对汽车控制系统建模与仿真.doc

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对汽车控制系统建模与仿真

摘要：

PID控制是生产过程中广泛使用的一种最基本的控制方法，本文分别采用用简单的比例控制法和用PID控制来控制车速，并用MATLAB对系统进行了动态仿真，具有一定的通用性和实用性。

关键词：

MATLAB仿真；比例控制；PID控制

1MATLAB和PID概述

MATLAB是matrix和laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。

是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

2车辆行驶过程车速的数学模型

对行驶在斜坡上的汽车的车速进行动态研究，可以分析车辆的性能，指导车辆的设计。

MATLAB软件下的SIMULILNK模块是功能强大的系统建模和动态仿真的软件，为车辆行驶过程车速控制分析提供了一种有效的手段。

汽车行驶如图7.4.1所示的斜坡上，通过受力分析可知在平行于斜面的方向上有三个力作用于汽车上：

发动机的力、空气阻力和重力沿斜面的分量下滑力。

图1

由牛顿第二定律，汽车在斜坡上行驶的运动方程为：

其中M代表汽车的质量，x为汽车的位移。

在实际系统中总会有上界和下界，上届为发动机的最大推力，下界为刹车时最大制动力。

空气阻力可以近似为：

汽车下滑力为：

。

由比例法来控制车速时有：

其中，为驱动力，为期望速度值，设为80，为反馈增益。

。

仿真时间为1000s.

采用PID控制来控制车速。

其中：

3仿真分析与计算

仿真模型的建立

在MATLAB的SIMULINK环境下，以图1为研究对象，建立斜坡行驶汽车的车速控制仿真模型如下图2、图3所示

图2比例控制法的仿真模型结构图

图3PID控制法的仿真模型结构图

3.2仿真计算的结果和曲线

利用仿真模型进行计算分析，计算得到该汽车在某斜坡路面上的车速随时间t的变化规律如图4所示：

a）比例控制法的汽车速度曲线

b）PID控制法的汽车速度曲线

图4仿真计算结果图

从以上的模拟曲线结果分析可知，汽车在斜坡路面行驶，采用比例控制法控制的汽车车速的变化过程中，在ts，汽车基本上以恒定加速度做加速运动，t=100s时，车速值为76.94；在，汽车加速度逐渐减少到，t=200s时，车速值为79.27，且车速基本上达到稳定；在t=1000s时，其速度值为79.31。

采用PID控制法，在，汽车基本上以恒定加速度加速行驶，t=120s时，汽车车速值为111.7；在，汽车做减速度逐渐减少的减速运动，t=350s时，车速值为80.2，车速基本上达到平稳；t=1000s时，速度值为79.91。

通过MATLAB软件的SIMULINK模块对汽车在斜坡上行驶车速建模仿真，我们可以知道在任何时刻汽车的车速的大小。

4结论

本文根据汽车在斜坡路面上行驶的特点，通过力学分析，建立相关的数学模型，采用MATLAB/SIMULINK仿真方法，分析了普通汽车在斜坡上行驶过程中车速随时间的变化规律。

比例控制法和PID控制法能对行驶在斜坡上的汽车车速进行有效的控制。

参考文献：

[1]舒进.四轮撞向车辆运动仿真[J].汽车科技。

2002（06）

[2]舒进、陈思忠.四轮转向车辆运动分析[J].湖北汽车工业学院学报.2002（03）

[3]徐展。

PID控制器性能评价[D].华北电力大学（北京）2010

[4]喻凡、林逸.汽车系统动力学[M].机械工业出版社，2005