CN106527542A - 一种定速式摩擦试验机的温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定速式摩擦试验机的温度控制方法，在定速式摩擦试验机的降温过程中，以摩擦盘的设定温度与检测温度的温度偏差信号E和温度偏差变化率CE作为模糊控制器的输入，在运行中不断检测温度偏差信号E和温度偏差变化率CE，模糊控制器结合模糊控制规则对冷却水调节器进行调整，以调节摩擦盘的温度；本发明能够防止其温度下降过快，使摩擦系数出现短时上升的波动；同时，防止温度持续下降过多，而导致电加热管动作，引起摩擦系数的下降，带模糊控制的定速式摩擦试验机的温度系统性能良好，适应性强。

Description

一种定速式摩擦试验机的温度控制方法

技术领域

本发明属于定速式摩擦试验机技术领域，涉及一种定速式摩擦试验机的温度控制方法。

背景技术

随着我国汽车制造业的快速发展，对于汽车的安全性要求越来越高。其中，刹车片的性能是衡量汽车安全性的最重要的指标，而如何精确检测刹车片的性能指标已成为汽车制造业的关键工作。目前，国内大多数汽车配件厂家使用定速式摩擦试验机检测刹车材料摩擦系数。

定速式摩擦试验是对刹车片实际使用过程的一种简单模拟。试验在一定的压力与指定的温度下，将制取的刹车材料标准样片在定速旋转的摩擦盘上摩擦，测量旋转产生的摩擦力，继而通过计算获得刹车材料的摩擦系数。试验主要分为逐段升温试验和逐段降温试验两部分。升温试验是刹车片摩擦系数的衰退试验，随着试片表面温度上升，摩擦系数会相应的下降；降温试验是刹车片摩擦系数的恢复试验，通过分段降温，测试刹车片的摩擦系数是否能够恢复到一定的设定值范围。

试验的温度是通过测量摩擦盘的温度获得的，它只能在一定范围内波动，主要由电加热管给摩擦盘加热使试片升温，刹车片摩擦生热，冷却水降温三个因素的积分作用决定。但这一测试只有在试验温度稳定时，才能确保测试结果的准确。而在实际中，定速式摩擦试验机的温度系统具有非线性、滞后性、不确定性等因素，难以建立精确的数学模型。传统的控制方式在降温过程经常出现超调、波动过大，甚至引起电加热管的起动，温度控制难以达到理想的效果等问题。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种定速式摩擦试验机的温度控制方法，应用模糊控制理论解决定速式摩擦试验机温度系统因非线性、不确定性和时滞性引起的控制超调与波动过大的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种定速式摩擦试验机的温度控制方法，包括以下操作：

在定速式摩擦试验机的降温过程中，以摩擦盘的设定温度与检测温度的温度偏差信号E和温度偏差变化率CE作为模糊控制器的输入，在运行中不断检测温度偏差信号E和温度偏差变化率CE，模糊控制器结合模糊控制规则对冷却水调节器进行调整，以调节摩擦盘的温度；

所述的模糊控制器由模糊逻辑工具箱根据输入变量及其隶属函数、输出变量及其隶属函数、模糊规则、推理算法、解模糊化方法编辑而成；其中，采用三角形隶属度函数实现温度偏差信号E和温度偏差变化率CE的模糊化，定义输入量的模糊集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，温度偏差信号E和温度偏差变化率CE的论域为[-6，6]，其隶属度函数分别如式(1)、(2)和(3)所示；

左侧隶属度分布函数：

中间隶属度分布函数：

右侧隶属度分布函数：

推理算法采用基于Sugeno推理模型的PI控制算法，建立如下模糊控制规则：

E\EC	NB	NM	NS	Z	PS	PM	PB
								NB	0	1	1	1	1	1	1
NM	0	0	1	1	1	1	1
								NS	0	0	0	1	1	1	1
Z	0	0	0	0	0	1	1
								PS	0	0	0	0	0	0	1
PM	0	0	0	0	0	0	1
								PB	0	0	0	0	0	0	0

解模糊化方法是对(1)、(2)和(3)式进行反运算，通过(4)、(5)和(6)式得出被控对象P、I参数的左侧、中间、右侧的实际量值：

x(μ)＝x_max-(x_max-x_min)μ (4)

x(μ)＝x_min+(x_max-x_min)μ (6)

其中，x(μ)是PI控制算法中的Kp或Ki值，Kp是比例控制参数，Ki是积分控制参数；Kp和Ki的计算过程相同；x_min,x_mid,x_max分别是Kp或Ki参数的最小值、中间值、最大值。

