模糊控制在发动机振动控制中的应用研究

收稿日期： 2009－05－31
句来构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的
③ 输出信息的模糊判断， 模糊关系； 完成模糊量到精确
量的转化［2］。
32
2 发动机振动分析
林 业 机 械 与 木 工 设 备
发动机是一种用途非常广泛的热能动力机械， 在 3.1 塞式发动机。发动机 通过活塞的往复运动和曲轴的旋转运动将周期爆发的 燃气压力转化为对输出轴做功 。 发动机缸内燃烧和气
模糊控制对于难以建立精确数学模型或者非常复 杂的系统都有很好的控制效果， 而发动机的振动就是一 个复杂、 具有非线性和时变性的系统， 因此对发动机的 振动采取模糊控制是可行的。 本文在尽量不失真的前提下 及借鉴前人经验的基础上， 针对普通的液压悬置存在只 能在一定频率范围内起到隔振作用的缺陷， 将电流变液 悬置发动机的振动系统简化为线性系统， 采用模糊控制 策略对其进行研究， 并应用 MATLAB 软件进行仿真分析。
Study on Application of Fuzzy Control in Engine Vibration Control
YANG Hang-xu, ZHOU Mei-fang, LIU Dong-mei
（Jinhua College of Profession & Technology, Jinhua Zhejiang 321017, China）
K1
4
Z2 M2 C2 K2
发动机振动模糊控制建模 本文在进行模糊控制系统设计时采用 MATLAB 7.0
自带的 Fuzzy logic 工具箱进行模糊控制器的设计与仿 真。 4.1 模糊控制系统设计 本文采用目前广泛使用的二维模糊控制器， 其输入 为发动机的垂向振动速度误差 ev （取设定目标速度为 零 ） 和误差变化率 a， 输出 U 为可控阻尼力 f。 模糊子集的 论域定义为： 输入量 ev 和 a 的模糊集合论域为 ［6 －6］ ， 输出的模糊集合论域为 ［－7 7］ ， 对输入量 ev、 a 和控制量 f 采用下面七个模糊子集来表示它们的模糊状态： NB、 NM、 NS、 ZE、 PS、 PM、 PB。这里 NB 表示 “负大” ， NM 表示 “负中” ， NS 表示 “负小” ， ZE 表示 “零 ” ， PS 表示 “正小” ， PM 表示 “正中” ， PB 表示 “正大” 。对于输入输出语言变 “以最快的速度使 量应用三角形隶属度函数， 并建立了 发动机振动速度为零” 标准的模糊控制规则， 模糊算法 如 “if ev is NB and a is NB then U is PB” 。 4.2 仿真建模 在 MATLAB/SIMULINK 环境下建立电流变液悬置 与普通液压悬置对比的控制系统仿真模型，整个系统 封装后如图 8 所示。
的人工控制效果［1］。 图 1 所示为模糊控制系统的工作原 理。
模糊控制器 给定值 + A/D 计算控 制变量 模糊量 化处理 模糊控 制规则 模糊 推理 非模糊 化处理
传感器
被控对象
执行机构
D/A
图1
模糊控制系统工作原理
1
模糊控制理论 传统的控制系统设计都需要了解被控对象的数学
模糊控制器是实现模糊控制的载体，其设计的好 坏直接关系到模糊控制的效果如何。目前模糊控制器 设计已经有了一套完整的方案，主要解决了以下三方
①精确量值转化为某个适当论域上的模糊子 面的问题： ②模糊控制算法的设计， 集； 通过一组模糊控制条件语
模型， 但在实际生产和设计过程中， 要获得足够精度又 便于计算的数学模型相当困难，这就使得现代控制理 论的应用受到限制。而基于专家的知识和操作者的经 验建立起来的模糊控制模型通过模糊推理完成控制决 策过程， 实现对被控对象的调节控制， 最终能获得较好
（5 ）
0 0
0 0 K1 M1 － K1＋K2 M2 0 0 K1 M1
1 0 － C1 M1 C1 M2 1 － C1 M1
0 1 C1 M1 － C1＋C2 M2 0 C1 M1
1 1 1 1 1 1 1 1 1
A＝ － K1 M1
C1 K1 Z2
C
K1 M2
1 1 1 1 1 1 1 1 1
i i=1
本文只对发动机垂直方向的振动进行研究，对于 直列式四缸发动机的主要激振力我们也只考虑二次往 复惯性力。但实际上发动机中的其他运动部件， 如配气 机构 、 启动机 、 水泵等都是潜在的激振源， 虽然对整机 的振动不会产生太大影响，但仍会引起发动机零部件 的局部振动并产生噪声。因此，发动机的振动相当复 杂， 具有很强的非线性和不确定性。 3 发动机振动控制建模
M2 C K2
C＝
－ K1 M1 F-f f
D＝ 1 M1
1 1 1 1 1 1 1 1 1
0
图6
电流变液悬置发动机振动控制系统模型
F Z1 M1 f=0 C1
U＝
1 1
图 7 所示的模型中各参数的意义均与图 6 相同， 唯一的区别是可控阻尼力。在电流变液悬置振动系统 模型中， 可控阻尼力 f 是变化的， 而在普通液压悬置振 动系统模型中， 阻尼力 f 恒等于零。
