电动教练车模拟控制的研究(共28页)

1、武汉科技大学本科毕业论文本科(bnk)毕业论文题目：电动教练车模拟控制的研究学 院:汽车与交通工程学院专 业:车辆工程学 号:201023179076学生姓名:郑榕指导教师:麻友良日 期:二一四年五月 III 摘 要驾校教练车常工作在低速区，发动机燃烧效率低，严重污染环境，一些驾驶培训学校开始使用电动教练车。现有的电动教练车虽然在动力性上都能满足驾驶训练的要求，但其在操控特性方面却与燃油汽车有着很大的差异，尤其是在起步过程中和转向过程中的机械特性。本文研究电动机的特殊控制(kngzh)方法，使之与发动机机械特性相一致。本文研究(ynji)的内容之一，在起步过程中，运用模糊控制方法建立一个多参数

2、的控制模型，用于识别驾驶员离合器的实际操控状态(zhungti)，并通过PWM调节电动机电枢电压来调节转矩。内容之二，在转向过程中，也运用模糊控制方法建立一个多参数的控制模型，用于判断行驶阻力变化情况，并通过PWM调节电动机电枢电压来控制转速变化，同时用测得的实际转速作为反馈信号再次调节电枢电压。通过以上方法，分别实现电动机在起步过程中转矩稳定及停机控制和保证转向过程中速度恒定。电动教练车电动机负载突变状态下的转矩稳定和停机控制，以及电动机在负载转矩波动状态情况下的转速稳定控制，使得电动教练车的离合器操控特性与燃油汽车完全相同，从而使电动教练车的普及成为可能。关键词: 电动教练车； 转矩稳定；

3、 转速稳定； 模糊控制AbstractThe instruction vehicle is charactererized by low combustion efficiency of the engine when it works in low-velocity zone in most situations, which seriously pollutes the environment,and some Driving Schools start using Electric Learner-driven Vehicle(ELV) . Although the existing E

4、LV can meet the requirements of driving training on the power performance,it still has a big difference with the fuel cars on handling characteristics,especially the mechanical properties during the start process and the steering process. A special control method is put forward in this paper to achi

5、eve the consistency with the mechanical properties of engine. The one of the research contents of this paper,a multiparameter control model to identify the real condition of clutch handling by driver is built by using fuzzy control law during the start process and adjust armature voltage by using PW

6、M control law to change torque .The two, a multiparameter control model to judge the change of HYPERLINK /w/driving/ driving HYPERLINK /w/resistance/ resistance is also built by using fuzzy control law during the steering process,adjust armature voltage by using PWM control law too to control the sp

7、eed change ,and use real speed measured as the feedback signal to adjust armature voltage again at the same time.Through the above methods, realize the torque stability and shutdown control of the motor during the start process and guarantee the speed of HYPERLINK /w/motor/ motor constant during the

8、 steering process.The torque stability and shutdown control of ELV in the condition of motor load suddenly changing along with the speed stability in the torque fluctuation state make the ELV has the same clutch handling characteristics with the traditional vehicle, and this makes the ELV populariza

9、tion possible.Key Words： Electric Learner-driven Vehicle; Torque Stability； Speed Stability; Fuzzy Control 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc29978 1 绪论(xln) 武汉科技大学本科毕业论文 绪论(xln)选题背景(bijng)及意义随着汽车保有量的逐年增加，环境污染和能源枯竭已成为燃油汽车发展所面临的两大突出问题。场地驾驶训练汽车总是处于低速行驶，发动机总是运行在怠速工况或很小负荷工况，发动机的燃烧条件较差，排出的废气有害成份远高于其正常行驶

10、工况，燃油燃烧效率只有15%左右，加之场地小、车辆和人员较集中，废气污染对人体的伤害比车流密集的城市街道路还要严重，这种普通燃油教练车既不协调于国家的节能减排政策，也提高了驾驶培训(pixn)机构的培训成本，同时学员驾驶培训费用也随之增加。为此，城市的一些驾驶学校有少量的改装电动教练车。这种电动教练车解决了场地污染问题，能耗成本也只是燃油教练车的25%，然而这些教练车研制侧重点都放在动力性匹配上，虽然也保留了汽车的离合器、变速器等所有操控装置，但由于电动机与发动机的动力特性有很大的差异，使得电动教练车的离合器踏板和转向盘等操控感觉与燃油车完全不一样或有较大的差别，学员驾驶电动教练车得不到燃油汽

