模糊控制在汽车中间扶手疲劳试验工装中的应用

王军华，路林吉

0 引言

汽车中间扶手主要由金属铸件、注塑件和泡沫等材料构成。由于注塑件和泡沫材料在受力情况下容易产生不确定的变形，而且这种变形无法事先预知，具有明显的不确定性。所以在中间扶手疲劳试验工装的压力控制过程中如何实现系统对这些不确定的变形进行自动调节，是该工装的关键所在。根据自动控制理论，中间扶手压力闭环反馈控制可以实现压力的自动调节功能。

提到闭环反馈控制，我们自然而会想到目前应用相当广泛，而且技术相当成熟的PID控制器。但通过对汽车中间扶手疲劳试验技术要求的分析，该工装的动作过程是周期性的往复工作，同时，每个周期中中间扶手自身存在许多不确定的因素（如变形、磨损、温度变化等）。对于汽车中间扶手这个控制对象传统的 PID控制器未必能够得到很好的控制效果。而模糊控制为非线性控制器提出了一个比较容易的设计方法，对于含有不确定性的控制对象的处理很有效[1]。因此，我们选择了模糊控制器，同时，将其实现的控制效果与传统PID控制器的效果进行了对比。

1 汽车中间扶手的疲劳试验的技术要求

汽车中间扶手的结构如图1所示：

图1 中间扶手示意图

（1）翻转动作：从中间扶手的初始位置打开至最大开度位置，停顿一定时间后再回到初始位置，然后进行相同的翻转动作；

（2）翻转速度：90°/S；

（3）在翻转到初始位置和最大开度位置时，如图1中2和4所示的方向施加大小为50N的力，并要求维持2S时间。

（4）同一个产品分别在在23℃、70℃和-25℃环境条件下分别完成14000、3000、3000个循环，在完成相关的试验后再根据相关的技术标准对该产品进行评估。

2 系统构成和工作过程

该疲劳试验工装的硬件构成：一台三菱FX-3G系列PLC，主要用于对伺服电机转速控制、压力模拟量的运算处理、相关外部信号的处理和相应的程序控制；一套三菱 J2系列伺服电机和伺服驱动器，主要实现对扶手的翻转驱动功能；两套压力传感器及信号放大器，实现压力值的检测功能；一台三菱GOT1055触摸屏，用于相应参数的显示和设定。

在该工装工作过程中PLC以脉冲方式对伺服电机进行控制，通过伺服电机驱动扶手的翻转机构实现对扶手翻转，同时通过安装在翻转机构上的拉压力传感器返回扶手的受力情况。首先，系统按照位置控制模式将扶手翻转至预定的角度，该预定角度小于扶手的实际翻转角度，然后，系统启动基于PLC模糊控制器，对扶手的压力进行模糊控制。利用压力设定值和压力传感器返回值的误差，计算出压力误差和压力误差的变化率，在PLC程序中利用查表法实现模糊控制算法[2][3]，对伺服电机的旋转进给量进行调整，以实现对中间扶手压力值的控制。在系统进行模糊控制时的系统框图如图2所示：

图2 模糊控制系统框图

3 模糊控制器设计

模糊控制器设计主要包括输入量的模糊化、模糊推理、输出的解模糊3部分，其中模糊推理是模糊控制器的核心部分。通过对控制系统的分析，本系统采用两输入一输出的模糊控制器结构，即将压力误差e和压力误差变化ec作为模糊控制的两个输入。

3.1 输入量的模糊化

压力误差和变化率对模糊控制器的两个输入量压力误差e和压力误差变化率ec分别如表1所示：

表1 压力误差和变化率

3.2 模糊推理

模糊控制控制规则采用“IF…THEN…”规则，其模糊控制规则表[4]如表2所示：

表2 模糊控制规则表

在表2的模糊控制规则表中，当压力误差e和压力误差变化ec都为PL时，实际压力还远没有达到设定压力，同时，压力误差存在增大的趋势，所以，此时伺服电机的旋转进给量u需要正大，以便快速减少压力误差。可见，上述的各条控制规则完全符合人们日常思维习惯，直观明了。

3.3 输出解模糊

输出量模糊化为： PL(3) PM(2) PS(1) Z(0) NS(-1)NM(-2) NL(-3)

首先，将模糊控制表的内容依次保存在D3000—D3048的各个寄存器内，根据压力误差e的量化值 X和压力误差变化ec的量化值Y利用公式（1）来计算相对于D3000的偏差地址V1[5]，然后用V1来确定模糊控制器输出U，如公式（1）：

查表法PLC梯形图如图3所示：

图3 查表法实现梯形图

其中，D4000为压力误差e的量化值X；D4002为压力误差变化ec的量化值Y；D4020是伺服电机的转向信号，若D4020大于零，则伺服电机正转，若D4020小于零，则伺服电机反转；D4022是PLC依据D4000为压力误差e的量化值X，D4002为压力误差变化ec的量化值Y。

3.4 PLC模糊控制算法流程图

如图4所示：

图4 模糊控制算法流程图

3.5 基于误差因子的模糊控制优化方法

基于误差因子的模糊控制优化方法是在模糊控制器的输出端增加误差因子，其值取为系统误差的绝对值，原模糊控制器的输出和误差因子的积作为模糊控制器新的输出。则在新的模糊控制器中，由于引入误差因子，当误差因子大于1时，误差因子对模糊制器的输出有增强作用，误差越大，模糊控制器的输出的增强作用也越大，此时误差因子的引入可以大大减少系统的上升时间。当误差因子小于1时，误差因子对模糊控制器的输出有减弱作用；当误差越接近于零时，误差因子对模糊控制器的输出的减弱作用也越大，这时外部扰动对系统的影响在误差因子的作用下得到有效的抑制。因此，在稳定状态下，误差因子的引入可以提升系统的稳态精度和提高系统的抗干扰能力。

4 总结

为验证优化后的模糊控制器的控制效果，本文对传统PID控制器也进行了分析。两者的压力控制曲线如图5所示：

图5 实验数据对比

从图5中可以看出，这两种类型的控制在汽车中间扶手疲劳试验工装中都能达到压力的控制要求。但是，传统PID控制器实现的系统的试验周期要远远大于查表法模糊控制器所实现的试验周期。经过现场测算，利用传统PID控制器的系统的试验周期在25S左右，而利用优化后的模糊控制器的系统的试验周期在15S左右。可见，在汽车中间扶手疲劳试验工装利用查表法模糊控制器可以缩短产品的整个试验周期，提高工装的使用效率。

通过将模糊控制思想的引入，在汽车中间扶手疲劳试验工装中利用 PLC实现了基于查表法的模糊控制器，并对汽车中间扶手疲劳试验工装的压力控制，取得了令人满意的控制效果。

[1] 蔡自兴.智能控制原理与应用(第 2版)[M].北京:清华大学出版社,2014:73.

[2] 谭彦彬.PLC模糊控制程序设计[J].信息工程大学学报,2010,2:79-82.

[3] 李敬兆,张崇巍.基于PLC直接查表方式实现的模糊控制器研究[J].电工技术杂志,2001,9:18-21.

[4] 胡玉玲.模糊控制器设计理论与应用[M].北京:机械工业出版社,2010,3:49.

[5] 龙迎春.基于 PLC模糊控制器设计[J].微计算机信息,2006,10:21-23.