所述的模糊器中标准隶属度函数中的论域为[-6，6]，在使用时将实际尺寸进行尺度变化，将其转化成标准论域。

所述的模糊控制器先通过仿真平台优化，然后再加载到定速式摩擦试验机上对冷却水调节器进行调整。

所述的模糊控制器的编辑及仿真通过MATLAB/SIMULINK实现：

确定好输入变量及其隶属函数、输出变量及其隶属函数、模糊规则、推理算法、解模糊化方法后，进入MTALAB的模糊逻辑工具箱进行编辑；并在SIMULINK仿真平台上将该控制规则作为参数赋给一个封装的Fuzzy模块，将模糊控制器作为定速式摩擦试验机系统仿真的一部分；

若仿真的效果不是很理想，重新对模糊逻辑工具箱中所设计的变量、方法和规则进行修饰调整，以达到理想的效果。

在定速式摩擦试验机的降温过程中，模糊控制器根据温度偏差信号E与偏差信号的变化率EC，调节冷却水加入时间与频率；当摩擦盘的检测温度与设定温度存在偏差时，进行T-S模糊控制：首先根据温度偏差信号E和温度偏差变化率EC，将其信号隶属度化，然后在模糊规则表中查表，计算出当前补偿的比例控制参数和积分控制参数，通过模糊控制器调节开始加入冷却水；在温度偏差信号E超调、降温速度EC过快时，将E和EC信号隶属度化，在模糊规则表中查表，计算出当前补偿的比例控制参数和积分控制参数，使补偿后的P、I参数减小，降低冷却水的加入频率并减小每次的持续时间，防止其温度下降过快。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过模糊控制器来对冷却水调节器进行调整，应用模糊控制理论解决定速式摩擦试验机温度系统因非线性、不确定性和时滞性引起的控制超调与波动过大的问题；定速式摩擦试验机降温过程中存在随机干扰，结构参数具有时变性和不确定性，且摩擦盘温度与刹车片摩擦系数存在非线性关系，这些使得定速式摩擦试验机的温度系统呈现出非线性和不确定性，很难建立准确的数学模型。而模糊控制器不需要建立精确的数学模型就可以实现对被控对象的控制目标，对影响温度性能较大的刹车片发热环节进行模拟干扰，检验温度系统的综合性能。

本发明还可以对模糊控制器通过运用MATLAB/SIMULINK强大的处理功能和方便的模块操作建立温度系统的仿真模型进行优化，再对冷却水调节器进行调整，能够防止其温度下降过快，使摩擦系数出现短时上升的波动；同时，防止温度持续下降过多，而导致电加热管动作，引起摩擦系数的下降。本发明的再仿真特性曲线与试验曲线表明，带模糊控制的定速式摩擦试验机的温度系统性能良好，适应性强。

附图说明

图1为冷却水阀模糊控制原理示意图；

图2为Sugeno模糊控制器示意图；

图3为降温试验段的MATLAB仿真效果示意图；

图4a为传统定速式摩擦试验机降温段的试验实际曲线；

图4b为带模糊控制的定速式摩擦试验机降温段的试验实际曲线。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明应用模糊控制理论解决定速式摩擦试验机温度系统因非线性、不确定性和时滞性引起的控制超调与波动过大的问题。

被控对象及其特性

本发明的被控对象为摩擦盘的温度。摩擦盘由碳钢制成，摩擦盘的温升受两个因素控制，一个是摩擦盘下方的三根电加热管，它通过加热使摩擦盘的温度上升，电加热管与摩擦盘之间有一定的空气气隙，导热有一定的惯性；另一个因素是试验过程中，摩擦盘和刹车片之间摩擦产生的热量。摩擦产生的热量与刹车片的摩擦系数有关，而刹车片的摩擦系数又与温度有关联。在0-100℃时，大多数刹车片的摩擦系数会大幅度的升高；100℃-200℃，会有小量的升高；超过200℃，摩擦系数就会衰退下降。因此，第二个因素的存在使被控对象有一定的非线形与不确定性。

定速式摩擦试验机模糊控制器

定速式摩擦试验机降温过程中存在随机干扰，结构参数具有时变性和不确定性，且摩擦盘温度与刹车片摩擦系数存在非线性关系，这些使得定速式摩擦试验机的温度系统呈现出非线性和不确定性，很难建立准确的数学模型。而模糊控制可根据专家和操作者的经验来建立模糊规则，不需要建立精确的数学模型就可以实现对被控对象的控制目标。

如图1所示，本发明以摩擦盘的设定温度与检测温度的温度偏差信号E和温度偏差变化率CE作为模糊控制器的输入，在运行中不断检测温度偏差信号E和温度偏差变化率CE，模糊控制器结合模糊控制规则对冷却水调节器进行调整，以调节摩擦盘的温度。

所述的模糊控制器由模糊逻辑工具箱根据输入变量及其隶属函数、输出变量及其隶属函数、模糊规则、推理算法、解模糊化方法编辑而成；本发明采用三角形隶属度函数实现E和CE的模糊化，定义输入量的模糊集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，E和EC的论域为[-6，6]。则隶属度函数分别为式(1)、(2)和(3)所示。

