江蘇大學(xué)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)與仿真報(bào)告

1、 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 電 氣 信 息 工 程 學(xué) 院 控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)與仿真報(bào)告學(xué)院名稱： 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電氣碩1122 學(xué)生姓名： 張三 學(xué) 號(hào)： 123456789 2016年6月3號(hào)引言本學(xué)期學(xué)習(xí)了控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)與仿真課程，主要講述了控制系統(tǒng)的整體概念，包括控制系統(tǒng)的反正分析、MATLAB/simulink的介紹以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)。MATLAB/simulink在我們平時(shí)可言中是一個(gè)重要的學(xué)習(xí)工具，方程的編寫(xiě)、數(shù)據(jù)的采集以及仿真基本上都可以由它來(lái)完成，相比較其他工具具有很大的優(yōu)勢(shì)，例如：1 高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能

2、，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來(lái)；2 具有完備的圖形處理功能,實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化；3 友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；4 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ,為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。本課程老師為我們講解了控制系統(tǒng)的模型以及仿真實(shí)例、線性系統(tǒng)仿真分析方法、非線性控制系統(tǒng)仿真方法，從系統(tǒng)的模型開(kāi)始，建立模擬以及狀態(tài)方程，再對(duì)模型進(jìn)行MATLAB編程等，受益匪淺。以下就是本人通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，然后對(duì)汽車速度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，在已有的模型下，對(duì)設(shè)計(jì)的汽車速度控制系統(tǒng)進(jìn)行Matlab語(yǔ)言仿真。 汽車速度控制系統(tǒng)的設(shè)

3、計(jì)與仿真1研究背景與意義隨著汽車工業(yè)和公路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，汽車將走進(jìn)千家萬(wàn)戶，駕駛?cè)藛T非職業(yè)化的特點(diǎn)將突出，車輛駕駛的自動(dòng)化己成為汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)?？缛攵皇兰o(jì)后，人們需要更加舒適、簡(jiǎn)便和安全的交通工具，以適應(yīng)快捷的生活節(jié)奏，因此對(duì)汽車的智能化要求更加迫切，隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能價(jià)格比不斷提高，為汽車的優(yōu)化提供了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)，汽車實(shí)現(xiàn)智能化已不是夢(mèng)想。駕駛汽車長(zhǎng)途行駛的機(jī)會(huì)較多，而且在高速公路上行駛時(shí)變換車速的頻率及范圍都較少，能以較穩(wěn)定的車速行駛。但若長(zhǎng)途駕駛而右腳不得不踩油門(mén)踏板時(shí)，久而久之駕駛員就會(huì)感到疲勞，容易發(fā)生交通事故。車輛自動(dòng)變速器及其控制技術(shù)是智能汽車非常重要

4、的內(nèi)容，是汽車輔助駕駛系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是目前我國(guó)智能汽車發(fā)展亟須解決的核心技術(shù)之一。此外。汽車速度控制系統(tǒng)，又稱為汽車巡航控制系統(tǒng)CCS(Cruise Control System)。隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)建設(shè)縱橫迅速延伸，自動(dòng)速度控制也具備了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景車電子技術(shù)新裝置之一，它實(shí)際上就是一種輔助駕駛系統(tǒng)。汽車定速速度控制裝置的使用減輕了駕駛員操縱強(qiáng)度,減少了不必要的車速變化,提高了駕駛的舒適性和安全性。汽車速度控制系統(tǒng)研究分為兩大部分，第一部分是系統(tǒng)硬件和運(yùn)行控制基礎(chǔ)軟件的開(kāi)發(fā)，另一部分是速度控制算法的研究，本次報(bào)告主要研究第二部分。2.研究概況及發(fā)展趨勢(shì)目前我國(guó)的自動(dòng)速度控制

5、裝置仍處于研制階段，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品還未見(jiàn)報(bào)道。由于國(guó)內(nèi)汽車研究起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，并且就目前我國(guó)公路狀況和實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，對(duì)汽車速度控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用主要是以單車定速控制為主。隨著我國(guó)高速公路建設(shè)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，汽車產(chǎn)量的急劇上升和排放法規(guī)的建立，國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)迫切需要適合我國(guó)基本國(guó)情的汽車自動(dòng)速度控制系統(tǒng)。從總體來(lái)說(shuō)，汽車速度控制系統(tǒng)有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：（1)新控制理論的應(yīng)用 車輛的行駛狀況受到成員的多少、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的變化因素等影響。駕駛者需要更平順的駕駛感覺(jué)和更自然的速度控制，以傳統(tǒng)的控制理論為基礎(chǔ)，又引入了新的控制理論。目前，模糊控制等新理論已不斷得到應(yīng)用。（2)走?？刂疲含F(xiàn)在對(duì)