11、车操控感觉，当驾驶燃油汽车时，就会很不适应，而此前所养成的习惯和累积的经验，需要通过更长时间的燃油车驾驶训练才能纠正，这使学员的学习兴致和效果都受到了很大的影响。一些汽车驾驶学校即使配备了电动教练车，通常也只是让新学员通过驾驶电动教练车，找一下打转向盘的感觉，学员主要还是依赖燃油汽车来达到汽车驾驶训练目标。电动教练车是否具有实际意义，除了动力性、经济性的基本要求外，具有与燃油汽车相同的操控方式和特性是关键所在。目前，国内还没有满足汽车场地驾驶训练要求的电动教练车。 电动机在负载变化时，通过自身的转速相应的变化来改变其输出转矩，以平衡负载转矩的变化，电动机的这一特性使得其具有比发动机好的机械特性

12、，但以此特性为基础建立起来的各种控制技术均不可能使电动机转变为类似于发动机的机械特性。要使电动教练车有与燃油汽车一样的操控感觉，就必须研究改变电动机自动调节转矩特性的特殊控制方法，使电动教练车的驱动装置有与汽车发动机相似的机械特性。本论文以“改变”电动机的机械特性为控制目标，主要运用模糊控制等控制理论，建立一个多参数的控制模型，实现电动机突然加载（离合器接合时）而转速迅速下降情况下的转矩稳定及停机控制，电动机转矩起伏变化（场地驾驶转向时）状态下的转速稳定控制。 国内、外电动教练车发展状况电动汽车直接采用电机驱动，具有无污染、噪声小等优点，因此美国、日本、欧洲等各国均投入大量的人力、物力和财力进

13、行电动汽车技术的研究与开发。至今，国外一些大汽车公司就已经开发生产了几百种的纯电动汽车、燃料电动汽车和混合动力汽车。其中，已有10多种纯电动汽车车型投入商业化生产；近年来，燃料电池电动汽车成为新的开发热点。 然而，尽管电动汽车技术的研究和开发正经历着一个高潮，但是要实现电动汽车产业化发展还有很长的路要走，其主要原因是电池技术还不够完善且成本很高。在这样的一个背景下，我们研究出来的电动教练车必须要有与燃油汽车相同(xin tn)的操控特性，只有如此，驾校的学员才能够用电动教练车在培训过程中学会燃油汽车的驾驶技术。在油价不断上涨的压力下，为减小成本，全国各地许多驾驶培训学校开始研究并采用一些电动教

14、练车。武汉市的电动教练车的主要特点是不惧冷热，噪声小，安全系数还很高，我们了解到这些电动教练车虽然能够满足驾驶培训时的动力性要求，但在操作特性方面与燃油汽车相差甚远，因此，本论文着重解决这方面的问题，使电动教练车拥有和燃油汽车一样的操控特性。 本论文研究内容(nirng)及方案路线论文主要研究(ynji)内容本论文主要以电动教练车和燃油汽车的操控特性为研究背景，研究能够使电驱动教练车操纵性能和燃油教练车操纵特性一致的控制方法。本论文主要工作如下： 1）分析电动教练车的优缺点，提出电动教练车当前普及时所遇到的最直接的问题；2）分析电动车和发动机特性差异，及提出相应解决方案；3）分析离合器接合时的

15、转矩特性，研究电动机在负载突然增加下的转矩稳定控制方；4）分析场地驾驶训练过程中车辆转向时行驶阻力与转向角及转向速度之间的关系，研究电动机在负载转矩波动状态情况下，其转速保持稳定的控制方法；5)对全文进行了总结。论文方案路线研究电动教练车上判断离合器接合状态的检测参数，运用模糊控制等，构建离合器接合状态判断及电动机控制模型；分析转向时发动机的转矩与转速变化规律，对照分析电动机自动调节转矩的过程，及电动机转速与转矩的控制方法，研究电动教练车在场地驾驶中转向时的行驶阻力变化的检测参数，综合运用模糊控制等控制理论，构建电动机电磁转矩波动状态下的转速稳定控制模型。 电动(din dn)教练车的优势和缺

16、点电动(din dn)教练车的优势电动教练车的使用是解决能源问题(wnt)和环境问题的有效方法，而且电动教练车与燃油教练车相比具有以下优点： 1)无污染。电动教练车以蓄电池提供电能，运行过程中不会造成大气污染，而且电动教练车充电的时间主要是在夜间，而夜晚是城市的用电低谷，这个时段的电能即使不用也只有浪费掉，所以从这个方面讲，电动场地教练车基本不需要能源，与国家所提倡的节能减排政策相符；2)安全性强。安全方面，电动教练车采取了以蓄电池电瓶做动力，行驶最高速度可由驾校在5-50公里以内自由设定，不会出现因学员挂错档位教练车横冲直撞的现象，因此杜绝了练车过程中事故的发生，更能保证学员在学车时候的安全

