1、<p>　　基于PID的汽車定速巡航控制系統(tǒng)的研究</p><p>　　摘要：隨著汽車工業(yè)和公路運輸業(yè)的發(fā)展，汽車會越來越普及，人們將需要更加舒適、簡便和安全的交通工具。汽車巡航控制系統(tǒng)是一種輔助駕駛系統(tǒng)，它不但可以減輕駕駛員的負擔(dān)，還可以提高駕車的舒適性。汽車巡航控制系統(tǒng)具有非線性、時變不確定性，并受到外界擾動、復(fù)雜的運行工況等影響，采用傳統(tǒng)PID控制很難取得滿意的效果，本文介紹了一種基于模糊PID控

2、制算法的汽車巡航控制系統(tǒng)。</p><p>　　本文首先闡述了汽車巡航控制系統(tǒng)的歷史背景、在國內(nèi)外的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，并詳細介紹了巡航控制系統(tǒng)的構(gòu)成。通過對一種采用閉環(huán)控制的巡航控制系統(tǒng)進行分析，闡述了巡航控制系統(tǒng)的控制原理。</p><p>　　然后，本文對汽巡航控制系統(tǒng)進行了簡要的分析，將模糊PID控制方法作為其控制方案，并設(shè)計出系統(tǒng)的模糊控制器。以轎車為對象，分析了汽車在行駛

3、過程中的驅(qū)動力及受到的各種阻力和干擾力，并建立起汽車縱向動力學(xué)模型。利用MATLAB建立了系統(tǒng)的仿真模型，并對汽車巡航控制系統(tǒng)進行了仿真和分析。由仿真結(jié)果可知，模糊PID控制方法能使系統(tǒng)相應(yīng)的超調(diào)減小、反應(yīng)速度加快、控制效果良好，是一種適用于汽車巡航控制系統(tǒng)的控制方法。</p><p>　　論文的內(nèi)容是基于傳統(tǒng)的汽車巡航控制系統(tǒng)，對現(xiàn)有的PID控制進行完善和優(yōu)化。發(fā)揮模糊控制的優(yōu)勢對現(xiàn)有的汽車巡航控制系統(tǒng)進行改進

4、，令控制過程具有一定的智能水平。有助于提高巡航控制的效果，減少車速變化，最大限度節(jié)省燃料，降低排氣污染，提高發(fā)動機的使用效率，改善汽車動力性和乘坐舒適性。最后利用MATLAB軟件中的模糊邏輯工具箱對系統(tǒng)的設(shè)計進行仿真，驗證系統(tǒng)設(shè)計的可行性，觀察模糊控制的效果，并對部分基礎(chǔ)電路進行設(shè)計。通過仿真結(jié)果分析得出平均巡航響應(yīng)時間加快了15.9秒，響應(yīng)超調(diào)量平均減小了15.02%。有助于模糊控制在汽車巡航系統(tǒng)中應(yīng)用的普及。</p>

5、<p>　　關(guān)鍵詞: 巡航控制系統(tǒng); MATLAB; 模糊PID; 仿真</p><p>　　Research on Automobile Cruise Control System</p><p>　　Based on DSP</p><p>　　Abstract：With the development of automobile industry

6、 and carrying trade，automobile will be more and more widespread．More comfortable，more convenient and safer vehicle will be needed．Automobile cruise control system，which not only could relieve the drivers’ burden but also

7、 could make the driving comfortable，is a kind of accessorial driving system．Cruise control system has high nonlinearity and non-determinacy with time changing．And CCS，which is effected by some factors such as external l

8、oad dist</p><p>　　First，the background of cruise control system and its status and developing trend is expatiated on in the dissertation．The composing of CCS is also introduced in detail．The principium of CC

9、S is described by analyzing a kind of closed loop system．</p><p>　　After analyzing the cruise control system briefly, Fuzzy-PID is confirmed as the control method of the system．Then the Fuzzy PID controller

10、is designed．As the object is a car, the thesis analyzes the resistances and disturbs while the car’s running．And the automobile dynamics model is given．After setting up the model by means of MATLAB，the result is analyzed

11、．From the result，we may know that Fuzzy PID control could make the overshoot smaller and the response time shorter．The effect of Fuzzy PID </p><p>　　Paper is based on the traditional automobile cruise contr

12、ol system, improved and optimized the PID control. Play to the advantages of fuzzy control to improve the existing vehicle cruise control system, so that the control process has some intelligence. Cruise control will hel

13、p to improve the effectiveness and reduce the speed of change, the maximum fuel savings and reduce exhaust pollution, improve engine efficiency, improved vehicle power and comfort. Finally, use the Fuzzy Logic Toolbox in

14、 MA</p><p>　　Keywords: cruise control system ; MATLAB ; Fuzzy PID; simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p><b>　　1

15、.1 引言1</b></p><p>　　1.2 汽車巡航控制系統(tǒng)的歷史背景和研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1巡航控制系統(tǒng)的歷史背景1</p><p>　　l.2.2巡航控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢3</p><p>　　1.4 課

16、題來源及主要研究內(nèi)容4</p><p>　　2 巡航控制系統(tǒng)的組成和工作原理4</p><p>　　2.1 巡航控制系統(tǒng)簡介4</p><p>　　2.2 汽車巡航控制系統(tǒng)的組成與工作原理6</p><p>　　2.2.1 CCS的組成部件7</p><p>　　2.2.3 CCS ECU8</p

17、><p>　　2.3 巡航控制原理9</p><p>　　3 巡航控制系統(tǒng)的建模仿真10</p><p>　　3.1 采用模糊控制的原因10</p><p>　　3.2 模糊控制的特點11</p><p>　　3.3 模糊控制對汽車巡航控制系統(tǒng)的積極作用12</p><p>　　3.4 模

18、糊控制器的設(shè)計13</p><p>　　3.4.1 定義輸入語言變量13</p><p>　　3.4.2 定義輸出語言變量14</p><p>　　3.4.3 提出模糊控制規(guī)則14</p><p>　　3.4.4 規(guī)則表的建立16</p><p>　　3.5 模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計17</p>

19、<p>　　3.6 模糊PID控制系統(tǒng)的軟件仿真20</p><p>　　3.6.1 MATLAB軟件簡介20</p><p>　　3.6.2 SIMULINK簡介21</p><p>　　3.6.3 模糊邏輯仿真工具箱簡介21</p><p>　　3.7 仿真模型的建立22</p><p>

20、　　3.7.1 汽車動力仿真模型的建立22</p><p>　　3.7.2 PID控制器仿真模型的建立23</p><p>　　3.7.3 利用模糊邏輯工具箱建立模糊控制器24</p><p>　　3.7.4 仿真結(jié)果分析30</p><p><b>　　結(jié) 論33</b></p><p&

