基于simulink汽车速度控制系统的设计与仿真.docx
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基于simulink汽车速度控制系统的设计与仿真
基于simulink汽车速度控制系统的设计与仿真
摘要：
目前许多汽车把汽车速度控制系统作为配属设备或选配设备。
汽车装有汽车速度控制系统后，当驾驶员启动这一装置并进行一些简单的设置后，该装置可自动保持某一恒定速度行驶，而不踩油门。
由于电子系统能准确地控制车辆的速度，从而使高速行驶的车辆更加安全、平稳。
在文中，首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统简化模型，根据研究对象的物理特性建立起汽车速度控制控制系统的微分方程，再将该微分方程进行线性化处理，运用PID控制理论的方法对汽车速度控制控制系统进行分析和控制。
然后对汽车速度控制系统进行设计分析，在已有的模型下，对设计的汽车速度控制系统进行Matlab语言仿真。
关键词：
速度控制系统PID控制仿真
指导老师签名:
DesignandSimulationofthevehiclespeedcontrolsystem
StudentnameClass:
Supervisor:
Abstract:
Atpresent,manycarsmakecarspeedcontrolsystemasanattachmentdeviceoroptionalequipment.Thecarisfittedwiththemotorspeedcontrolsystem,whenthedriverstartthedeviceandmakesomesimplesettings,thedevicecanautomaticallymaintainaconstantspeed,anddonotstepontheaccelerator.Becausetheelectronicsystemcanaccuratelycontrolthespeedofthevehicle,sothatthehigh-speedvehiclesmoresecure,stable.
Inthispaper,thefirstprincipleofthemovementofautomobileisanalyzed,establishingcontrolsystemissimplifiedmodel,basedonphysicalcharacteristicsoftheresearchobjecttoestablishthevehiclespeedcontroldifferentialequationofthecontrolsystem,thenthedifferentialequationislinearizedbyusingthemethodofcontroltheory,analyzeandcontrolthemotorspeedcontrolsystem.Thenthedesignofthevehiclespeedcontrolsystem,theexistingmodel,todesignvehiclespeedcontrolsystemsimulationlanguageMatlab.
Keyword：
SpeedcontrolsystemPIDcontrolsimulation
SignatureofSupervisor:
1绪论
1.1选题的依据及课题意义
随着汽车工业和公路运输业的发展，汽车将走进千家万户，驾驶人员非职业化的特点将突出，车辆驾驶的自动化己成为汽车发展的主要趋势。
跨入二十一世纪后，人们需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快捷的生活节奏，因此对汽车的智能化要求更加迫切，随着计算机和电子技术的不断发展，性能价格比不断提高，为汽车的优化提供了雄厚的物质基础，汽车实现智能化已不是梦想。
驾驶汽车长途行驶的机会较多，而且在高速公路上行驶时变换车速的频率及范围都较少，能以较稳定的车速行驶。
但若长途驾驶而右脚不得不踩油门踏板时，久而久之驾驶员就会感到疲劳，容易发生交通事故。
车辆自动变速器及其控制技术是智能汽车非常重要的内容，是汽车辅助驾驶系统和自动驾驶系统的基础，是目前我国智能汽车发展亟须解决的核心技术之一。
此外。