17、；3)节约成本。在汽油价格节节攀升的情况下采用电动教练车对学员进行驾驶培训成本不到同车型燃油教练车的25%，如按目前市场汽油和市电的价格计算，同一车型的小型电动教练车与同车型燃油教练车，如按每日工作8小时计算，改装后的电动汽车两到三天充一次电，一次只需10度电左右，因各地电价不同，费用也略有差异。但最新的电动教练车与同车型燃油教练车相比，每辆车一年可节约燃料费近万元。在这种情况下，研究与开发具有燃油汽车相同操纵方式且操控感觉也完全相同的电动教练车，使电动教练车能够完全替代燃油教练车这一特殊车辆具有其必要性；4)故障率低。由于电器部分无磨损、部件少，故障率约是燃油、燃汽发动机的110；5）提高效

18、率。由于电动汽车费用低，在场地训练上可以实现专车专用，这样一来，更多的普通教练车可以空出来，为学员提供上路训练和接送服务，对学员来说，就意味着可以得到更多的上车机会；6）提高驾校的竞争优势。驾校成本降低了，在日益竞争的驾驶学员培训市场上，就有了降价的空间；有利于大幅度提高招生规模；学员上车机会多了，基本功扎实了，形成对驾校的口碑宣传，也有利于驾校的招生；7）提高学员考试通过率。由于驾校的竞争日益加剧，现在很多驾校都推出了全包干拿驾照服务；电动教练车不再受制于汽油成本，只要学员愿意，在不影响其他学员学习的情况下，可以一直练到非常熟练为止。技术熟练了，学员考试的通过率提高了，相应的也减少了驾校对考

19、试不通过学员的应支出的各种费用。用电动教练车代替传统的燃油教练车，既可以发挥电动汽车效率高、无污染的优点，又可以避免电动汽车车速低、续驶里程(lchng)短的缺点，因此研发与燃油教练车性能相似的电动教练车有着重要的意义。现有电动教练车不足(bz)分析然而，电动教练车通常采用直流电机，直流电机具有自动调节转矩的特性，这使得电动教练车起步过程与燃油汽车有很大的区别，使得学员的学习兴致和实际的培训效果都受到了很大的影响，这是目前电动教练车推广过程中所遇到的最明显(mngxin)的问题，其主要包括以下两个方面：1）电动教练车虽然保留了离合器，但是电动机的机械特性与汽油发动机差别很大，电动机也不会因为突

20、然加载而停机断电。因此，无论学员如何操作离合器踏板，车辆也不会因为离合器踏板松得过快而出现车辆抖动，更不会有“发动机熄火”（电动机断电）的现象出现。学员在用电动教练车进行场地驾车训练后，由于没有得到燃油汽车离合器操控练习，当换用燃油汽车进行路训时，必须重新进行离合器操控的训练，这对学员按时完成汽车驾驶训练项目造成很大的影响；2）当转向轮的转向角较大或转向盘打到底时，电动教练车的车速会明显降低，这也与燃油汽车差异较大。燃油汽车在场地驾驶时，发动机运行在怠速工况，当转向轮转向角增大时，行驶阻力增大，发动机的转速下降不明显。而直流电动机具有自动调节转矩功能，当遇到的阻力矩增大时，直流电动机通过降速增

21、矩来克服阻力矩，又由于电动教练车的电动机的“怠速”接近于额定转速或就是额定转速，此时转速较高，故在转向时电动机的转速下降明显，导致车速明显下降，这与燃油汽车的操控实际情况不同，对提高学员实际的场地驾驶技术没有帮助。总之，电动教练车的离合器踏板、转向盘等操控感觉与燃油车完全不一样或有较大的差别，学员驾驶电动教练车得不到燃油汽车操控感觉，当驾驶燃油汽车时，就会很不适应，而此前所养成的习惯和累积的经验，需要通过更长时间的燃油车驾驶训练才能纠正。正因为如此，电动教练车并不被学员们所认可。一些汽车驾驶学校即使配备了电动教练车，通常也只是让新学员通过驾驶电动教练车，找一下打转向盘的感觉，学员主要还是依赖燃