21、gt;<b>　　參考文獻35</b></p><p>　　謝 詞錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　隨著汽車工業(yè)和公路運輸業(yè)的發(fā)展，汽車將走進千家萬戶，駕駛?cè)藛T非職業(yè)化

22、的特點將突出，車輛駕駛的自動化己成為汽車發(fā)展的主要趨勢。跨入二十一世紀，人們需要更加舒適、簡便和安全的交通工具，以適應(yīng)快捷的生活節(jié)奏，因此對汽車的智能化要求更加迫切，隨著計算機和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性價比不斷提高，為汽車的自動化提供了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)，汽車實現(xiàn)智能化已不是夢想。車輛自動變速器及其控制技術(shù)是智能汽車非常重要的內(nèi)容。是汽車輔助駕駛系統(tǒng)和自動駕駛系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是目前我國智能汽車發(fā)展必須解決的核心技術(shù)之一。</p>&

23、lt;p>　　此外，隨著我國高速公路網(wǎng)建設(shè)縱橫迅速延伸，自動巡航控制也具備了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景。科技的發(fā)展使相應(yīng)電子技術(shù)在汽車上應(yīng)用得越來越廣泛，汽車電子化程度越來越高，特別是微控制器進入汽車控制領(lǐng)域后，給汽車發(fā)展帶來了劃時代的變化，汽車的動力性、操作穩(wěn)定性、安全性、燃油經(jīng)濟性、對環(huán)境的友好性都得到了大幅提升。在大陸型國家，駕駛汽車長途行駛的機會較多，而且在高速公路上行駛時變換車速的頻率及范圍都較少，能以較穩(wěn)定的車速行駛。<

24、;/p><p>　　汽車巡航控制系統(tǒng)CCS(Cruise Control System)是汽車電子技術(shù)新裝置之一，它實際上就是一種輔助駕駛系統(tǒng)。采用汽車巡航控制系統(tǒng)后，當(dāng)車輛在高速公路上長時間行車時，駕駛員就不用再去控制油門踏板，這減輕了駕駛員的負擔(dān)，從而減少或避免了交通事故的發(fā)生；同時減少了不必要的車速變化，使汽車的燃料供給與發(fā)動機之間處于最佳的配合狀態(tài)，可以最大限度地節(jié)省燃料，降低排氣污染，提高發(fā)動機的使用效率。

25、采用汽車巡航控制系統(tǒng)是提高汽車的動力性能和乘坐的舒適性的主要方法之一。本文主要采用節(jié)氣門的方法來研究汽車的定速巡航控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.2 汽車巡航控制系統(tǒng)的歷史背景和研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 巡航控制系統(tǒng)的歷史背景</p><p>　　汽車巡航控制系統(tǒng)發(fā)展至今已有四十多年的歷史，它經(jīng)歷了機械控制系統(tǒng)、晶體管控制系統(tǒng)、模擬集成電路控制系

26、統(tǒng)和微機控制系統(tǒng)等幾個過程。</p><p>　　與模擬技術(shù)相比，數(shù)字系統(tǒng)的突出特點是系統(tǒng)的信號量以數(shù)字表示，受工作溫度和濕度的影響較小，因此數(shù)字控制具有更高的穩(wěn)定性。汽車巡航電子控制器采用先進的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路技術(shù)做成專用模塊，也可在微機上編程實現(xiàn)。當(dāng)汽車上其它系統(tǒng)已有微機控制時，只要修改一下程序便可將此功能附加上去，因而可節(jié)省昂貴的系統(tǒng)硬件開支。</p><p>　　l.2.2

27、 巡航控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　目前國外很多專家都在研究自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(ACC：Adaptive Cruise System),也稱智能巡航控制系統(tǒng)(ICC：Intelligent Cruise Control System)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)屬主動安全技術(shù)，它是傳統(tǒng)的速度巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展和改進。這種巡航控制系統(tǒng)主要由探測器/傳感器、控制器、執(zhí)行機構(gòu)、人機接口、失效保險裝墨五個

28、子系統(tǒng)組成，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1.2所示 </p><p>　　圖1-1 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　它將汽車自動巡航控制系統(tǒng)和車輛前向撞擊報警系統(tǒng)(FCWS：Forward Collision Warning System)有機地結(jié)合起來，既有自動巡

29、航功能，又有防止前向撞擊功能。當(dāng)?shù)缆非闆r良好時，該系統(tǒng)就是普通的巡航控制系統(tǒng)，可以按設(shè)定車速巡航行駛；當(dāng)另一輛車進入到裝置的自動測量范圍時，系統(tǒng)根據(jù)雷達傳感器探測到與前方車輛的相對距離和速度，控制車輛的油門和剎車，從而使本車與前方車輛保持一定的距離。如果前方車輛從測量范圍內(nèi)消失，ACC將自動恢復(fù)原來的車速。該系統(tǒng)可降低62％的追尾事故，采用該系統(tǒng)可有效地提高駕駛員的舒適性，減少因長時間駕駛帶來的疲勞的負擔(dān)。</p><

30、;p>　　基于自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，國外很多專家開始了一種半自主式巡航控制系統(tǒng)的研究。此種巡航控制系統(tǒng)能夠很快地應(yīng)用于公路上，同時能夠保持人工操縱和自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的共存。其研究的理論結(jié)果表明，此種控制具有更高的控制精度和更強的控制魯棒性。綜合利用仿真、分析和實驗結(jié)果對人工駕駛和具有自適應(yīng)控制系統(tǒng)的汽車進行了比較，從而得到的數(shù)據(jù)和信息可以知道，具有巡航控制系統(tǒng)的汽車能對駕駛員提供重要的輔助作用，對行駛安全性提供了一種主動安全技術(shù)。

31、</p><p>　　目前我國的自動巡航控制裝置仍處于研制階段，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品還未見報道。由于國內(nèi)汽車研究起步較晚，技術(shù)相對落后，并且就目前我國公路狀況和實際應(yīng)用來說，對汽車巡航控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用主要是以單車定速控制為主。目前，模擬汽車定速控制器在我國已經(jīng)投入生產(chǎn)和使用。該系統(tǒng)是一種機電式汽車巡航控制系統(tǒng)，由于其自動對發(fā)動機的油門進行控制，使發(fā)動機自動變速，能節(jié)省燃油5％以上，并使駕駛員在駕駛時不用踩油門