汽车速度控制系统，又称为汽车巡航控制系统CCS（CruiseControlSystem）是汽，随着我国高速公路网建设纵横迅速延伸，自动速度控制也具备了广泛的发展和应用前景车电子技术新装置之一，它实际上就是一种辅助驾驶系统。
汽车定速速度控制装置的使用减轻了驾驶员操纵强度,减少了不必要的车速变化,提高了驾驶的舒适性和安全性。
汽车速度控制系统研究分为两大部分，第一部分是系统硬件和运行控制基础软件的开发，另一部分是速度控制算法的研究。
本文主要研究第二部分。
1.2汽车速度控制研究概况及发展趋势
目前我国的自动速度控制装置仍处于研制阶段，具有自主知识产权的产品还未见报道。
由于国内汽车研究起步较晚，技术相对落后，并且就目前我国公路状况和实际应用来说，对汽车速度控制系统的研究应用主要是以单车定速控制为主。
目前，模拟汽车憾速控制器在我国已经投入生产和使用。
例如：
由江苏省仪征市速度设备厂生产的XD-1型汽车定速系统。
近几年，国内有许多科研机构和高校也开始了对电子式速度控制装置的研究。
例如，北京理工大学应用PID方法对汽车速度控制进行的研究、由清华大学王俊敏等研制的基于变参数的比例一积分（PI）控制算法汽车数字式速度控制系统、哈尔滨工照大学建立了基于一汽捷达轿车的汽车纵自动力学模型等等。
但从总体来说，目前国内对汽车速度系统的研究还不是很成熟。
总体来说，汽车速度控制系统有以下几个发展趋势：
（1）新控制理论的应用车辆的行驶状况受到成员的多少、发动机输出的变化因素等影响。
驾驶者需要更平顺的驾驶感觉和更自然的速度控制，以传统的控制理论为基础，又引入了新的控制理论。
目前，模糊控制等新理论已不断得到应用。
（2）走停控制：
现在对CCS的研制和开发主要是针对在高速公路上高速行驶的车辆，而不适用于城市中低速、高车流密度情况下使用，走停控制正是CCS针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展，这要求CCS具有更好的近距离探测能力，更快的信号处理功能，更迅速的系统响应，同时还向CCS提出了增加车辆的自动起步功能。
这样即使在堵车情况下也无须驾驶员参与，只需操纵车辆的转向即可。
驾驶员可以完全从烦琐的驾驶操作中解放出来。
（3）随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来的CCS将同其他的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，驾驶这种汽车只需在显示器中指明所要到达的目的地，汽车就会在卫星导航系统的指引下，借助公路两旁的电子标志牌无需人为参与就可安全驶达目的地，实现完全的自动驾驶功能。
（4）集成化随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来的汽车速度控制系统将同其它的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，例如它可同加速防滑系统以及发动机控制器等各种电控系统集成起来。
还可以通过采用CAN总线技术，实现信号资源的共享，提高系统的灵活性。
集成化有助于降低成本，增强各系统间的内在联系，充分利用各种车辆信息，从而提高系统的稳定性和可靠性。
目前，我国的道路和通讯网络等基础设施还落后于发达国家，智能速度控制系统等还不适合我国目前交通的发展情况。
随着我国高速公路建设规模的逐渐扩大，汽车产量的急剧上升和排放法规的建立，国内汽车市场追切需要适合我国基本国情的汽车自动速度控制系统。
2速度控制系统的简述
2.1汽车速度控制系统原理
现在许多轿车都有速度控制系统。
速度控制系统（SpeedControlSystem）又称为巡航控制系统（CrusleControlSystem），缩写为CCS。
本文所设计自动巡航系统主要由决策模块，ACC控制模块和发动机模块三个大部分构成，巡航系统中三大模块的工作原理图如图2.1所示：
图2.1巡航系统的工作原理图
（1）决策模块：
带有决策控制功能，能够针对自动巡航系统的定速功能和跟车衡速行驶功能进行判断及自动切换，对进入和退出该系统进行自动判断。
（2）ACC控制模块：
带有PID控制器，通过反馈量对所输入的车速进行微调，使其保持相对稳定的输出。
该模块的输入量为车速，通过模块转换，使其输出量变成控制节气门开度和制动踏板的信号量。
（3）发动机模块：
进行发动机部分的仿真，通过ACC模块的输出量进行工作，输出速度、加速度、转矩等一系列数据，转化成波形直观的对巡航系统进行系统分析。