左侧隶属度分布函数：

中间隶属度分布函数：

右侧隶属度分布函数：

在本发明专利的标准隶属度函数中的论域为[-6，6]，对其进行尺度变化，将实际尺寸转化成标准论域。

对采集的温度信号进行模糊化，定义输入量的模糊集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，E和EC的论域为[-6 6]，输入量隶属度函数为三角形。推理方法采用Sugeno推理模型(如图2所示)，所建立模糊控制规则如表1所示。

表1模糊控制规则表

E\EC	NB	NM	NS	Z	PS	PM	PB
								NB	0	1	1	1	1	1	1
NM	0	0	1	1	1	1	1
								NS	0	0	0	1	1	1	1
Z	0	0	0	0	0	1	1
								PS	0	0	0	0	0	0	1
PM	0	0	0	0	0	0	1
								PB	0	0	0	0	0	0	0

(4)对于上述中的三个函数进行反运算，继而得出被控对象的实际量值。

x(μ)＝x_max-(x_max-x_min)μ (4)

x(μ)＝x_min+(x_max-x_min)μ (6)

下面给出模糊控制器的一种MATLAB/SIMULINK实现方式：

确定好输入、输出变量及其隶属函数、模糊规则、推理算法、解模糊化方法后，进入MTALAB的模糊逻辑工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)进行编辑。可以在SIMULINK仿真平台上将该控制规则作为参数赋给一个封装的Fuzzy模块，将设计好的模糊控制器作为整个定速式摩擦试验机系统仿真的一部分。如果仿真的效果不是很理想，还可以重新对模糊逻辑工具箱中所设计的变量、方法和规则进行修改，以达到理想的效果。

下面给出仿真实验与分析

在MATLAB/SIMULINK中建立各个子系统的模型，设置好参数并连接各个子系统就可以对定速式摩擦试验机的温度系统进行仿真。仿真结果如图3所示，在运行到250秒的时候，加入一个持续2秒的幅值为30的干扰，本发明的控制图像显示并未引起明显的降温超调。从图中可以看Sugeno模糊控制器能有效的抑制超调，从而使该温度系统更加稳定，定速式摩擦试验机测试验得到的刹车片摩擦系数更为准确。

下面给出模块控制器加载到定速式摩擦试验机的实际测试结果分析

在降温实验段，模糊控制器根据温度偏差信号E与偏差信号的变化率EC，调节冷却水加入时间与频率。当摩擦盘温度超调时进行T-S控制，首先根据偏差E和偏差变化率EC，将E和EC信号隶属度化，然后在模糊规则表中查表，计算出当前补偿的比例和积分参数，开始加入冷却水；当在降温过程中，按照试验要求，每1500转时，设定温度值自动下降50°，而原有的温控系统P、I参数不变，会快速加水，造成温度下降超调严重，采用T-S模糊控制后，按照隶属函数表，在温度偏差信号E超调、降温速度EC过快时，将E和EC信号隶属度化，在模糊规则表中查表，计算出当前补偿的比例和积分参数，使补偿后的P、I参数减小，系统的输出减小，控制速度降慢，降低冷却水的加入频率并减小每次的持续时间，防止其温度下降过快。采用T-S模糊控制，提高了系统的稳定性。

具体的，一旦输出超过限定值时，开始加入冷却水。按照隶属函数表，在温度偏差信号E超调、降温速度EC过快时，会降低冷却水的加入频率并减小每次的持续时间，防止其温度下降过快，使摩擦系数出现短时上升的波动；同时，防止温度持续下降过多，而导致电加热管动作，引起摩擦系数的下降。

对比图4a和图4b所示的定速式摩擦试验机在使用模糊控制器前后降温试验段的测试结果曲线，比如在进行到1500转时需要有温度下调50℃，通过本发明的模糊控制器的调节可以看到温度平缓下降未引起超调，而原有的试验机出现了一个明显的下降，由于温度显著下降加热器工作，引起摩擦系数的升高；类似的调节还有几处，可明显的看出模糊控制能有效抑制定速摩擦试验机在降温时的超调，保持温度的稳定性，使得定速式摩擦试验机获得的刹车片摩擦系数更为准确。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种定速式摩擦试验机的温度控制方法，其特征在于，包括以下操作：在定速式摩擦试验机的降温过程中，以摩擦盘的设定温度与检测温度的温度偏差信号E和温度偏差变化率CE作为模糊控制器的输入，在运行中不断检测温度偏差信号E和温度偏差变化率CE，模糊控制器结合模糊控制规则对冷却水调节器进行调整，以调节摩擦盘的温度；