32、，減輕了駕駛員的駕駛疲勞度。然而該機電式巡航控制裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單，卻有控制精度不高，穩(wěn)定性不強等特點。本文章設(shè)計的是局部自動的定速巡航控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.3 巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢</p><p>　　自20世紀70年代起，各大汽車廠家都爭相研制汽車巡航控制系統(tǒng)并將其裝在較高級的轎車上。到了20世紀80年代中末期，由于微處理器在汽車上的廣泛應(yīng)用和高速公路建設(shè)的迅速發(fā)展，使得

33、它更加完善。從上世紀末起，包括目前展出的21世紀汽車，該系統(tǒng)真可謂日臻完善，系統(tǒng)電路集成化水平提高，控制模塊體積精巧，多路傳輸系統(tǒng)日漸成熟，自檢系統(tǒng)更準確有效。</p><p>　　總的來說，汽車巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展主要以下面幾個方向為主：</p><p>　　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)動機輸出的變化因素等影響。駕駛者需要更平順的駕駛感覺和更自然的速度控制，以傳

34、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。</p><p>　　2．聯(lián)動控制、復(fù)合控制 目前，巡航控制裝置是獨立式的，要求在控制中提高靈敏感度、響應(yīng)性和精度。為此，需要發(fā)動機控制用計算機、變速控制用計算機進行聯(lián)動控制，使這些計算機形成一體化的復(fù)合控制。</p><p>　　3．小型化、智能化 計算機、執(zhí)行組件更趨小型化、一體化，并向智能型發(fā)展。&l

35、t;/p><p>　　4．追蹤行駛控制 現(xiàn)在巡航穩(wěn)定行駛裝置分別利用加速、減速、恢復(fù)車速、消除等開關(guān)自由控制車速，但往往在道路交通混雜的情況下，當(dāng)車輛接近時不便于進行減速，而車輛拉開距離時又不便于加速。為了解決這一問題，向前方車輛發(fā)射毫米波(30～300GSz)，利用雷達測定與前方車輛之間的距離，并隔開一定的距離追蹤行駛。車載雷達不僅可以利用毫米波雷達，而且還可以利用激光。目前，已對此提出方案，即目前國外很多專家在

36、研究的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。</p><p>　　5．走?？刂?現(xiàn)在對巡航控制系統(tǒng)的研制和開發(fā)主要針對的是在高速公路上高速行駛的車輛，而不適用于在城市中低速、高車流密度情況下使用，走?？刂普窍到y(tǒng)針對車速低、車距近的行駛情況所做的功能擴展，這要求巡航控制系統(tǒng)不但具有更好的近距離探測能力，更快的信號處理功能和更迅速的系統(tǒng)反應(yīng)，同時還向系統(tǒng)提出了增加車輛自動起步的功能。這樣即使在堵車的情況下也無須駕駛員參與，只需操

37、縱車輛的轉(zhuǎn)向即可。駕駛員可以完全從繁瑣的駕駛操作中解放出來。</p><p>　　1.4 課題來源及主要研究內(nèi)容</p><p>　　盡管世界上對汽車巡航控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已有幾十年的歷史，也取得了很多研究成果，但是巡航控制系統(tǒng)是一個控制難度較大的系統(tǒng)。要取得更好的控制效果，使裝有巡航控制系統(tǒng)車輛具有更好的性能，還需要對其控制方法和技術(shù)進行深入地研究。鑒于目前國內(nèi)汽車巡航控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)

38、狀，本課題的主要研究內(nèi)容是：</p><p>　　1．研究并掌握汽車巡航控制系統(tǒng)的原理，對其可行性和必要性進行分析，并對巡航控制系統(tǒng)進行總體設(shè)計。</p><p>　　2．根據(jù)巡航控制系統(tǒng)的功能和原理，確定汽車巡航控制方案。建立出汽車動力仿真模型，進行系統(tǒng)仿真并對仿真結(jié)果進行分析。</p><p>　　3．設(shè)計出汽車巡航控制系統(tǒng)的硬件電路，并根據(jù)系統(tǒng)的實際運行情況、

39、系統(tǒng)的控制方法及硬件等條件設(shè)計出系統(tǒng)的軟件。</p><p>　　4．搭建巡航控制系統(tǒng)實驗平臺，在所設(shè)計軟件和硬件的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行調(diào)試，并對實驗結(jié)果進行分析。從而通過實驗驗證系統(tǒng)的合理性、可靠性和實用性等。</p><p>　　2 巡航控制系統(tǒng)的組成和工作原理</p><p>　　2.1 巡航控制系統(tǒng)簡介</p><p>　　汽車巡航控制

40、系統(tǒng)，根據(jù)其特點又被稱為巡航行駛裝置、速度控制(Speed Contr01)系統(tǒng)、自動駕駛(Auto-Drive)系統(tǒng)等。目前，汽車巡航控制系統(tǒng)分為巡航控制和自適應(yīng)巡航控制兩大類，后者是前者功能的延伸和擴展。</p><p>　　汽車巡航控制系統(tǒng)是最早開發(fā)的汽車電子控制系統(tǒng)之一，其作用是：在按下駕駛員所要求的速度閉合開關(guān)之后，不用踩油門踏板就可以自動地保持車速，使車輛以固定的速度行駛。在汽車行駛的過程中，駕駛員只

41、要把住方向盤就可以了。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，車輛自動變換油門開度或自動進行擋位轉(zhuǎn)換，以按存儲在微機內(nèi)的最佳燃料經(jīng)濟性規(guī)律或動力性規(guī)律穩(wěn)定行駛。</p><p>　　巡航控制系統(tǒng)在飛機上的應(yīng)用顯示出了其無可比擬的的優(yōu)點。上個世紀50年代末開始在汽車上應(yīng)用，并很快受到青睞。目前在美、日、德、法、意等汽車大國發(fā)展、普及很快，尤其是近幾年來世界各國高速公路的通車里程增多，擴大了

42、汽車巡航控制系統(tǒng)大顯身手的空間。汽車巡航控制系統(tǒng)在大陸型國家更具有使用價值。</p><p>　　汽車巡航控制系統(tǒng)一般設(shè)有如下功能： </p><p><b>　　基本功能：</b></p><p><b>　?。?)車速設(shè)定功能</b></p><p>　　當(dāng)車輛在高速公路上行駛時，如果路面質(zhì)量好

43、，沒有人流、分道行車，無逆向行車，適宜以較長時間穩(wěn)定運行時，駕駛員可通過巡航系統(tǒng)設(shè)定一個穩(wěn)定行駛的車速，使其不用控制節(jié)氣門和換擋，汽車就能一直以這一車速穩(wěn)定行駛。</p><p><b>　?。?)恢復(fù)功能</b></p><p>　　當(dāng)司機處理好情況后，根據(jù)路面車流情況在判斷出又可穩(wěn)定運行后，可使汽車自動按著上一次設(shè)定的車速恒速行駛，駕駛員也可重新設(shè)定巡航車速。&l

