智能控制畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、智能控制理論及應(yīng)用題目：模糊PID在汽車(chē)巡航系統(tǒng)中的應(yīng)用學(xué)院：信息工程學(xué)院班級(jí)：導(dǎo)師：學(xué)號(hào)：姓名：2015年11月9日TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1發(fā)展背景3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2巡航控制系統(tǒng)的組成3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3巡航控制系統(tǒng)的控制方法與仿真43.1汽車(chē)動(dòng)力模型的建立43.2模糊PID控制的設(shè)計(jì)53.2.1傳統(tǒng)PID控制在汽車(chē)巡航控制中的應(yīng)用53.2.2模糊PID控制器的設(shè)計(jì)6

2、3.2.3仿真與分析9 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 4結(jié)論12 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 5參考文獻(xiàn)131發(fā)展背景近年來(lái)隨著我國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)不斷成熟，汽車(chē)安全性和節(jié)能性越來(lái)越受到重視，這也使得汽車(chē)巡航系統(tǒng)成為了重要的輔助駕駛系統(tǒng)。汽車(chē)巡航系統(tǒng)（cruisecontrolsystem，縮寫(xiě)為CCS），又稱(chēng)為恒速行駛系統(tǒng)。汽車(chē)控制系統(tǒng)可以減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，減少不必要的車(chē)速變化，最大限度地節(jié)省燃料，降低排氣污染，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率，并可在一定程度上提高汽車(chē)的動(dòng)力性能和乘坐的舒適度。汽車(chē)定速

3、巡航控制系統(tǒng)自從20世紀(jì)60年代末、70年代初起，全球各大著名汽車(chē)廠(chǎng)家就競(jìng)相研制并將其裝配在各自公司的高級(jí)轎車(chē)上，由于微電腦技術(shù)迅速發(fā)展、電路集成化水平不斷提高，到21世紀(jì)初期，汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)日趨成熟。目前，很多車(chē)輛，特別是高級(jí)轎車(chē)已經(jīng)把巡航控制系統(tǒng)作為配備設(shè)備或備選設(shè)備。由于國(guó)內(nèi)汽車(chē)巡航的研究起步較晚，并且技術(shù)相對(duì)落后，所以國(guó)內(nèi)對(duì)汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用主要是以單車(chē)定速控制為主。雖然國(guó)內(nèi)的一些機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)電子式巡航控制裝置的研究，但從總體上來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的研究還不是很成熟。2巡航控制系統(tǒng)的組成汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)主要由控制開(kāi)關(guān)、傳感器、巡航控制電控單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。

4、在裝備巡航控制系統(tǒng)的汽車(chē)上，當(dāng)汽車(chē)行駛速度超過(guò)一定值（一般為40Km/h）時(shí)，如果駕駛員利用巡航控制開(kāi)關(guān)設(shè)定一個(gè)車(chē)速，那么在巡航控制期間，隨著道路坡度的變化以及汽車(chē)行駛中所可能遇到的阻力，車(chē)輛自動(dòng)變換節(jié)氣門(mén)開(kāi)度或自動(dòng)進(jìn)行黨委轉(zhuǎn)換，以按存儲(chǔ)在危機(jī)內(nèi)的最佳燃料經(jīng)濟(jì)型規(guī)律或動(dòng)力性規(guī)律穩(wěn)定行駛。汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線(xiàn)性和不確定性，傳統(tǒng)的比例積分微分(proportional-integral-derivative，簡(jiǎn)稱(chēng)PID)控制不能滿(mǎn)足實(shí)際定速巡航控制需求。汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)研究關(guān)鍵是找到適合的巡航控制算法，使定速巡航控制性能表現(xiàn)良好。為提高汽車(chē)巡航的精度和穩(wěn)定性，以及該控制算法能夠在線(xiàn)優(yōu)化模