6、CCS的研制和開(kāi)發(fā)主要是針對(duì)在高速公路上高速行駛的車輛，而不適用于城市中低速、高車流密度情況下使用，走停控制正是CCS針對(duì)車速低、車距近的行駛情況所做的功能擴(kuò)展，這要求CCS具有更好的近距離探測(cè)能力，更快的信號(hào)處理功能，更迅速的系統(tǒng)響應(yīng)，同時(shí)還向CCS提出了增加車輛的自動(dòng)起步功能。這樣即使在堵車情況下也無(wú)須駕駛員參與，只需操縱車輛的轉(zhuǎn)向即可。駕駛員可以完全從煩瑣的駕駛操作中解放出來(lái)。（3)隨著近幾年智能公路概念的提出以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，未來(lái)的CCS將同其他的汽車電控系統(tǒng)相互融合，形成智能汽車電子控制系統(tǒng)，駕駛這種汽車只需在顯示器中指明所要到達(dá)的目的地，汽車就會(huì)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的指引下，

7、借助公路兩旁的電子標(biāo)志牌無(wú)需人為參與就可安全駛達(dá)目的地，實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)駕駛功能。（4)集成化 隨著近幾年智能公路概念的提出以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，未來(lái)的汽車速度控制系統(tǒng)將同其它的汽車電控系統(tǒng)相互融合，形成智能汽車電子控制系統(tǒng)，例如它可同加速防滑系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)控制器等各種電控系統(tǒng)集成起來(lái)。集成化有助于降低成本，增強(qiáng)各系統(tǒng)間的內(nèi)在聯(lián)系，充分利用各種車輛信息，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。3速度控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)述現(xiàn)在許多轎車都有速度控制系統(tǒng)。速度控制系統(tǒng)（Speed Control System）又稱為巡航控制系統(tǒng)（Crusle Control System），縮寫(xiě)為CCS。本文所設(shè)計(jì)自動(dòng)巡航系統(tǒng)

8、主要由決策模塊，ACC控制模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)模塊三個(gè)大部分構(gòu)成，巡航系統(tǒng)中三大模塊的工作原理圖如圖3.1所示：圖3.1巡航系統(tǒng)的工作原理圖(1)決策模塊：帶有決策控制功能，能夠針對(duì)自動(dòng)巡航系統(tǒng)的定速功能和跟車衡速行駛功能進(jìn)行判斷及自動(dòng)切換，對(duì)進(jìn)入和退出該系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)判斷。(2)ACC控制模塊：帶有PID控制器，通過(guò)反饋量對(duì)所輸入的車速進(jìn)行微調(diào)，使其保持相對(duì)穩(wěn)定的輸出。該模塊的輸入量為車速，通過(guò)模塊轉(zhuǎn)換，使其輸出量變成控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和制動(dòng)踏板的信號(hào)量。(3)發(fā)動(dòng)機(jī)模塊：進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)部分的仿真，通過(guò)ACC模塊的輸出量進(jìn)行工作，輸出速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等一系列數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成波形直觀的對(duì)巡航系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析。4.

9、系統(tǒng)模型建立及性能分析汽車種類很多，不同汽車自身速度傳遞系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不盡相同，但總的來(lái)說(shuō)是相似的。圖4.1為坡路上行駛汽車的受力圖。圖中，F(xiàn)e是引擎動(dòng)力；是坡路與水平面的夾角；Fh為重力分量；Fr是空氣阻力；m為汽車的質(zhì)量；x為汽車的位移。圖4.1坡路上行駛汽車的受力圖 根據(jù)牛頓第二定律，汽車的運(yùn)動(dòng)方程為： mx=Fe-Fr-Fh （4-1）式中，各物理意義如下：1、m為汽車質(zhì)量，本文中取為100個(gè)質(zhì)量單位。2、Fe是引擎動(dòng)力。最大驅(qū)動(dòng)力為1000，最大制動(dòng)力為-2000，即-2000<=Fe<=1000 (4-2) 3、Fr是空氣阻力，它與轎車的速度平分成正比，其表達(dá)式為：Fr