44、t;/p><p><b>　　（3)取消功能</b></p><p>　　當(dāng)踩下制動踏板或者按下“取消"鍵時，則立即退出巡航狀態(tài)。但是，如果其行駛速度大于最小設(shè)定車速，則退出之前設(shè)置的速度繼續(xù)保存，供巡航控制系統(tǒng)隨時調(diào)用。</p><p>　　（4）加速、減速功能</p><p>　　車輛處于巡航行駛狀態(tài)時，可對設(shè)

45、定車速進行加速和減速的操作，從而改變其巡航車速。</p><p><b>　　故障保險功能：</b></p><p>　　1)低速自動消除功能</p><p>　　當(dāng)車速低于低速極限(一般為40km／h)時，巡航控制不起作用，存儲的車速消失，并不能再恢復(fù)此速度。</p><p>　　2)有關(guān)開關(guān)消除功能</p>

46、;<p>　　除了踩制動踏板有消除功能外，當(dāng)按住車制動開關(guān)、離合器控制開關(guān)或者變速器擋位開關(guān)時，巡航車輛都將自動地消除巡航控制功能。</p><p>　　綜合汽車巡航控制系統(tǒng)的功能和作用，其具有以下幾個優(yōu)點：</p><p>　　1)提高汽車行駛的穩(wěn)定性、安全性和舒適性</p><p>　　巡航控制系統(tǒng)保證了汽車無論是在上坡、下坡、平路上行駛，或是在風(fēng)

47、速變化的情況下行駛，只要在發(fā)動機功率允許的范圍內(nèi)，速度都可保持不變。特別是在郊外或者高速公路上行駛時，這種優(yōu)越性更為顯著。另外，當(dāng)汽車以定速行駛時，駕駛員只要掌握好方向盤，不用踩踏板和換擋就能使車輛定速穩(wěn)定運行，這減輕了司機的勞動強度，可使駕駛員精力集中以確保行車安全。</p><p>　　2)減少磨損，延長壽命</p><p>　　汽車穩(wěn)定定速行駛使其額外慣力減少，所以機件磨損減少，使車

48、輛的壽命增加，故障減少。</p><p>　　3)具有一定的經(jīng)濟性和環(huán)保性</p><p>　　在同樣的行駛條件下，對于一個有經(jīng)驗的司機來說，在使用巡航控制系統(tǒng)后可以節(jié)省15％左右的燃料。這是因為在使用了這一速度穩(wěn)定器后，可使汽車的燃料供給與發(fā)動機功率之間處于最佳的配合狀態(tài)，減少了CO、CH、NOx等有害氣體的排放，有利于環(huán)保。</p><p>　　2.2 汽車巡航

49、控制系統(tǒng)的組成與工作原理</p><p>　　CCS由信號輸入裝置、CCS ECU和執(zhí)行器等組成，如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 CCS的組成</p><p>　　2.2.1 CCS的組成部件</p><p><b>　?。?）操作開關(guān)</b></p><p>　　操作開關(guān)用于設(shè)

50、置巡航車速或?qū)⑵渲匦略O(shè)置為另一車速，以及取消巡航控制等，包括主開關(guān)、控制開關(guān)和退出巡航開關(guān)。</p><p><b>　　(2) 主開關(guān)</b></p><p>　　主開關(guān)(MAIN)是CCS的電源開關(guān)，采用按鍵方式。每次推入，系統(tǒng)電源接通或關(guān)閉。</p><p><b>　　(3) 控制開關(guān)</b></p>

51、<p>　　手柄式控制開關(guān)有5種控制功能，即SET(設(shè)置)、COAST(減速)、RES(恢復(fù))、ACC(加速)和CANCEL(取消)。SET和COAST共享一個開關(guān)，RES和ACC共享另一個開關(guān)。</p><p>　　(4) 退出巡航開關(guān)</p><p>　　退出巡航開關(guān)包括取消開關(guān)、停車燈開關(guān)、駐車制動開關(guān)、離合器開關(guān)和空擋啟動開關(guān)。任一開關(guān)接通時，自動取消巡航控制。當(dāng)CCS

52、取消的瞬間的車速不低于40 km/h時，該車速存儲于CCS ECU中。當(dāng)RES接通時，自動恢復(fù)最后存儲的車速。</p><p>　　(5) 駐車制動開關(guān)。當(dāng)拉起駐車制動操縱桿時，駐車制動開關(guān)接通，將取消信號傳至CCS ECU。同時駐車制動指示燈亮。</p><p>　　(6) 空擋啟動開關(guān)。當(dāng)自動變速器換擋桿設(shè)置在P擋或N擋時，空擋啟動開關(guān)接通，將取消信號傳至CCS ECU。</p&

53、gt;<p>　　(7) 離合器開關(guān)。當(dāng)踩下離合器踏板時，離合器開關(guān)接通，將取消信號傳至CCS ECU。</p><p>　　(8) 停車燈開關(guān)。由兩個開關(guān)組成。踩下制動踏板時，兩個開關(guān)同時工作。開關(guān)A閉合，電流經(jīng)其流過停車燈開關(guān)，使停車燈亮。同時，蓄電池電壓經(jīng)過停車燈開關(guān)施加在CCS ECU上，使其判斷制動器處于工作狀態(tài)，ECU取消CCS工作，開關(guān)B斷開，執(zhí)行器得不到CCS ECU的信號，停止工作

54、。2.2.2 傳感器</p><p><b>　　(1) VSS</b></p><p>　　VSS提供一個與汽車實際車速成比例的交變振蕩脈沖信號，CCS ECU將此信號進行處理，計算得出當(dāng)前車速。</p><p><b>　　(2) TPS</b></p><p>　　TPS對CCS ECU提供一

55、個與節(jié)氣門位置成正比的電信號。</p><p>　　(3) 節(jié)氣門控制搖臂傳感器</p><p>　　節(jié)氣門控制搖臂傳感器對CCS ECU提供節(jié)氣門控制搖臂位置信號，目前采用較多的是滑線電位計式，當(dāng)節(jié)氣門控制搖臂轉(zhuǎn)動時，電位計隨之轉(zhuǎn)動，便輸出一個與控制搖臂位置成正比例且連續(xù)變化的電信號。</p><p>　　2.2.3 CCS ECU</p><