22、油汽车来达到汽车驾驶训练目标。 电动机与发动机特性(txng)差异发动机的机械(jxi)特性发动机的起步(qb)特性及转向特性燃油汽车在汽车起步过程中，发动机的节气门完全关闭，通过怠速控制阀控制节气门体旁通气道的流通面积，调节进入发动机的空气量，发动机利用这些进入的新鲜空气与燃油混合形成可燃混合汽，并产生输出扭矩与发动机的阻力矩相平衡，使发动在怠速下稳定运转。当发动机的阻力矩发生变化时，其怠速会随之变化。在操纵离合器踏板时，如果松开较快，离合器主从动盘结合所产生的冲击力较大，产生的摩擦阻力将会大于发动机的输出力矩，发动机的怠速就会下降，其输出转矩也会下降，以至于难于带动车辆而产生车身抖动。如果

23、离合器踏板松开过快，发动机则会因转速下降太多而熄火。燃油汽车在场地驾驶转向过程中，发动机运行在怠速工况，当车轮转向角大时，虽然行驶阻力增大，但发动机的转速下降并不明显。直流电动机的机械特性作为电动汽车的动力源时，由于驱动电机具有自动调节转矩特性，它通过自身的转速相应的变化来改变其输出转矩，以平衡负载转矩的变化。在离合踏板松开太快时，电动机负载突然加大而转速下降，电枢反电动势随之减小，电枢电流增大，电动机的电磁转矩增大，并克服阻力矩慢慢加速而使车辆较平稳地起步；在场地驾驶转向时，当转向轮的转向角较大或转向盘打到底时，由于直流电动机具有自动调节转矩的功能，车速会明显降低。电动机与发动机特性差异性分

24、析起步阶段电动机与发动机机械特性差异性分析目前，一些汽车驾驶学校的电动教练车虽然都保留了离合器，但由于离合器的操控特性与燃油车完全不同，因而学员得不到离合器操控的训练。这些电动教练车存在以下两个问题：1）在快抬离合器踏板时，电动机负载突然加大而转速下降，电枢反电动势减小，电枢电流增大，电动机的电磁转矩增大，以使电动机能克服阻力矩慢慢的加速使车辆平稳起步；而发动机因转矩下降，难以带动车辆而产生抖动。因此，电动教练车虽然车身抖动，但与燃油汽车起步时的操纵感觉不一样；2）无论离合器踏板松开多快，电动机均会在停止转动时产生最大电磁转矩，随后会逐渐加速,不会使其停机;而燃油汽车(qch)在离合器踏板松开

25、过快时，由于发动机负载转矩的突然加大，转速迅速大幅下降而熄火。转向(zhunxing)中电动机与发动机机械特性差异性分析当转向轮的转向角较大或转向盘打到底时，车速会明显降低，这也与燃油汽车差异较大。燃油汽车在场地驾驶时，发动机运行在怠速工况，转向轮转向角大时的行驶阻力(zl)增大发动机的转速下降不明显，而直流电动机具有自动调节转矩功能，当遇阻力矩增大时，通过降速增矩来克服阻力矩，又由于电动教练车用电动机的“怠速”接近于额定转速或就是额定转速，转速较高，在转向时电动机的转速下降明显，导致车速明显下降。学员在用电动教练车进行倒库或移库等驾车练习时，由于转向时车速的明显降低，使练习变得十分容易，但这

26、与燃油汽车的操控实际情况不同，对提高学员实际的场地驾驶技术没有帮助。电动机与发动机差异性解决方案要使电动教练车在起步过程中和燃油汽车的离合器操控感觉完全一样，就必须处理好以上几个问题。起步阶段解决问题的方案流程如图3.1。首先，需要对驾驶员操控离合器状态的进行识别，本论文中采用模糊控制法推理得到电枢电压值。然后，对识别得到的电压值进行分析，利用单片机与实际试验测得的数据相比较，从而判断是否进行停机控制，同时选择合适的控制量，通过斩波器脉宽调制改变电枢电压值的大小。由于电枢电压调节法是调节电动机的一种控制方式，电枢电压值的改变导致电枢电流改变，由于电磁转矩与电枢电流成正比，从而使电磁转矩改变，进

27、而达到了调节电动机转矩稳定的目的。电枢电压调节法离合器状态的识别调节电枢电压值单片机斩波器踩离合踏板器模糊控制图3.1 起步中控制方案流程图转向过程解决问题的方案流程如图3.2。首先，需要对驾驶员操控转向过程中行驶阻力大小变化进行判断，这里仍然采用模糊控制法推理得到电枢电压值。然后，对识别得到的电压值进行分析，选择合适的控制量，通过斩波器脉宽调制改变电枢电压值的大小，使电动机的转矩与其负载转矩相平衡，控制电动机转速下降。同时，将转向前采集的转速n0与调节过程中采集的转速信号n进行比较，对电枢电压进行再次调节，形成闭合调节回路，从而保证电动机的转速保持恒定。转向盘行驶阻力变化的判断单片机斩波器调

