机械工业出版社,1997.[2] 卢长耿,李金良.液压控制系统的分析与设计[M].北京:煤炭工业出版社,1991.[3] 李士勇.模糊控制·神经控制和智能控制论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.[4] 胡寿松.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社,1994. （下转第138页）①②具，对其进行智能化、自动化控制是目前国内的主攻方向之一。

本研究采用由8051芯片构成的智能控制系统，可以实现绞盘卷管式喷灌机绞盘速度的高精度智能化控制，其不但有效地控制了喷头小车的行走速度，而且极大地提高了喷灌均匀性，保证了喷灌质量。

该8051芯片智能控制系统具有设计合理、使用方便等优点，可广泛应用于许多实时控制系统中。

参考文献：[1] 张国华,刑文刚,余双恩.我国灌水技术现状及研究趋势[J].中国水利,2005(9):32-34.[2] 伊万和.喷灌机市场前景广阔-乌托公司着力开发[J].农机市场,2001(6):11-12.[3] 李英能.浅论我国喷灌设备技术创新[J].排灌机械,2001,19(2):3-7.[4] 孙文峰,程亨曼,李存孝,等.我国喷灌设备现状与市场前景分析[J].农机化研究,2005(1):63-64. [5] 赵嘉琨.采用喷灌技术发展节水农业-软管卷盘式喷灌机设计[J].农机科技推广,2002(2):20.[6] 刘宇峰.频率测量方法的研究[J].测试与测量,2002(5):7-8.Study of Winch Velocity Automatic Control System on TravelerSprinkling Irrigation MachineZHANG Hui-juan, ZHU Rui-xiang, WU Feng, LIU Xiao-juan, LU Yan-hong（College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry, Yang ling 712100, China）Abstract：Sprinkler wagon’s speed of traveler sprinkling irrigation machine changed along with winch velocity’s changing and finally affected irrigative character in China at present. Based on real-time controlling theories and systems, this paper designed an intelligent control system composed of 8051 chips, presented the realized schemes of the hardware and software and analyzed system’s efficiency. The study showed that the intelligent control system realized winch velocity’s Automatic Control of traveler sprinkling irrigation machine, effectively controlled sprinkler wagon’s speed, and greatly improved its irrigative character and automatic lever. The system was valuable for application and generalization.Key words：auto-control technology; intelligent control; design; sprinkling irrigation machine; single-chip computer; capability study（上接第135页）Abstract ID: 1003-188X (2007)01-0133-EADesign of Fuzzy Controller of the Variable displacement Pump/Motor in Hydraulic Hybrid Power Motor VehicleLI Shi-gang, TAN Yu, XIE Bin(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)Abstract：Hydraulic Hybrid Power Motor Vehicle is a new type of environmental and energy saving vehicle. The braking power regeneration system is constructed that includes hydraulic accumulator and double direction reversible hydraulic pump. The mathematic model of the system is built. The system based on the fuzzy PID and PID control is simulated. The results show that the fuzzy PID control has quicker response and a less paranormal value. The dynamic function is well.Key words：automobile engineering; variable displacement pump/motor; design; hydraulic hybrid; vehicle; Fuzzy PID。