56、p>　　CCS ECU由處理器芯片、A/D、D/A、IC及輸出重置驅(qū)動和保護電路等模塊組成，ECU接收來自車速傳感器和各種開關(guān)的信號，按照存儲的程序進行處理，當(dāng)車速偏離設(shè)定的巡航車速時，對執(zhí)行器發(fā)出控制信號，控制執(zhí)行器工作，使實際車速與設(shè)定車速相一致。CCS ECU的組成如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 CCS ECU組成框圖</p><p>　　2.3 巡航控制原理&

57、lt;/p><p>　　汽車巡航系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，其原理如圖2-3所示</p><p>　　圖2-3 汽車巡航控制原理圖</p><p>　　CCS ECU的信號有2個，一是駕駛員根據(jù)行駛條件，通過巡航開關(guān)設(shè)定的巡航車速信號；二是車速傳感器輸入的實際車速反饋信號。當(dāng)巡航設(shè)定車速信號和實際車速反饋信號輸入CCS ECU后，CCS ECU經(jīng)過比較運算可得速

58、度偏差變化E和偏差變化率EC，經(jīng)過處理后，再結(jié)合當(dāng)前節(jié)氣門的開度信號，可得到控制節(jié)氣門開度大小的控制信號，CCS ECU將控制指令發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)就可驅(qū)動節(jié)氣門拉索調(diào)節(jié)發(fā)動機節(jié)氣門開度的大小，將實際車速迅速調(diào)節(jié)到駕駛員設(shè)定的車速值，從而實現(xiàn)恒速控制。</p><p>　　3 巡航控制系統(tǒng)的建模仿真</p><p>　　3.1 采用模糊控制的原因</p><p&g

59、t;　　模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，它是智能控制的一個重要分支。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前研究的控制系統(tǒng)更多地涉及多變量、非線性、時變的大系統(tǒng)，建立數(shù)學(xué)模型是非常困難的，或者是根本不可能的，系統(tǒng)的復(fù)雜性與控制系統(tǒng)的精確性形成了尖銳的矛盾。人們注意到對于很多復(fù)雜的、多因素影響的生產(chǎn)過程，即使不知道該過程的數(shù)學(xué)模型，有經(jīng)驗的操作人員也能

60、夠根據(jù)長期的實踐觀察和操作經(jīng)驗進行有效的控制，而采用傳統(tǒng)的自動控制方法效果并不理想。人的經(jīng)驗參與控制過程的成功，激發(fā)了人們對控制原理的深入研究。</p><p>　　1965年美國加利福尼亞大學(xué)的自動控制教授L.A.Zadeh首次提出“模糊集合”的概念，使人的經(jīng)驗參與控制過程成為可能。1973年L.A.Zadeh進一步研究了模糊語言處理，給出了模糊推理的理論基礎(chǔ)。不少車輛，特別是中高級轎車已經(jīng)把巡航控制系統(tǒng)作為配

61、屬設(shè)備或被選設(shè)備。例如：日本的皇冠(CRWON)、凌志(LEXUS)、佳美(CAMN)、陸地巡洋艦、美國的紐約人(NEW YORKER)、別克(BUICK)、凱迪拉克(CADILLAC)、福特天((TEMPO)、德國的奔馳(BENZ)、寶馬(BMW)以及我國的紅旗轎車等均裝有巡航控制系統(tǒng)。</p><p>　　由于國內(nèi)汽車工業(yè)起步較晚，技術(shù)相對落后，并且就目前我國公路狀況和實際應(yīng)用來說，對汽車巡航控制系統(tǒng)的研究應(yīng)

62、該主要是以單車定速控制為主。目前，模擬汽車恒速控制器在我國已經(jīng)投入生產(chǎn)和使用。例如，由江蘇省儀征式巡航設(shè)備廠生產(chǎn)的XD-I型汽車定速系統(tǒng)是一種機電式汽車巡航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用汽車發(fā)動機工作時產(chǎn)生的真空度做動力，通過系統(tǒng)簡單的機電結(jié)構(gòu)來穩(wěn)定發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，使其產(chǎn)生的真空度保持最小的變化。由于其自動對發(fā)動機的油門進行控制，使駕駛員在駕駛時不用踩油門，換檔減速時發(fā)動機自動變速，能節(jié)省燃油5%以上，減輕駕駛員駕駛疲勞度。然而該機電式巡航控制裝置雖

63、然結(jié)構(gòu)簡單，卻有控制精度不高，穩(wěn)定性不強等缺點。</p><p>　　國內(nèi)也開始了對電子式巡航控制裝置的研究。例如，北京理工大學(xué)應(yīng)用PID控制對汽車巡航控制進行了細致的研究，結(jié)果表明，由于車速變化的非線性，此種控制方法難以滿足不同車速時的控制要求。由清華大學(xué)王俊敏等人研制的汽車數(shù)字式巡航控制系統(tǒng)，采用了變參數(shù)的比例一積分(PI)控制算法，可根據(jù)系統(tǒng)識別的汽車行駛狀況和目標車速與實際車速之間的偏差大小，通過查表來調(diào)

64、整控制參數(shù)。這一控制方法的缺點是：每一組特定的PID參數(shù)都是對應(yīng)于某一段范圍內(nèi)的特征車速，因此對于不斷變化的車速來說，其控制特性仍然不很理想。</p><p>　　國內(nèi)也有人將模糊控制算法應(yīng)用于巡航控制系統(tǒng)，其前提是認為司機對汽車的控制，從本質(zhì)上來說是一個模糊控制的過程。駕駛員駕駛汽車時，根據(jù)目標車速與實際車速之間的偏差及路面情況，利用自己的經(jīng)驗，決定加速踏板的變動量，從而使汽車車速趨近于目標車速。模仿這一過程的

65、模糊控制原理圖，用于汽車巡航控制的模糊控制器的輸入量一般可選擇設(shè)定車速和實際車速的偏差以及偏差的變化率。</p><p>　　模糊控制不依賴系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，因而對系統(tǒng)的參數(shù)變化不太敏感，具有很強的魯棒性。其不足之處是模糊控制規(guī)則的獲取和模糊隸屬函數(shù)形狀的確定是一項費力的工作。且系統(tǒng)一旦確定，其規(guī)則和隸屬函數(shù)就確定了，不能隨外界和車輛參數(shù)變化進行調(diào)整。在新的控制理論的支持下，模糊控制受到了人們普遍的重視，發(fā)展迅

66、速。這樣的控制系統(tǒng)避免了那種精密、反復(fù)、有錯誤傾向的模型建造過程，又避免了精密地估計模型方程中各參數(shù)的過程。</p><p>　　3.2 模糊控制的特點</p><p>　　(1)模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。 &l

67、t;/p><p>　　(2)由工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。 </p><p>　　(3)基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計方法，由于出發(fā)點和性能指標的不同，容易導(dǎo)致較大差異；但一個系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。 &l