28、节电枢电压值转速图3.2 转向中控制方案流程图模糊控制 离合器操控(co kn)模拟电动机控制离合器结合过程(guchng)的分析离合器的结合规律直接影响着汽车起步的平顺性以及离合器的使用寿命。在燃油汽车离合器的设计中，应尽量(jnling)使得汽车行驶平稳，减少冲击度，提高汽车的舒适程度，但在目前燃油汽车操作过程中，仍不能消除起步过程中的冲击力度，甚至是冲击度过大导致的熄火。燃油汽车起步时，如图4.1所示，离合器的结合过程可分为四个阶段，对应产生的冲击度如图4.2所示。图4.2 离合器结合时冲击度图4.1 离合器接合规律图 = 1 * GB3 消除离合器间隙阶段。0-t1为空行程阶段，该阶段

29、用于消除分离轴承间隙，离合器的主、从动片还未接触，无转矩传递，车辆冲击度为零。 = 2 * GB3 克服起步阻力阶段。t1-t2为克服阻力阶段，该阶段离合器主、从动片之间开始接触并产生滑磨，但驱动力矩小于起步阻力矩，不能克服阻力，车辆仍保持静止，冲击度仍然为零。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 起步加速阶段。t2- t3在这个阶段内，离合器主、从动片直接传递的转矩，车辆开始运动。由于产生的驱动力矩大于阻力矩，此阶段会产生冲击力度。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 同步结合阶段。t3为离合器的同步点，离合器主、从动片开始同步，车辆起步成功，车速稳步提高。 由以上离

30、合器结合规律分析可知，在汽车起步的过程中所产生的冲击力度大小与离合器的主从动片的结合有关。离合器踏板的位移和位移率影响着结合过程中产生的冲击度。电动(din dn)教练车起步过程总体控制框图离合器起步过程跟电动机的转速和离合器踏板的位移有很大的关联(gunlin)，因此在离合器的踏板位置安装一个电位计式位置传感器，在电动机上安装一个霍尔转速传感器。首先，各传感器采集离合器踏板位移量、离合器踏板位移量变化率以及电动机转速下降率信号，然后一方面根据电压U模糊控制表，与参考的电压进行比较，从而控制电动机的停机；另一方面由模糊控制查询(chxn)表找到对应控制量的清晰值电枢电压U，计算出占空比，输出给

31、直流电机，从而限定电动机的最高电磁转矩，并控制电磁转矩下降。计算占空比的芯片采用STC89C52单片机，STC89C52是宏晶科技（STC）公司生产的一种强抗干扰、低功耗、高性能的微控制器。其总体框图如下图4.3：离合器踏板位移信号电动机转速信号STC89C52单片机及其驱动电路直流电动机图4.3 电动教练车起步过程总体控制框图 电动教练车起步过程模糊控制 确定控制系统的输入与输出变量根据起步过程中离合器操控状态的控制策略，选择起步过程的冲击度J和电动机转速下降率B作为输入变量，输出变量则采用电压U。其中采用离合器踏板位移L和离合器踏板位移变化率Y来识别冲击度J的大小。 由于输入变量较多，本文

32、采用分层多规则结构的设计方法。模糊控制器第一步由L，Y推出冲击度J的大小；第二步由冲击度J和电动机转速下降率B推出电压U，然后与单片机内部的参考电压进行比较，从而控制电动机停机，如下图4.4：离合器踏板位移L离合器踏板位移变化率Y电动机转速下降率B模糊化模糊化模糊推理模糊推理精确化电动机图4.4 电动机停机模糊控制结构图冲击度J电压U输入(shr)-输出变量论域和模糊集合 选择(xunz)各变量的论域如下： J：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 B：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 L：0 , 1 , 2 , 3 , 4 ,

33、5 , 6 , 7 , 8 Y：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 U：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 我们对各个输入输出变量(binling)均选择5个模糊变量，如下： J：非常慢（VS），慢（S），中（M），快（B），非常快（VB） B：非常慢（VS），慢（S），中（M），快（B），非常快（VB） L：非常小（VS），小（S），中（M），大（B），非常大（VB） Y：非常慢（VS），慢（S），中（M），块（B），非常快（VB） U：非常小（VS），小（S），中（M），大（B），非常大（VB）确定各变量的隶属度函数 本论文采

