詳解汽車空調參數自調整模糊控制

一、 汽車空調模糊控制的實現
將溫度設定值與車內溫度的差值及其變化率作為汽車空調模糊控制系統的輸入控制量_得到的輸出控制量為鼓風機轉速、混合風門開度、壓縮機的啟停和熱水閥的開關.為了簡化模糊控制器的設計_根據模糊控制系統的分解原理_二輸入四輸出的模糊控制系統可以分解為四個二輸入單輸出的模糊控制器.因此汽車空調模糊控制系統可分解為空調鼓風機模糊控制器、混合風門模糊控制器、壓縮機啟停模糊控制器和熱水閥開關模糊控制器.汽車空調模糊控制原理圖見圖 1.

二、模糊控制器參數自調整方案

根據模糊控制代數模型對典型的二輸入單輸出模糊控制器進行分析_有：

u=ku（fkee+kecec）（1）

式 中 ：u 為控制器的控制作用因子；ku為比例因子；f 為非線性函數；e 為偏差；ec 為偏差變化率；ke和 kec分別為偏差和偏差變化率的量化因子.本文利用模糊控制的方法_對模糊控制器的量化因子進行在線調整_其數學模型如下：

u =kuf [αkee +（1 -α）kecec]

（2）式中：α 為調整因子_其他符號定義同公式（1）.通過對調整因子 α 的在線調整實現對比例因子的調整_從而優化模糊控制效果_原理圖見圖 2.

對於一個經典的二輸入單輸出模糊控制器_量化因子 ke和 kec分別相當於模糊控制的比例作用和微分作用_比例因子 ku則相當於總的放大倍數.由實驗數據和理論分析可以總結出量化因子和比例因子與系統性能的影響如下：
（1） ke對系統性能的影響
1）越大_系統調節惰性越小_上升速率越快；
2）ke過大_系統上升速率過大_產生的超調大_使調節時間增長_嚴重時還會產生振蕩乃至系統不穩定；
3）ke過小_系統上升速率過小_系統調節惰性變大_同時也影響系統的穩態性能_使穩態精度降低.

（2）kec 對系統性能的影響
1）kec越大_對系統狀態變化的抑制能力增大_增加了系統的穩定性；
2）kec過大_系統輸出上升速率過小_系統的過渡過程時間變長；
3）kec過小_輸出上升速率增大_可能導致系統輸出產生過大超調和振蕩.

（3）ku對系統性能的影構
1）ku增大_相當於系統總的放大倍數增大_系統響應速度加快；
2）ku過大_會導致系統輸出上升速率過大_從而產生過大超調乃至振蕩和發散；
3）ku過小_系統的前向增益很小_系統輸出上升速率較小_快速性變差_穩態精度變差.

由上述分析可知_要保證一定的系統穩態精度_ke應該足夠大.根據實際對象允許的最大穩態誤差_按一定比例先取定 ke然後由上述量化因子和比例因子對系統性能的影響關系_可建立如下的參數調整規則：

(1) 當系統發散時_則根據系統的發散程度以較大的幅度減小 ku；
(2) 當系統振蕩時_則根據振蕩的程度以適當程度減小 ku；
(3) 當系統存在穩態誤差時_則根據穩態誤差的程度以適當的幅度增大 ku同時以較小的幅度增大 kec；
(4) 當系統過渡過程較長時_則根據過渡過程時間以較小的幅度減小 kec；
(5) 當超調過大時_則根據超調的大小以適當的幅度增加 kec.

三、調整參數模糊控制器的設計

根據上述模糊控制器參數調整的原則_針對汽車空調模糊控制系統_本文采用單輸入單輸出的模糊控制器對傳統的模糊控制器的參數進行在線調整.將溫度偏差作為控制輸入量_輸出控制量調整因子 α 按照式(2)對量化因子 ke和 kec進行調整.

溫度偏差 E 的模糊論域取為[-5_5]_模糊子集取為：

{負大(NB)_負小(NS)_零(Z)_正小(PS)_正大(PB)}隸屬函數采用三角形隸屬函數_其曲線如圖 所示：

輸出控制量 α 的模糊論域為[0_1].當溫度偏差較大時_為了迅速減小偏差_需要加大 ke的權重_因而就要求取較大的 α；當溫度偏差較小時_為了減小溫度的波動_需要加大kec的權重_選取較小的 α；當溫度偏差變化中等時_為了防止溫度變化過快而超過設定值_應該選取中等大小的 α_所以其模糊子集取為：{正小(PS)_正中(PM)_正大(PB)}

隸屬函數選擇三角函數_表達式如下：


隸屬函數選擇三角函數_其曲線見圖 4.

通過上述分析_可得到如下的模糊控制規則：
（1）if E is NB then α is PB_權重為 1；
（2）if E is NS then α is PM_權重為 1；
（3）if E is Z then α PS_權重為1；
（4）if E is PS then α is PM_權重為 1；
（5）if E is PB then α is PB_權重為 1；