68、t;/p><p>　　(4)模糊控制是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。 </p><p>　　(5)模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。</p><p>　?。?）本文主要采用模糊PID控制，模糊PID控制是根據(jù)

69、PID控制器的三個參數(shù)與偏差e和偏差的變化ec之間的模糊關(guān)系，在運行時不斷檢測e及ec，通過事先確定的關(guān)系，利用模糊推理的方法，在線修改PID控制器的三個參數(shù)，讓PID參數(shù)可自整定。就我的理解而言，它最終還是一個PID控制器，但是因為參數(shù)可自動調(diào)整的緣故，所以也能解決不少一般的非線性問題，但是假如系統(tǒng)的非線性、不確定性很嚴重時，那模糊PID的控制效果就會不理想啦。而且模糊PID控制的規(guī)則還是較復(fù)雜的，隸屬度函數(shù)的選定也得靠經(jīng)驗。優(yōu)點就是

70、可以自動調(diào)整PID的參數(shù)，對于一般的不確定系統(tǒng)，可以使用。</p><p>　　3.3 模糊控制對汽車巡航控制系統(tǒng)的積極作用</p><p>　　汽車的巡航控制系統(tǒng)本身就是一個多變量、非線性、時變的系統(tǒng)，而且受到車輛行駛時各種復(fù)雜情況的影響，傳統(tǒng)的控制方法不能適應(yīng)復(fù)雜的變化。駕駛員對車速的控制就是一個典型的模糊控制過程，模糊控制可以在一定程度上滿足巡航控制的特性，從而得到更好的恒速控制效果

71、。</p><p>　　模糊控制一直被認為是解決復(fù)雜非線性系統(tǒng)建模和控制問題的一種行之有效的方法?；诓煌哪：Ｐ脱芯糠蔷€性系統(tǒng)的穩(wěn)定性與控制器設(shè)計一直是模糊控制領(lǐng)域所關(guān)注的問題之一。特別地,由于模糊系統(tǒng)具有萬能逼近特性,不確定非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊控制已經(jīng)成為國際自動控制領(lǐng)域近年來一個活躍的研究方向。隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,利用模糊控制的優(yōu)點解決過去用常規(guī)方法難于解決的問題具有重要的理論意義。本文利用模糊邏輯系統(tǒng)

72、,建立了汽車定速巡航控制系統(tǒng)的模型,從而對難以建立精確數(shù)學(xué)模型的不確定非線性系統(tǒng)提供了新的系統(tǒng)分析與設(shè)計方法。本文主要工作如下:針對一類不確定非線性純反饋單輸入單輸出系統(tǒng),提出一種自適應(yīng)模糊控制方法。與已有的方法相比較,這個方法的主要優(yōu)點一是只用一個模糊系統(tǒng)去逼近系統(tǒng)的未知函數(shù),二是改善了閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性?；贚yapunov穩(wěn)定性分析方法,提出的方法保證了閉環(huán)系統(tǒng)所有信號是一致有界的并且跟蹤誤差估計值收斂到一個小的零鄰域內(nèi)。仿真結(jié)果表

73、明了該算法的有效性和可行性。具有未知互連函數(shù)的非線性多輸入多輸出系統(tǒng)是一類復(fù)雜的系統(tǒng)。由于互連函數(shù)存在于每一個子系統(tǒng)的每一個方程中并且輸入增益系數(shù)是未知的非線性函數(shù),這</p><p>　　3.4 模糊控制器的設(shè)計</p><p>　　3.4.1 定義輸入語言變量</p><p>　　將巡航控制系統(tǒng)的速度誤差絕對值|E|和速度誤差變化率絕對值|EC|作為模糊控制器的

74、輸入語言變量。</p><p>　　它們的變化范圍定義為模糊集上的域論：</p><p>　　|E|={0，1，2，3，4，5}</p><p>　　|EC|={0，1，2，3，4，5}</p><p><b>　　它們的模糊子集為：</b></p><p>　　|E|={零(Z)，小(S)，中(

75、M)，大(B)}</p><p>　　|EC|={零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)}</p><p>　　其隸屬函數(shù)如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 輸入語言變量隸屬函數(shù)</p><p>　　3.4.2 定義輸出語言變量</p><p>　　定義3個輸出語言變量：</p><p&

76、gt;　　(1) Kp′比例系數(shù)修正參數(shù)</p><p>　　(2) Ti′ 積分系數(shù)修正參數(shù)</p><p>　　(3) Td′微分系數(shù)修正參數(shù)</p><p>　　并分別定義它們的模糊子集為：</p><p>　　Kp′={零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)}</p><p>　　Ti′ ={零(Z)，小(S)

77、，中(M)，大(B)}</p><p>　　Td′={零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)}</p><p>　　其隸屬函數(shù)如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 輸出語言變量隸屬函數(shù)</p><p>　　3.4.3 提出模糊控制規(guī)則</p><p>　　常用的模糊控制規(guī)則生成方法有：</p>

78、<p>　　(1)根據(jù)專家經(jīng)驗或過程控制知識生成控制規(guī)則</p><p>　　模糊控制規(guī)則是基于手動控制策略而建立的，而手動控制策略又是人們通過學(xué)習(xí)、試驗以及長期經(jīng)驗積累而形成的。手動控制過程一般是通過被控對象或過程的觀測，操作者再根據(jù)已有的經(jīng)驗和技術(shù)知識，進行綜合分析并做出控制決策，調(diào)整加到被控對象的控制作用，從而使系統(tǒng)達到預(yù)期目標。</p><p>　　(2)根據(jù)過程模糊模型

79、生成控制規(guī)則</p><p>　　如果用語言去描述被控過程的動態(tài)特性，那么這種語言描述可以看作為過程的模糊模型。根據(jù)模糊模型，可以得到模糊控制規(guī)則集。</p><p>　　(3)根據(jù)對手工操作的系統(tǒng)觀察和測量生成控制規(guī)則</p><p>　　在實際生產(chǎn)中，操作人員可以很好地操作控制系統(tǒng)，但有時卻難以給出用于模糊控制所用的控制語句。為此，可通過對系統(tǒng)的輸入、輸出進行多

80、次測量，再根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)去生成模糊控制規(guī)則。推理是模糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。</p><p>　　從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面考慮提出以下三條控制規(guī)則：</p><p>　　(1) 當(dāng)|E|較大時，系統(tǒng)響應(yīng)具有較快的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp；為防止出現(xiàn)較大的超調(diào)，避免開始時|E|的瞬間變大