34、用三角形隶属度函数，利用MATLAB软件隶属度函数的编辑器，得到如下图4.5所示各变量的隶属度函数图像。 图4.5 各变量(binling)隶属(lsh)度函数建立模糊控制规则(guz)表和模糊控制查询表根据踩离合器踏板的实际操作的驾驶经验：离合器踏板位移越大，离合器踏板位移率越大，其产生的冲击度就越大。因此，可以总结出以下模糊控制规则表，如下表4.1。 R1：If L is VS and V is VS then J is VS R2：If L is VS and V is S then J is VS同理可知R3 、R4 . R25 表4.1冲击度模糊推理规则表JLVS S M BVB V

35、VSVSVSVSVSVSSVSVSSSVSMVSVSBBVSBVS MBVBVSVBVS MVBVBVS根据上表推出的冲击度的大小，可以结合电动机转速的下降率，推出电压的模糊推理规则表。由理论经验和驾驶实验可知，汽车所受冲击度越大且电动机转速下降率越快，电压值应该越大，总结可得电压模糊推理规则表，如下表4.2。表4.2 电枢电压模糊推理规则表 U BVSSMBVB JVSVSVSSBVB SVSVSSBVB MVSVSSBVB BVSSMBVBVBVSSMBVB确定模糊控制查询表 根据(gnj)已经确定的输入、输出变量的论域，以及论域上所建立的模糊集合及其对应的模糊控制规则表，采用Mamdan

36、i推理方法进行模糊推理，计算出输入论域上的每对点对应的模糊控制量，再通过加权平均重心法对模糊结果进行清晰化处理，最终可以得到电枢电压U的模糊控制查询表。只要(zhyo)输入变量L、V、B的离散值就可以由模糊控制(kngzh)查询表找到对应控制量的清晰值电枢电压U。电动机转矩稳定的控制他励直流电动机在负载突变情况下，通过用模糊控制识别出离合器的操控状态，得到电枢电压的参数,并将其转换为相应的占空比，用斩波器（PWM）脉宽调制的方法实现对电枢电压的调节，使电枢电流不再随转速的下降而增大，从而使电动机的转矩保持稳定或稍有下降。斩波器控制原理直流电动机通常采用斩波器（PWM）脉宽调制的方法实现调速的控

37、制。其调速控制的主电路如图4.6。该电路主要的控制元件是两只绝缘栅双极型晶体管IGBT（VT1、VT2），通过单片机控制VT1、VT2的导通和截止，用来调节电动机的电枢电压，以改变电磁转矩，达到模拟燃油汽车起步效果。利用模糊控制测得的电枢电压的值U与参考的电压进行比较，其中参考电压分为四个区域U0、U1、U2、U3、U4（参考电压U0、U1、U2、U3、U4 的具体数据由试验测得），分别在不同的区域进行不同的调控。 = 1 * GB3 当UU0、U1时，电动机的电磁转矩与发动机的输出转矩大致相同，斩波器不进行工作； = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 当UU1、U2时，用斩波器进行

38、调节，降低电枢电压的值，使电磁转矩下降，达到和燃油汽车起步时相同的稍微“抖动”； = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 当UU2、U3时，使斩波器较多的降低电枢电压的值，从而使电磁转矩下降较快，以使车身“抖动”相对剧烈；当UU3、U4时，离合器踏板松得过快，发动机所能提供的力矩小于阻力矩，会导致车辆直接熄火。在此情况下，电动机应该被控制停机（可直接用单片机控制电动机停机）。图4.6 直流电动机(dngj)调速控制主电路电枢(din sh)电压调节过程变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种(y zhn)调速方法，适用于电动机基速以下的调速控制。电枢电压调压法的调速过程是：当降

39、低电枢电压时，在电动机转速、阻力矩还没来得及改变时，电枢电流必然下降，电枢产生的电磁转矩也会下降。在电动教练车起步时，电动机的转速很低，按照电动机的机械特性，电动机提供的转矩会很大，要达到和燃油汽车起步效果一样，就必须降低电磁转矩，用电枢电压调节法刚好达到此目的。 变负荷下电动机转速稳定控制行驶阻力与转向角及转向速度之间的关系任何主动转向系统在汽车转向时,主要的转向阻力矩来自前轮。作用在前轮的转向阻力矩可分为主动阻力矩和被动阻力矩两部分。主动阻力矩是由作用在转向轮轮胎的外力和外力矩所引发的,其力矩的大小及方向与转向系统是否运动无关。而被动阻力矩的大小与转向系统是否运动有关,其被动阻力矩的方向总

