基于模糊邏輯的車速控制系統設計

基于模糊邏輯的車速控制設計摘要：汽車巡航控制系統具有強非線性、時變不確定性，并受到外界擾動、復雜的運行工況等影響，采用傳統PID控制很難取得滿意的效果。本文設計了一種基于模糊PI和模糊PD控制算法的汽車巡航控制系統，并給出了系統的仿真結果。研究結果顯示，所設計的巡航控制系統算法可行有效，性能指標均達到預定工程實用要求。關鍵詞：巡航控制；模糊控制；PI控制；PD控制一、概述汽車巡航控制系統，簡稱COS(CruiseControlSystem)。它實際上是一種輔助駕駛系統。在裝備巡航控制系統的汽車上，當汽車行駛速度超過一定值(一般為40km／h)時，如果駕駛員利用巡航控制開關設定一個車速，那么在巡航控制期間，隨著道路坡度的變化以及汽車行駛中所可能遇到的阻力，車輛自動變換節(jié)氣門開度或自動進行檔位轉換，以按存儲在微機內的最佳燃料經濟性規(guī)律或動力性規(guī)律穩(wěn)定行駛。汽車巡航控制系統可以減輕駕駛員的負擔，減少了不必要的車速變化，最大限度地節(jié)省燃料，降低排氣污染，提高發(fā)動機的使用效率，并可在一定程度上提高汽車的動力性能和乘坐的舒適性。目前，很多車輛，特別是高級轎車已經把巡航控制系統作為配備設備或備選設備。由于國內對汽車巡航的研究起步較晚，并且技術相對落后，所以國內對汽車巡航控制系統的研究應用主要是以單車定速控制為主。雖然國內的一些規(guī)構已經開始了對電子式巡航控制裝置的研究，但從總體上來說，目前國內對汽車巡航控制系統的研究還不是很成熟。目前，發(fā)動機和車輛系統的電子控制系統在不斷增加，這有助于改善燃油經濟性，減少排放，提高駕駛安全性以及降低生產成本。但是，車輛系統環(huán)境惡劣：特別是在高溫、潮濕、振動強烈、充滿電子干擾的發(fā)動機室，會導致電子系統各種形式的失效，進而甚至導致交通事故和人員傷亡。本文應用模糊控制邏輯設計了車速控制器，調節(jié)車輛速度到設定值并保持恒定。二、車輛模型構建根據研究角度選擇汽車動力學模型如式(1)所示：式(1)式中：為控制輸入（>0代表油門輸入，<0代表剎車輸入）；車輛質量m為1300Kg；空氣阻力系數=0.3；恒定摩擦力=100N；為驅動/制動力；=0.2s。應用模糊控制方法的目標為快速調節(jié)車輛速度達到駕駛員設定值并保持恒定。三、基于模糊邏輯的速度控制器設計及仿真試驗模糊控制與神經網絡是控制工程師為了應對十分復雜的系統而提出的控制方法論，模糊控制在巡航控制領域有著優(yōu)良的應用。3.1模糊PI控制器設計假如我們想精確的跟蹤駕駛員設定的階躍或傾斜車速變化，將應用圖1所示的PI模糊車速控制器。圖中，g0、g1、g2為信號增益，b(t)為積分器輸入。圖1模糊PI車速控制系統框圖由于車輛系統為一階常微分方程，因此可以用龍格庫塔方法進行閉環(huán)仿真試驗。實施以下不同參考輸入下的仿真分析：1)當0<t<10時，初始車速設定為18m/s；當10<t<30時，目標車速設定為22m/s2)當0<t<10時，初始車速設定為18m/s；當t>10，目標車速在25s內由18m/s至22m/s線性傾斜變化；當25<t<30時，目標車速保持22m/s。圖7測試輸入二響應曲線圖8測試輸入三響應曲線可以看出，所設計的模糊PD控制器各項指標達到預定設計要求。在測試輸入一響應曲線中，上升時間為9秒，在7至10秒的范圍內；超調量遠小于2%；穩(wěn)定時間成功控制在10秒以內。對于測試輸入二，穩(wěn)態(tài)誤差控制在1mps內。在測試輸入三仿真試驗中，上升時間符合7至10秒范圍，穩(wěn)態(tài)誤差小，性能優(yōu)良。總結與展望在車輛巡航控制系統中，為了保持恒定的車速，設計了一個基于模糊邏輯的控制器。通過仿真結果可以看出，當采用模糊邏輯控制方法聯合經典PID控制算法來設計汽車巡航控制系統時，系統的超調小，反應速度快，具有良好的魯棒性，可以達到預期控制效果?？刂破髟O計過程可總結為：控制對象建模；模糊控制器設計；計算機數值仿真試驗。參考文獻[1]PassinoKM,YurkovichS.FuzzyControl,1stedn,AddisionWesleyLongman,Colifornia,1997[2]WardD.Berlitzcompleteguidetocruisingandcruiseships2000.Princeton,NewJersey:BerlitzPublishingCompany,1999[3]IoannouPA,ChienCC.”AutonomousIntelligentCruiseControl,”IEEETrans.onVehicularTechnology,1993,42(4):657~672[4]MayrR.”Intelligentcruisecontrolforvehiclebasedonfeedbacklinearization”.Proc.ofAmericanControlConference,1994:16~20[5]MayrR,BauerO.”Safetyissuesinintelligentcruisecontrol”.Proc.Of1999IEEEIntelligentTransportationSystems,1999:970~975.