81、可能引起的微分過飽和，則應(yīng)取較大的Ti和較小的Td；</p><p>　　(2) 當(dāng)|E|和|EC|處于中等大時，為了使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取較小的Kp；為了避免對動態(tài)穩(wěn)定性造成影響，應(yīng)取適中的Ti；由于此時的調(diào)節(jié)特性對Td 的變化敏感，因此Td 應(yīng)取得大一些；</p><p>　　(3) 當(dāng)|E|較小時，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)對擾動的抑制能力，應(yīng)增大Kp

82、，減小Ti和Td。</p><p>　　對實際的汽車巡航控制系統(tǒng)來說，誤差為零時容易產(chǎn)生游車，使駕駛員感到不適。從而車速誤差不能為零，而要將其保持在一定的誤差范圍內(nèi)。所以在設(shè)計汽車巡航控制系統(tǒng)的模糊規(guī)則時就要考慮到：當(dāng)車速誤差較小時，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。</p><p>　　3.4.4 規(guī)則表的建立</p><p>　　在

83、實際的控制系統(tǒng)中， 在控制過程的各階段， 對誤差和誤差變化又不同的要求。在控制過程的初始階段， 系統(tǒng)的誤差往往較大，控制系統(tǒng)的目的是消除誤差， 這時就要求誤差值在控制規(guī)則中的加權(quán)系數(shù)應(yīng)大一些； 反之當(dāng)控制過程趨向穩(wěn)定階段，系統(tǒng)誤差已經(jīng)很小，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是減小超調(diào)量,使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。為此， 本文引入了具有多個調(diào)整因子的模糊控制器，對每一個誤差等級各引入一個調(diào)整因子.</p><p>　　自此模糊控制器有兩個輸

84、入語言變量|E|和|EC|，三個輸出語言變量Kp′、Ti′和Td′，歸納出的模糊控制規(guī)則如表3-1、表3-2、表3-3所示。</p><p>　　表3-1 Kp′ 的規(guī)則表</p><p>　　表3-2 Ti′的規(guī)則表</p><p>　　表3-3 Td′的規(guī)則</p><p>　　將隸屬函數(shù)與參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則輸入MATLAB的模糊邏輯工具箱中

85、，完成模糊控制器的設(shè)計，可得到PID參數(shù)的模糊矩陣表。系統(tǒng)在線運行時，控制系統(tǒng)通過對模糊規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算，完成對PID參數(shù)的修正。</p><p>　　3.5 模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　PID的概述</b></p><p>　　PID的發(fā)展過程，很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自適應(yīng)方法的研究過程。自zi

86、egler和Nichols提出PID參數(shù)整定方法起，有許多技術(shù)已經(jīng)被用于PID控制器的手動和自動整定。PID控制是迄今為止最通用的控制方法。大多數(shù)反饋控制用該方法或其較小的變形來控制。PID調(diào)節(jié)器及其改進型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器(至今在全世界過程控制中用的84%仍是純 PID 調(diào)節(jié)器，若改進型包含在內(nèi)則超過90%)。</p><p>　　PID控制的優(yōu)點與缺點： </p><p>

87、;　　(1)PID控制具有適應(yīng)性強的特點，適應(yīng)各種控制對象，參數(shù)的整定是PID控制的一個關(guān)鍵問題；</p><p>　　(2)只要參數(shù)整定合適，對大多數(shù)被控對象可以實現(xiàn)無差控制，穩(wěn)態(tài)性能好，但動態(tài)特性不太理想；</p><p>　　(3)PID控制不具有自適應(yīng)控制能力，對于時變、非線性系統(tǒng)控制效果不佳。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，控制性能會產(chǎn)生較大的變化，控制特性可能變壞，嚴重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不

88、穩(wěn)定。</p><p>　　雖然PID控制具有一些不理想的方面，但由于其具有十分明顯的優(yōu)點，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域一直占據(jù)了主導(dǎo)地位，而且全世界的控制技術(shù)研究和應(yīng)用人員對PID控制進行了大量的研究，努力改善PID控制的性能。圍繞PID控制，并與多種其它控制技術(shù)結(jié)合，形成了多種PID控制技術(shù)，以下是一些PID控制技術(shù)的發(fā)展和研究方向：</p><p>　?。?）專家PID控制：專家控制(Expe

89、rt Control )的實質(zhì)是基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，并以智能的方式利用這些知識來設(shè)計控制器。利用專家經(jīng)驗來設(shè)計PID參數(shù)便構(gòu)成專家PID控制；</p><p>　?。?）模糊PID控制：模糊控制技術(shù)與PID控制結(jié)合構(gòu)成模糊PID控制；</p><p>　　（3）神經(jīng)PID控制：運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對PID控制參數(shù)進行整定，構(gòu)成神經(jīng)PID控制；</p><p&g

90、t;　?。?）遺傳PID控制：用遺傳算法對PID控制參數(shù)進行整定和優(yōu)化，構(gòu)成遺傳PID控制；</p><p>　　（5）灰色PID控制：灰色系統(tǒng)理論與PID控制結(jié)合進行系統(tǒng)控制構(gòu)成PID控制。</p><p>　　以上多種PID控制方法，是PID控制與現(xiàn)代控制技術(shù)的結(jié)合，主要是在PID參數(shù)動態(tài)整定上進行了大量研究，在保持PID控制基本原理的基礎(chǔ)上，改善了PID控制的性能，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域

91、繼續(xù)占據(jù)著主導(dǎo)地位。</p><p>　　PID控制的基本理論</p><p>　　PID控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。它是最廣泛應(yīng)用的一種控制器。PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示:</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中:u(t)一控制器的輸出</p>&l

92、t;p>　　e(t)一控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號。</p><p>　　Kp一控制器的比例系數(shù)。</p><p>　　Ti一控制器的積分時間。</p><p>　　Td一控制器的微分時間。</p><p>　　在PID控制器中，它的數(shù)學(xué)模型由比例、積分、微分三部分組成。這三部分別是: </p>

93、<p><b>　　(1)比例部分</b></p><p>　　比例部分數(shù)學(xué)式表示如下:</p><p>　?。?-2） </p><p>　　偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即有控制作用，使控制量朝著減小偏差的方向變化，控制作用強弱取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大，則過渡過程越短，控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)誤差也越??；但Kp越大，超調(diào)量也越大

94、，越容易產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致動態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。故而，比例系數(shù)Kp，選擇必須適當(dāng)，才能取得過渡時間少、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。</p><p><b>　　(2)積分部分</b></p><p>　　積分部分數(shù)學(xué)表達式表示如下：</p><p>　?。?-3） </p><p>