40、是同转向轮的运动方向相反,阻止转向轮的运动。汽车转向时作用在两前轮被动阻力矩可分为如下3部分:第一部分是转向器及传动机构中的摩擦所引起的摩擦阻力矩Mb1,其大小基本上可看成一个常量,它总是阻止前轮的转向运动,因此,摩擦阻力矩Mb1的符号总是与前轮的转向运动方向相反。Mb1可近似表示为：Mb1=sgn*Tf1,其中是转向轮转向角，Tf1是摩擦力矩。第二部分是转向器及传动机构(jgu)中的阻尼力矩Mb2,其大小(dxio)同前轮的转向角速度有关(yugun), Mb2可近似地表示为：Mb2=-*，其中是前轮的转向角速度，为转向器及传动机构的阻尼系数。第三部分被动阻力矩Mb3是由轮胎和路面之间的摩擦

41、所产生的。这时轮胎与路面之间的摩擦力矩Mb3为: Mb3=-Fz*f*,其中Fz是前轮法向力，f是路面的摩擦系数，是轮胎和路面接触面的斜对角线长度。汽车转向时，行驶路况等其他外在因素不变的情况下，行驶阻力的变化主要来源于由转向角和转向角速度变化引起的被动阻力矩变化引起的。由上面三个等式分析可得，转向角越大，转向角速度越大，被动阻力矩越大，从而行驶阻力越大。又方向盘转角与转向轮转角成大致正比例关系，即转向轮转角虽方向盘转角的增大而增大，减小而减小。从而可以得到，行驶阻力随着转向角和转向速度的增大而增大，减小而减小。由以上行驶阻力与转向角及转向速度之间的关系分析可知，在汽车转向的过程中所产生的行驶

42、阻力大小变化与方向盘转向角和转向速度有关。方向盘转向角和转向速度影响着转向过程中引起变化的行驶阻力。电动教练车转向过程总体控制框图电动教练车转向过程跟电动机的转速、电枢电流、方向盘的转向角和转向速度有很大的关联，因此在电动机上安装一个霍尔转速传感器，电枢位置安装电流传感器，在方向盘位置安装一个转向角传感器。首先，各传感器采集电动机转速信号n、电枢电流信号I，方向盘转向角信号以及由计算得到的转向速度信号v，然后一方面由模糊控制查询表找到对应控制量的清晰值电枢电压U，由 STC89C52 单片机计算出占空比，输出给直流电机，从而相应提高电动机的电磁转矩，使电动机的电磁转矩与其负载转矩相平衡，控制电

43、动机转速下降，另一方面将转向前采集的转速n0作为目标转速，调节过程中采集的转速信号作为实际转速信号n，将两者进行比较，转速信号n作为反馈信号对电枢电压进行再次调节，形成闭合调节回路，从而保证电动机的转速保持恒定。其总体框图如下图5.1：方向盘转向角信号电枢电流信号STC89C52单片机及其驱动电路直流电动机转速图5.1 电动教练车转向过程总体控制框图 电动教练车转向过程模糊控制确定控制系统的输入与输出变量根据(gnj)转向过程中转速稳定控制策略，选择转向过程的行驶阻力增量F和电枢(din sh)电流上升率D作为输入变量，输出(shch)变量则采用电压U。其中采用方向盘转向角和转向速度v来识别行

44、驶阻力增加量F的大小。 由于输入变量较多，本文采用分层多规则结构的设计方法。模糊控制器第一步由和v推出行驶阻力增加量F的大小；第二步由行驶阻力增加量F和电枢电流上升率D推出电压U，然后由单片机计算出占空比，输出给直流电机，从而相应提高电动机的电磁转矩，使电动机的电磁转矩与其负载转矩相平衡，控制电动机转速下降，同时，调节过程中采集的转速信号实际转速信号n与转向前采集的转速n0进行比较，如果n小于n0，则再适当提高电动机的电磁转矩，如果n大于n0，则适当降低电动机的电磁转矩，从而保证电动机的转速保持恒定。如下图5.2：方向盘转向角转向速度电枢电流上升率D模糊化模糊化模糊推理模糊推理精确化电动机转速

45、图5.2 电动机转速稳定模糊控制结构图电压U行驶阻力增量F 输入-输出变量论域和模糊集合 选择各变量的论域如下： ：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 v：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 D：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 F：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 U：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 我们对各个输入输出变量均选择5个模糊变量，如下： ：非常慢（VS），慢（S），中（M），快（B），非常快（VB） v：非常慢（V