10、=0.001(x+20sin(0.01t)2 (4-3) 式中第二項(xiàng)是為近似考慮“陣風(fēng)”而引入的，x為行駛汽車的水平速度。4、Fh是重力分量，其表達(dá)式為： Fh=30sin(0.0001xx) (4-4) 式中的正弦項(xiàng)是為考慮坡路與水平夾角的變化而引入的。根據(jù)以上計(jì)算可建立行駛汽車的Simulink模型如圖4.2所示。圖4.2行駛汽車simulink模型1、In1模塊：為“指令”驅(qū)動(dòng)力Fe提供輸入端口。2、Out1模塊：為輸出汽車實(shí)際速度Sa提供輸出端。3、Constant1模塊：設(shè)置驅(qū)動(dòng)力上限，Constant value欄填寫(xiě)1000。4、MinMax1模塊：其參數(shù)設(shè)置如圖4.3所示，F(xiàn)u

11、nction欄填寫(xiě)min（缺省設(shè)置），Number of input ports欄填寫(xiě)2（缺省設(shè)置），則模塊輸入取兩個(gè)輸入中的小者。與此同時(shí)，該模塊的圖標(biāo)以min表示。5、Constant模塊：設(shè)置制動(dòng)力下限，Constant value欄填寫(xiě)-2000。6、MinMax模塊：在圖4.3中，F(xiàn)unction欄填寫(xiě)max，則模塊取兩個(gè)輸入中的大者。與此同時(shí)，該模塊的圖標(biāo)也以max表示。7、Clock模塊：為接受仿真時(shí)間數(shù)據(jù)t提供輸入端口。8、Fcn模塊：實(shí)現(xiàn)空氣阻力Fw（見(jiàn)式4-3），該模塊的輸入是x,t構(gòu)成的向量，所以，根據(jù)Fcn模塊表達(dá)式必須遵循的第一個(gè)規(guī)則，在Expression欄中填寫(xiě)0

12、.001*（u(1)+20*sin(0.01*u(2)）2。9、Fcn1模塊：實(shí)現(xiàn)重力分量Fh（式4-4）。該模塊的輸入為位移標(biāo)量x，輸出是重力分量Fh，則在Expression欄中填寫(xiě)30*sin(0.0001*u)。圖4.3MinMax模塊參數(shù)設(shè)置5.系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析5.1采用P控制比例控制器的工作原理是：根據(jù)期望速度和實(shí)際速度之差產(chǎn)生指令驅(qū)動(dòng)力Fc，其數(shù)學(xué)模型為：Fc=Kp(Xc-X) （5-1）式中Kp為比例系數(shù)，；Xc為汽車期望速度；X為汽車實(shí)際速度?！爸噶睢彬?qū)動(dòng)力Fc與實(shí)際驅(qū)動(dòng)力Fe的差別在于：前者是理論上需要的計(jì)算力，后者是受物理限制后實(shí)際能提供的力。由式5-1構(gòu)建的比例控制器

13、模型如圖5.1所示。圖中In1和In2分別是比例控制器模型的期望速度Xc與實(shí)際速度X的輸入端口模塊，Out1是“指令”驅(qū)動(dòng)力Fc的輸出端口模塊。圖5.1比例控制器模型根據(jù)上文分析結(jié)果，將比例控制器模型和行駛汽車模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接，即可得到如圖5.2所示的受控汽車的完整模型。圖5.2 P控制完整模型圖5.2中Slider Gain模塊的功能是實(shí)現(xiàn)可變的汽車期望速度。用鼠標(biāo)左鍵雙擊Slider Gain模塊，打開(kāi)圖5.3所示的操作窗口，將Low（下限）設(shè)置為0，High（上限）設(shè)置為100，滑鍵所在位置為增益值（圖中為60，即汽車期望速度）。同時(shí)，該模塊還需要“恒值”輸入信號(hào)Constant的激勵(lì)