95、　　從積分部分的數(shù)學(xué)表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷地積累，輸出控制量以消除偏差?？梢?，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差?？墒欠e分作用具有滯后特性，積分控制作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分時間Ti對積分部分的作用影響極大。當(dāng)Ti較大時，則積分作用較弱，這時，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩。但是消除誤差所需時間較長。當(dāng)Ti較小時，則積分作用較強。這時系統(tǒng)過渡過程中有可

96、能產(chǎn)生振蕩，消除誤差所需的時間較短。</p><p><b>　　(3)微分部分</b></p><p>　　微分部分數(shù)學(xué)表達式表示如下: </p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　微分控制得出偏差的變化趨勢

97、，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分部分的作用強弱由微分時間Td決定。Td越大，則它抑制e(t)變化的作用越強，Td越小，它反抗e(t)變化的作用越弱。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。在計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，控制器是通過計算機PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。PID計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進入計算機的連續(xù)時間信號，必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，

98、方能進入計算機的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計算機中的計算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計算去逼近。在數(shù)字計算機中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使 PID 算法離散化，將描述連續(xù)時間 PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時間 PID 算法的差分方程，即為數(shù)字PID 位置型控制算式，</p><p>　　將速度誤差絕對值|E|和速度誤差變化率絕

99、對值|EC|加到模糊控制器的輸入端，模糊化過程將其轉(zhuǎn)化對應(yīng)論域上的模糊集合，根據(jù)模糊推理規(guī)則推導(dǎo)出模糊輸出量，最后經(jīng)過解模糊過程輸出精確的控制量Kp、Ti和Td，它們的值被歸一化到0~1之間。</p><p>　　在實際PID控制器的應(yīng)用中需要乘以適當(dāng)?shù)谋壤蜃覩p、Gi、Gd以得到真正的PID參數(shù)Kp、Ti、Td。</p><p>　　汽車巡航系統(tǒng)的模糊PID控制原理圖如圖3-3所示。&

100、lt;/p><p>　　圖3-3 模糊PID控制原理圖</p><p>　　3.6 模糊PID控制系統(tǒng)的軟件仿真</p><p>　　3.6.1 MATLAB軟件簡介</p><p>　　MATLAB是MATrix LABoratory的縮寫，1984年由美國MathWorks公司推向市場，由于MATLAB以矩陣作為基本編程單元，提供了各種矩陣的

101、運算與操作，因此早期主要用于現(xiàn)代控制中復(fù)雜的矩陣、向量的各種運算。并且MATLAB還有很強的繪圖功能，因此很多專家在自己擅長的領(lǐng)域用它編寫了許多專門的MATLAB工具包，如控制系統(tǒng)工具包；系統(tǒng)辨識工具包；信號處理工具包；魯棒控制工具包；最優(yōu)化工具包等等。</p><p>　　MATLAB歷經(jīng)十幾年的發(fā)展，現(xiàn)己集科學(xué)計算、圖像處理、聲音處理于一身，是一個高度集成的系統(tǒng)，成為國際公認的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件。該軟件具有

102、功能強大、界面友善、語言自然、開放性強等特點，使它獲得對應(yīng)用學(xué)科極強的適應(yīng)力，在線性代數(shù)、矩陣分析、數(shù)值計算及優(yōu)化、數(shù)理統(tǒng)計和隨機信號分析、信號和圖象處理、控制理論分析和系統(tǒng)設(shè)計、過程控制、建模和仿真、通信系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域的理論研究和過程設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　MATLAB系統(tǒng)的強大功能是由其核心內(nèi)容(語言系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境、圖形系統(tǒng)、數(shù)學(xué)函數(shù)庫、應(yīng)用程序接口等)和輔助工具箱(符號計算、圖象處理、優(yōu)化

103、、統(tǒng)計和控制等工具箱)兩大部分構(gòu)成。</p><p>　　3.6.2 SIMULINK簡介</p><p>　　建模仿真可視化功能SIMULINK是MATLAB五大通用功能之一，是基于MATLAB語言環(huán)境下用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，它可以處理的系統(tǒng)包括：線性和非線性系統(tǒng)；連續(xù)和離散時間模型，或者是兩者混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)；并且系統(tǒng)還可以是多采樣率的

104、，比如系統(tǒng)的不同部分擁有不用的采樣率，它的存在使MATLAB的功能得到進一步擴展。SIMULINK中存儲了大量系統(tǒng)模型，用戶只要在模型庫窗口上調(diào)出各個系統(tǒng)環(huán)節(jié)，并用連線連接起來，便可利用SIMULINK 提供的功能對系統(tǒng)進行仿真和分析。這種方框圖式的建模方法很容易將一個復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型輸入到計算機中，大大簡化了編程過程。</p><p>　　對于建模，SMULINK提供了一個圖形化的用戶界面(GUI)，只要進行

105、鼠標點擊和拖拉模塊的圖標就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型。它外表以方塊形式呈現(xiàn)，且采用分層結(jié)構(gòu)。從建模角度講，這既適合自上而下的設(shè)計流程(概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件)，又適合自下而上逆程設(shè)計。從分析研究角度講，這種SMULINK模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細節(jié)，而且能讓用戶清晰地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間地信息交換，掌握各部分之間地交互影響。</p><p>　　3.6.3 模糊邏輯仿真工具箱簡介&l

106、t;/p><p>　　MATLAB的模糊邏輯工具箱有5個基本工具箱用于建立、編輯和觀察模糊推理系統(tǒng)(FLS)，它們分別是：模糊推理系統(tǒng)編輯器、隸屬度函數(shù)編輯器、規(guī)則編輯器、規(guī)則觀察器和曲面觀察器。這些工具箱是動態(tài)鏈接的，修改其中任一個都將影響其它己打開的工具箱的顯示結(jié)果。</p><p>　　MAT L A B的模糊邏輯工具箱拓展了MATLAB對模糊邏輯系統(tǒng)的設(shè)計能力，己經(jīng)成為運用模糊手段解決

107、工程問題的重要工具。模糊邏輯工具箱使得工程設(shè)計人員可以采用多種途徑生成和編輯模糊推理系統(tǒng)，如手工、通過交互式圖形工具、通過命令行函數(shù)或基于模糊聚類或自適應(yīng)神經(jīng)模糊技術(shù)自動實現(xiàn)。</p><p>　　3.7 仿真模型的建立</p><p>　　3.7.1 汽車動力仿真模型的建立</p><p>　　依據(jù)牛頓第二運動定律，汽車的運動方程為：</p><

108、;p><b>　　(3–5)</b></p><p><b>　　式中： </b></p><p><b>　　：驅(qū)動力(N)；</b></p><p>　?。盒旭傋枇?N)，其公式為：</p><p><b>　　(3–6)</b><