附錄一文中仿真所用程序clear%VehicleParameterm=1300;Ar=0.3;tau=0.2;d=100;%Initialiazeparameterforthefuzzycontrollernume=11;numie=11;g1=1;g2=.01;g0=1000;we=0.2*(1/g1);wie=0.2*(1/g2);base=0.4*g0;ce=[-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81]*(1/g1);cie=[-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81]*(1/g2);rules=[-1-1-1-1-1-1-0.8-0.6-0.4-0.20;-1-1-1-1-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2;-1-1-1-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.4;-1-1-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.6;-1-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8;-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81;-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.811;-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8111;-0.4-0.200.20.40.60.81111;-0.200.20.40.60.811111;00.20.40.60.8111111]*g0;t=0;index=1;tstop=60;step=0.01;x=[18;197.2;20];whilet<=tstopv(index)=x(1);%Test1ift<=10,vd(index)=18;endift>10,vd(index)=22;end%Test2%ift<=10vd(index)=18;end%ift>10,vd(index)=vd(index-1)+(2/750);end%ift>25,vd(index)=22;end%Test3%vd(index)=22;ie_count=0;e_count=0;e(index)=vd(index)-v(index);b(index)=x(3);%%ife(index)<=ce(1)mfe=[10000000000];e_count=e_count+1;e_int=1;elseife(index)>=ce(nume)mfe=[00000000001];e_count=e_count+1;e_int=nume;elsefori=1:numeife(index)<=ce(i)mfe(i)=max([0,1+(e(index)-ce(i))/we]);ifmfe(i)~=0e_count=e_count+1;e_int=i;endelsemfe(i)=max([0,1+(ce(i)-e(index))/we]);ifmfe(i)~=0e_count=e_count+1;e_int=i;endendendend%%ifb(index)<=cie(1)mfie=[10000000000];ie_count=ie_count+1;ie_int=1;elseifb(index)>=cie(numie)mfie=[00000000001];ie_count=ie_count+1;ie_int=numie;elsefori=1:numieifb(index)<=cie(i)mfie(i)=max([0,1+(b(index)-cie(i))/wie]);ifmfie(i)~=0ie_count=ie_count+1;ie_int=i;endelsemfie(i)=max([0,1+(cie(i)-b(index))/wie]);ifmfie~=0ie_count=ie_count+1;ie_int=i;endendendend%%num=0;den=0;fork=(e_int-e_count+1):e_intforl=(ie_int-ie_count+1):ie_intprem=min([mfe(k)mfie(l)]);num=num+rules(k,l)*base*(prem-(prem)^2/2);den=den+base*(prem-(prem)^2/2);endendu(index)=num/den;time(index)=t;F=[(1/m)*(-Ar*x(1)^2-d+x(2));(1/tau)*(-x(2)+u(index));vd(index)-x(1)];k1=step*F;xnew=x+k1/2;F=[(1/m)*(-Ar*xnew(1)^2-d+xnew(2));(1/tau)*(-xnew(2)+u(