46、S），慢（S），中（M），快（B），非常快（VB） D：非常小（VS），小（S），中（M），大（B），非常大（VB） F：非常慢（VS），慢（S），中（M），块（B），非常快（VB） U：非常小（VS），小（S），中（M），大（B），非常大（VB）确定各变量的隶属度函数 本论文采用三角形隶属度函数，同样利用MATLAB软件隶属度函数的编辑器，得到如下图5.3所示各变量的隶属度函数图像。 图 5.3 电压(diny)隶属度函数建立模糊控制规则(guz)表和模糊控制查询表根据转向时的实际操作的驾驶(jish)经验：方向盘转向角越大，转向速度越大，其行驶阻力增量就越大。因此，可以总结出以下模糊控制规

47、则表，如下表5.1。 R1：If is VS and v is VS then F is VS R2：If is VS and v is S then F is VS同理可知R3 、R4 . R25。 表5.1 冲击度模糊推理规则表FVS S M BVB vVSVSVSSMBSVSSMBVBMSMBVBVBBMBVBVBVBVBBVBVBVBVB直流电动机(dngj)通电后所产生的电磁转矩M与电枢电流I的关系：M=Cm*I，其中(qzhng)是磁极的磁通量。可以得到，电磁转矩M与电枢电流I，故电流上升率即转矩增大率。可以根据上表推出的行驶阻力增量的大小，可以结合电枢电流上升率，推出电压的模糊推

48、理规则表。由理论经验和驾驶实验(shyn)可知，汽车所受行驶阻力越大且电枢电流上升越快，电压值应该越大，总结可得电压模糊推理规则表，如下表5.2 。表5.2 电枢电压模糊推理规则表 U FVSSMBVBDVSVSVSMBVBSVSVSMBVB MVSSMBVB BVSSBVBVBVBSMVBVBVB确定模糊控制查询表 根据已经确定的输入、输出变量的论域，以及论域上所建立的模糊集合及其对应的模糊控制规则表，采用Mamdani推理方法进行模糊推理，计算出输入论域上的每对点对应的模糊控制量，再通过加权平均重心法对模糊结果进行清晰化处理，最终可以得到电枢电压U的模糊控制查询表。只要输入变量、V、D的离

49、散值就可以由模糊控制查询表找到对应控制量的清晰值电枢电压U。 电动机转速稳定的控制他励直流电动机在负载转矩波动状态情况下，通过用模糊控制方法，得到电枢电压的参数,并将其转换为相应的占空比，用斩波器（PWM）脉宽调制的方法实现对电枢电压的调节，使电枢电流增大，从而提高电动机的电磁转矩，使电动机的电磁转矩与其负载转矩相平衡，控制电动机转速下降。同时，调节过程中采集的实际转速信号n作为反馈信号，与转向前采集的转速n0进行比较，如果n小于n0，则再适当提高电动机的电磁转矩，如果n大于n0，则适当降低电动机的电磁转矩，从而保证电动机的转速保持恒定。 结论(jiln)由于传动系统具有高阶非线性时变特征(t

50、zhng)，其输入输出之间还具有强耦合关系。在汽车复杂运行工况和大量的不确定环境因素的影响下，传统的控制方法己不能满足系统的控制要求。然而(rn r)，我们可以通过把研究对象适当地模糊的方法，用精确的数学方法去解决模糊的概念，从而达到精确的效果。现有的模糊状态识别技术，可以实现对离合器操控状态的识别和行驶阻力变化的预判，有了对电动机负载状态变化的准确识别与预判，可以实现多参数限定条件下的电动机转矩控制，从而改变电动机原有的机械特性，使电动教练车具有与燃油汽车相同的操控特性。模糊控制有着很多传统控制理论所不具备的特点： 模糊控制在设计的过程中往往需要的是专家丰富的经验和大量的知识，并且我们还要将

51、这些知识和经验转化成机器能够识别的控制规则。在这样的一个过程中，我们就不需要去具体的知道控制系统内部的数学模型，就能够对我们的控制系统进行建模。换句话来说，模糊控制系统是完全不依赖被控对象(duxing)对应的数学模型的。 控制系统(kn zh x tn)的适应性和鲁棒性好。 由于模糊控制理论中的控制规则都是用我们熟悉的自然语言来描述(mio sh)的，所以一般的操作人员很容易就学会模糊控制。 模糊控制系统需要将精确信息转换成模糊信息，这与传统控制系统有着明显的不同。 此外，本论文主要是采用斩波器脉宽调制的方法实现调速控制的。PWM的占空比信号在0%100%范围内连续可调，能使加在电枢上的平均电压在0Ub范围内改变，从而实现电动机的转速控制。PWM速度控制有如下优点：1）电动机损耗和噪声小。晶体管开关频率很高，远比转子能跟随的频率高，也即避开了机械的共振。由于开关频率高，使得电枢电流仅靠电枢