所述的模糊控制器由模糊逻辑工具箱根据输入变量及其隶属函数、输出变量及其隶属函数、模糊规则、推理算法、解模糊化方法编辑而成；其中，采用三角形隶属度函数实现温度偏差信号E和温度偏差变化率CE的模糊化，定义输入量的模糊集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，温度偏差信号E和温度偏差变化率CE的论域为[-6，6]，其隶属度函数分别如式(1)、(2)和(3)所示；

左侧隶属度分布函数：

$\mathrm{\&mu;}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& x\&le;x_{min}\\ \frac{x_{\max }-x}{x_{\max }-x_{\min }}& x_{\min }<x\&le;x_{\max }\\ 0& x>x_{\max }\end{array}\right.---\left(1\right)$

中间隶属度分布函数：

$\mathrm{\&mu;}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\&le;x_{\min }\\ \frac{x-x_{min}}{x_{mid}-x_{min}}& x_{\min }<x\&le;x_{mid}\\ \frac{x_{max}-x}{x_{\max }-x_{mid}}& x_{mid}<x\&le;x_{\max }\\ 0& x>x_{\max }\end{array}\right.---\left(2\right)$

右侧隶属度分布函数：

$\mathrm{\&mu;}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\&le;x_{min}\\ \frac{x-x_{\min }}{x_{\max }-x_{\min }}& x_{\min }<x\&le;x_{\max }\\ 1& x>x_{\max }\end{array}\right.---\left(1\right)$

推理算法采用基于Sugeno推理模型的PI控制算法，建立如下模糊控制规则：

E\EC NB NM NS Z PS PM PB NB 0 1 1 1 1 1 1 NM 0 0 1 1 1 1 1 NS 0 0 0 1 1 1 1 Z 0 0 0 0 0 1 1 PS 0 0 0 0 0 0 1 PM 0 0 0 0 0 0 1 PB 0 0 0 0 0 0 0

解模糊化方法是对(1)、(2)和(3)式进行反运算，通过(4)、(5)和(6)式得出被控对象P、I参数的左侧、中间、右侧的实际量值：

x(μ)＝x_max-(x_max-x_min)μ (4)

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1\left(\mathrm{\&mu;}\right)=x_{max}-(x_{max}-x_{mid})\mathrm{\&mu;}\\ x_2\left(\mathrm{\&mu;}\right)=(x_{mid}-x_{\min })\mathrm{\&mu;}+x_{\min }\\ x\left(\mathrm{\&mu;}\right)=\&lsqb;x_1\left(\mathrm{\&mu;}\right)+x_2\left(\mathrm{\&mu;}\right)\&rsqb;/2\end{array}\right.---\left(5\right)$

x(μ)＝x_min+(x_max-x_min)μ (6)

其中，x(μ)是PI控制算法中的Kp或Ki值，Kp是比例控制参数，Ki是积分控制参数；Kp和Ki的计算过程相同；x_min,x_mid,x_max分别是Kp或Ki参数的最小值、中间值、最大值。

2.一种定速式摩擦试验机的温度控制方法，其特征在于，所述的模糊器中标准隶属度函数中的论域为[-6，6]，在使用时将实际尺寸进行尺度变化，将其转化成标准论域。

3.一种定速式摩擦试验机的温度控制方法，其特征在于，所述的模糊控制器先通过仿真平台优化，然后再加载到定速式摩擦试验机上对冷却水调节器进行调整。

4.如权利要求3所述的定速式摩擦试验机的温度控制方法，其特征在于，所述的模糊控制器的编辑及仿真通过MATLAB/SIMULINK实现：

确定好输入变量及其隶属函数、输出变量及其隶属函数、模糊规则、推理算法、解模糊化方法后，进入MTALAB的模糊逻辑工具箱进行编辑；并在SIMULINK仿真平台上将该控制规则作为参数赋给一个封装的Fuzzy模块，将模糊控制器作为定速式摩擦试验机系统仿真的一部分；

若仿真的效果不是很理想，重新对模糊逻辑工具箱中所设计的变量、方法和规则进行修饰调整，以达到理想的效果。

5.如权利要求1所述的定速式摩擦试验机的温度控制方法，其特征在于，在定速式摩擦试验机的降温过程中，模糊控制器根据温度偏差信号E与偏差信号的变化率EC，调节冷却水加入时间与频率；当摩擦盘的检测温度与设定温度存在偏差时，进行T-S模糊控制：首先根据温度偏差信号E和温度偏差变化率EC，将其信号隶属度化，然后在模糊规则表中查表，计算出当前补偿的比例控制参数和积分控制参数，通过模糊控制器调节开始加入冷却水；在温度偏差信号E超调、降温速度EC过快时，将E和EC信号隶属度化，在模糊规则表中查表，计算出当前补偿的比例控制参数和积分控制参数，使补偿后的P、I参数减小，降低冷却水的加入频率并减小每次的持续时间，防止其温度下降过快。