5、糊控制規(guī)則和輸出比例因子，既能夠保留傳統(tǒng)模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，又能夠有效改善巡航控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。3巡航控制系統(tǒng)的控制方法與仿真在Matlab環(huán)境下，要先建立汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)模型，然后再建立模糊PID控制器系統(tǒng)模型，再將汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)模型和模糊PID控制器系統(tǒng)模型通過(guò)運(yùn)算結(jié)合得到汽車(chē)巡航系統(tǒng)控制模型。31汽車(chē)動(dòng)力模型的建立汽車(chē)在行駛時(shí)，受到驅(qū)動(dòng)力Fc、行駛阻力卩了、空氣阻力FW、坡度阻力Fh和加速阻力Fa的作用。將汽車(chē)分為從動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)輪和車(chē)身三部分各自進(jìn)行受力分析，并假設(shè)汽車(chē)在坡道上行駛，則可得汽車(chē)的行駛方程為Fc=Ff+Fw+Fh+sma其中，系數(shù)5是計(jì)入旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力偶矩后的汽車(chē)質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)，取5二

6、15。在MATLAB中的Simulink中建立汽車(chē)動(dòng)力仿真模型如圖1所示,maxthrust和maxbrake分別為汽車(chē)的最大驅(qū)動(dòng)力和最大制動(dòng)力。假設(shè)仿真車(chē)輛為轎車(chē)，取其質(zhì)量m為1800kg。Ff=mgx0.014x1+X2IP44UFw=0.01xlx+20sin（0.01t）lFh=mgx0.01xsin（0.0001%）圖1汽車(chē)動(dòng)力仿真模型3.2模糊PID控制的設(shè)計(jì)3.2.1傳統(tǒng)PID控制在汽車(chē)巡航控制中的應(yīng)用PID控制為比例一積分一微分控制，它是根據(jù)汽車(chē)實(shí)際行駛車(chē)速與設(shè)定車(chē)速之間的偏差，參考過(guò)去、針對(duì)現(xiàn)在、預(yù)估獎(jiǎng)勵(lì)等各種狀況,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不變參數(shù)的汽車(chē)巡航控制。汽車(chē)行駛過(guò)程中，駕駛員設(shè)定某

7、個(gè)車(chē)速輸入給控制器，當(dāng)車(chē)速傳感器將實(shí)際車(chē)速值也輸入給控制器時(shí)，得到設(shè)定車(chē)速和實(shí)際車(chē)速值之間的偏差。控制器的比例控制根據(jù)車(chē)速值偏差的大小輸出相應(yīng)的控制量來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度從而使得行駛車(chē)速趨近設(shè)定車(chē)速值?？刂破鞯姆e分控制把車(chē)速偏差累計(jì)起來(lái)通過(guò)加大控制量減小車(chē)速偏差，使行駛車(chē)速能夠保持恒定穩(wěn)定工作狀態(tài)。微分控制起預(yù)估作用。當(dāng)被控對(duì)象的特性復(fù)雜、具有強(qiáng)非線(xiàn)性或者時(shí)變性時(shí)，常規(guī)PID控制參數(shù)在調(diào)整不適當(dāng)時(shí)會(huì)使控制系統(tǒng)振蕩，工作狀態(tài)不穩(wěn)定，控制效果表現(xiàn)不佳，難以實(shí)現(xiàn)有效控制。在本文中該系統(tǒng)采用模糊PID算法，它吸收了模糊控制與常規(guī)PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn)。3.2.2模糊PID控制器的設(shè)計(jì)將巡航控制系統(tǒng)的速

8、度誤差絕對(duì)值|E|和速度誤差變化率對(duì)值EC|作為模糊控制器的輸入語(yǔ)言變量。以它們變化范圍來(lái)定義模糊集上的域論E=丄2,3,4,5)EC=4),1,2,3,4,5對(duì)應(yīng)的模糊子集為：E=零（Z）,小（S），中（M）大（B）EC|=零（Z）?。⊿），中（M）大B）定義3個(gè)輸出語(yǔ)言變量：1）Kp為比例系數(shù)調(diào)校參數(shù)；2）T為積分系數(shù)調(diào)校參數(shù)；3）Td為微分系數(shù)調(diào)校參數(shù)。分別定義對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值為KP二零（Z）?。⊿）中（M）大（B）其隸屬度函數(shù)如圖2-3所示。圖2E|和EC的隸屬函數(shù)Ti=零（Z）小（S），中（M）大（B）Td/=零（Z）?。⊿），中（M）大（B）圖3Kpf,Ti和Td的隸屬函數(shù)從系統(tǒng)的穩(wěn)定