14、。圖4.3滑鍵增益模塊操作窗口為了方便觀察比較，速度量還被送到Display（數(shù)值顯示器）和Scope。在仿真過(guò)程中可以從數(shù)值顯示器上看到汽車的實(shí)際車速。先取比例系數(shù)Kp=10，然后將圖5.2模型窗口的仿真結(jié)束時(shí)間設(shè)置為10000。仿真前先分別打開(kāi)Slider Gain操作窗口和示波器窗口，仿真結(jié)果如圖5.4及圖5.5所示。在仿真過(guò)程中，若在Slider Gain操作窗口移動(dòng)滑鍵，可以從模型窗口的Slider Gain模塊圖標(biāo)上看到變化的期望車速。與此同時(shí)還可以看到，Display模塊所顯示的實(shí)際車速在控制作用下不斷翻動(dòng)地向期望車速逼近。圖5.4 仿真結(jié)果圖5.5 Kp=10時(shí)車速仿真圖由圖5

15、.4和圖5.5的仿真結(jié)果可得，Kp=10穩(wěn)態(tài)誤差為1.25，但調(diào)節(jié)時(shí)間超過(guò)了30ms，所以增大Kp，再取Kp=50按上述步驟仿真，結(jié)果如圖5.6所示。圖5.6 Kp=50時(shí)車速仿真圖由圖5.6可知 Kp=50時(shí)實(shí)際車速達(dá)到期望速度，穩(wěn)態(tài)誤差可忽略不計(jì)，調(diào)節(jié)時(shí)間在10ms左右，再增大Kp，取Kp=150，結(jié)果如圖5.7所示。圖5.7 Kp=150時(shí)車速仿真圖由圖5.7可知Kp=150時(shí)，實(shí)際車速同樣達(dá)到期望速度，誤差可忽略，且調(diào)節(jié)時(shí)間小于10ms，繼續(xù)增大Kp。取Kp=180結(jié)果如圖5.8所示。圖5.8 Kp=180時(shí)車速仿真圖由圖5.8可知Kp=180時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真驗(yàn)證得知Kp取值

16、在20到150之間較為合適。5.2采用PI控制在上文P控制仿真模型的基礎(chǔ)上加上積分環(huán)節(jié)可得圖5.9所示的PI控制汽車完整模型。圖5.9 PI控制完整模型由上文可知比例系數(shù)Kp范圍為20150，所以取Kp=60，然后取積分系數(shù)Ti=0.5，仿真結(jié)果如圖5.10所示。圖5.10 PI控制仿真結(jié)果圖5.11 Ti=0.5車速仿真圖 由圖5.10及5.11可知在Ti=0.5時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差僅為0.27，調(diào)節(jié)時(shí)間在10ms左右，最大偏離量約為1左右，超調(diào)量約為2%，增大Ti，取Ti=1，仿真結(jié)果如圖5.12所示。圖5.12 Ti=1.0車速仿真圖由圖5.12可知Ti=1.0時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差為0.16。調(diào)節(jié)時(shí)間大

17、于10ms，超調(diào)量約為4%左右。繼續(xù)增大Ti，再取Ti=4,結(jié)果如圖5.13所示。圖5.13Ti=5車速仿真圖由圖5.13可知Ti=4時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間超過(guò)20ms，穩(wěn)態(tài)誤差僅為0.04但超調(diào)量為16.7%左右，超調(diào)過(guò)大。經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真驗(yàn)證得知Ti取值在0.1到2.0為合適。5.3采用PID控制在上文PI控制仿真模型的基礎(chǔ)上加上微分環(huán)節(jié)就可得到圖4.13所示的PID汽車完整模型。圖5.14 PID控制完整模型 由上文討論結(jié)果可知比例系數(shù)Kp取60，積分系數(shù)Ti取0.5較為合適，然后微分系數(shù)取Td=10，仿真結(jié)果如圖5.14和圖5.15所示。圖5.15 PID控制仿真結(jié)果圖5.16 Td=10車速仿真圖由圖5.16可知調(diào)節(jié)時(shí)間為10ms左右，穩(wěn)態(tài)誤差為0.29，超調(diào)量為2%左右。增大Td，再取Td=50，仿真結(jié)果如圖5.17所示。圖5.17 Td=50車速仿真圖由圖5.17可知Td=50時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差為0.31，超調(diào)量也變化不大約為2%。但調(diào)節(jié)時(shí)間超過(guò)了10