制策略对发动机振动进行研究，并应用 Matlab 对普通液压悬置和电流变液悬置发动机振动系统进行联合仿真建 模。结果表明， 电流变液悬置发动机采用模糊控制后比普通液压悬置隔振效果明显。 关键词： 模糊控制；发动机；振动控制 中图分类号： U464； TP273.5 文献标识码： A 文章编号： 1001- 4462 （2009 ） 10- 0031- 04
=m1rω2Σcos （ωt+φ） i
i=1
往复惯性力的合力为：
n j 2 2 i 2 2 n i
（ωt+φ） +m rω λΣcos2 （ωt+φ） ΣP =m rω Σcos
i=1 i=1
（2 ）
n
式中： m2rω2 Σ cos （ωt+φ） m2rω2 λ· i 为一次往复惯性力；
i=1 n
（ωt+φ） 为二次往复惯性力。 Σcos2
［4］
K
C
f
K
C
f＝0
X Mx 车身 车身
∑Prx
∑Prj
图3
∑Pry
电流变液压悬置 简化物理模型
图 4 普通液压悬置 简化物理模型
Y
My
把电流变液悬置简化为用静刚度 K、固定阻尼 C 和控制阻尼力 f 来表示。 如果没有可控阻尼力 （即 f f=0 ） ， 可控阻尼力 f 表示通过电场的 就变成了普通液压悬置。
第 37 卷 第 10 期 2009 年 10 月
林 业 机 械 与 木 工 设 备 FORESTRY MACHINERY & WOODWORKING EQUIPMENT
Vo1 37 No. 10 Oct. 2009
试验 研 究
模糊控制在发动机振动控制中的应用研究
杨杭旭， 周梅芳， 刘冬梅 （金华职业技术学院， 浙江 金华 321017 ） 摘 要： 将模糊控制理论引入电流变悬置发动机振动控制中， 通过对发动机振动系统的简单建模， 采用模糊控
F Z1 S f M1
T 觶 1、 觶 2，本文考虑输出 y= 觶 3］ 其中 x1=Z1、 x2=Z2、 x3=Z x4=Z ［ x3 x ，
故得状态空间方程： 觶 =AX+BU X y=CX+DU B、 D 为输入阵， C 为输出阵， U为 其中 A 为系统阵， 系统的输入。
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
［3］
发动机悬置是汽车上最重要的隔振元件，悬置性 能的好坏直接关系到乘坐的舒适性如何 。根据研究需 要， 在综合多方面文献的基础上， 建立了电流变悬置及 普通液压悬置的简化物理模型， 如图 3 和图 4 所示。
发动机 发动机
发动机转速的大范围变化、 发动机运 缸做功的周期性、 动件的惯性力和气缸气体的作用力都会给发动机带来 强烈的冲击和宽频带激励作用。 直列式多缸发动机可视为由曲轴连接起来的几个 单缸发动机作用在缸体上的激振力所组成的一个空间 力系 。此力系简化后的受力情况如图 2 所示。
图 5 电流变液发动机悬置控制原理图
3.3 数学建模 采用前面简化的电流变液悬置模型和普通液压悬
第 10 期
杨杭旭， 等： 模糊控制在发动机振动控制中的应用研究
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置模型，分别建立电流变液悬置发动机控制系统模型 和普通液压悬置发动机振动系统模型。电流变液悬置 的可控特性用可控阻尼力 f 表示， 如图 6 所示； 当可控 阻尼力 f 为零时， 电流变液悬置的发动机振动控制系统 模型就变成了普通液压悬置发动机振动系统模型， 如 图 7 所示。
发动机 激励 电流变液悬置 发动机振动 传感器 高压电源 控制器
设 φi 表示第 i 个曲柄相对于第 1 个曲柄的夹角， 并设有 n 个缸， 于是可得到回转离心力在垂直方向 i 的 合力为： （ωt+φ） +cos （ωt+φ） ＋…＋cos （ωt+φ） ］ ΣP =m rω［cos
rx 1 2 1 2 n n
Abstract： Fuzzy control theory is introduced to the vibration control of ER engine mount. Based on simple modeling of the engine vibration system, using a fuzzy control strategy, the engine vibration is studied. Using Matlab, a joint simulation modeling of the vibration systems of both ordinary hydraulic mount and electro- rheological mount engines is made. The results show that because of the use of fuzzy control, ER engine has a better vibration isolation effect than ordinary hydraulic suspension. Key words： fuzzy control; engine; vibration control