9、性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來(lái)考慮:當(dāng)E較大時(shí),系統(tǒng)應(yīng)具有較快的系統(tǒng)響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp；為防止出現(xiàn)較大的超調(diào)，避免開(kāi)始時(shí)E的瞬間變大可能引起的微分過(guò)飽和，則應(yīng)取較大的Ti和較小的Td；當(dāng)冋和|EC處于中等大時(shí)，為了使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取較小的Kp；為了避免對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性造成影響，應(yīng)取適中的Ti；由于此時(shí)的調(diào)節(jié)特性對(duì)Td的變化敏感，因此Td應(yīng)取得大一些；當(dāng)E較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，減小系統(tǒng)靜態(tài)誤差，增加系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力，應(yīng)增大Kp,減小Ti和Td。對(duì)實(shí)際的汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，誤差為零時(shí)容易產(chǎn)生游車(chē)，使駕駛員感到不適。從而車(chē)速誤差不能為零，而要將其保持在一定的誤

10、差范圍內(nèi)。所以在設(shè)計(jì)汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的模糊規(guī)則時(shí)就要考慮到：當(dāng)車(chē)速誤差較小時(shí)，應(yīng)減弱積分環(huán)節(jié)的作用、加大比例環(huán)節(jié)的作用，允許系統(tǒng)有一定的誤差。根據(jù)上面的規(guī)則和控制要求可以得出Kp；Ti和Td，的調(diào)節(jié)規(guī)則,如表1-3所示。ECEZSMBZSBMBSBBMBMBBMBBBBSB表1Kp，的規(guī)則表ECEZSMBZSBBBSMMMBMMMMBBBMSB表2Ti，的規(guī)則表將隸屬函數(shù)與參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則輸入MATLAB的模糊邏輯工具箱,則可得出PID參數(shù)的模糊矩陣表。系統(tǒng)在線(xiàn)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)PID參數(shù)的修正。在實(shí)際PID控制器的應(yīng)用中需要乘以適當(dāng)?shù)谋壤蜃覩p、Gi、

11、Gd以得到真正的PID參數(shù)Kp、Ti、Td。汽車(chē)巡航系統(tǒng)的模糊PID控制原理圖如圖4所示。ECEZSMBZZZBBSZMBMMZMSBBZSSB表3Td的規(guī)則表圖4模糊PID的控制原理圖3.2.3仿真與分析在MATLAB的Simulink中,將汽車(chē)動(dòng)力模型與模糊PID控制器進(jìn)行連接即可得到巡航控制系統(tǒng)的仿真模型，模糊PID控制器的仿真模型如圖5所示，裝幀后的系統(tǒng)仿真模型如圖6所示，其中Vc為巡航目標(biāo)車(chē)速。圖5模糊PID控制器的仿真模型VcCoretantlOut1speedMoHuPIDContrlFeincarrriude1-*Scupe1圖6汽車(chē)巡航系統(tǒng)的仿真模型通過(guò)不斷調(diào)試得到一組PID

12、控制的參數(shù)初始值：Kp=200,Ti=60,Td=0.15，這三個(gè)參數(shù)將隨著速度誤差和誤差變化量的不同而做在線(xiàn)的調(diào)整。當(dāng)仿真車(chē)速為60km/h、80km/h、100km/h、120km/h時(shí)的仿真結(jié)果如下圖所示。圖中正弦規(guī)律的波動(dòng)是由于在建立汽車(chē)動(dòng)力模型時(shí)使用了正弦變化的干擾力來(lái)模擬實(shí)際干擾力的緣故。Timeoffset:0EScopela號(hào)3亙厘因第鷄日昌嗥圖7車(chē)速60km/h的仿真結(jié)果Scopel一叵錄E5第兩日TimeoffsEti,0,、亠,八,十圖8車(chē)速80km/h的仿真結(jié)果雖叵J因第殆Qi-%Timeoffset:0圖9車(chē)速100km/h的仿真結(jié)果圖10車(chē)速120km/h的仿真結(jié)果4結(jié)論通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)采用模糊PID控制方法控制汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)小，反應(yīng)速度快，具有良好的穩(wěn)定性，可以達(dá)到預(yù)期控制效果。5參考文獻(xiàn)王連軍.汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的使用與發(fā)展J.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009，121(10).王立新，