2.2速度控制系统的分类
随着汽车技术的不断发展，目前速度控制主要非为三大类：
1．机械拉线式速度控制器（适用于油门控制方式采用机械拉线式控制的车辆）。
2．电子式速度控制器（适用于油门控制方式采用电子式控制的车辆）。
3．电子式多功能速度控制系统（适用于油门控制方式采用电子式控制的车辆）。
2.3速度控制系统的基本用途
1．车速设定：
车速在30—180km/h范围内，当按下车速调置开关后，就能存储该时间的行驶速度，并能保持这速度行驶。
2．消除功能：
当踩下制动踏板、离合器踏板或手动暂停后，巡航功能立即解除，但巡航速度值会暂存在控制模块中。
3．恢复功能：
当按恢复开关，刚能恢复原来的车速。
4．手动调速功能：
巡航状态下，可通过巡航按键或手柄调整车速。
2.4电子式多功能速度控制系统功能
由于汽车技术的发展，越来越多的拉线式节气门控制方式快速的被电子式节气门控制方式多代替。
拉线式定速巡航器主要由控制开关、控制组件（巡航电脑）伺服器（机械执行机构）组成。
定速巡航系统的工作原理，简单地说就是由巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，从而发出指令由伺服器机械的来调整节气门开度的增大或减小，以使车辆始终保持所设定的速度。
电子式多功能定速巡航系统摒除了拉线式定速巡航器的机械控制部分，完全采用精准电子控制，使控制更精确，避免了机械故障的风险。
目前市场上电子式多功能定速巡航器主要有以下几个功能：
定速巡航功能、电子节油功能、油门加速功能、限速设定功能、刹车故障报警功能。
定速巡航功能，主要是通过巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，通过精准的电子计算发出指令，保证车辆在设定速度下的最精准供油量。
电子节油功能，主要是通过智能优化控制节气门的开启角度与开启时间，有效屏蔽电子油门传感器由于颠簸路段及不良驾驶习惯形成的杂乱信号，经过精确计算喷油量，使燃油得到最充分燃烧，来实现节油。
油门加速功能，主要是通过提高节气门响应灵敏度实现的，当系统发现司机有加速意愿时，会驱动节气门尽可能快的打开，这样就使油门响应的敏感度得到了提高。
在油门踏板被踩下时，控制器会根据踩下幅度、时间计算油门信号的变化率，变化越快，说明加速要求越强烈，最终实现油门响应速度更快，整车的动力感会明显增加，能够让司机感觉到整车动力大大提升。
限速设定功能，通过控制器，根据限定的速度值，设定输出油门信号最大值，当油门输出信号超不过设定的最大值，来实现限制速度的目的。
刹车故障报警功能，通过采取刹车电路的信号，当刹车电路或刹车保险故障时，会通过告警的方式对司机进行提示。
低速自动消除功能。
当车速小于40km/h时，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。
制动踏板消除功能。
在制动踏板上装有两种开关，一个用于对ECU的信号消除；另一个是直接使执行元件工作停止。
3系统模型建立及性能分析
3.1汽车受力分析
汽车种类很多，不同汽车自身速度传递系统的数学模型不尽相同，但总的来说是相似的。
图3.1为坡路上行驶汽车的受力图。
图中，Fe是引擎动力；θ是坡路与水平面的夹角；Fh为重力分量；Fr是空气阻力；m为汽车的质量；x为汽车的位移。
图3.1坡路上行驶汽车的受力图
根据牛顿第二定律，汽车的运动方程为：
mx``=Fe-Fr-Fh（3-1）
式中，各物理意义如下：
1、m为汽车质量，本文中取为100个质量单位。
2、Fe是引擎动力。
最大驱动力为1000，最大制动力为-2000，即
-2000<=Fe<=1000（3-2）
3、Fr是空气阻力，它与轿车的速度平分成正比，其表达式为：
Fr=0.001（x`+20sin（0.01t））^2（3-3）
式中第二项是为近似考虑“阵风”而引入的，x`为行驶汽车的水平速度。
4、Fh是重力分量，其表达式为：
Fh=30sin（0.0001x`x）（3-4）
式中的正弦项是为考虑坡路与水平夹角的变化而引入的。
3.2行驶汽车仿真模型
根据以上计算可建立行驶汽车的Simulink模型如图3.2所示。
图3.2行驶汽车simulink模型
1、In1模块：
为“指令”驱动力Fe提供输入端口。
2、Out1模块：
为输出汽车实际速度Sa提供输出端。
3、Constant1模块：
设置驱动力上限，Constantvalue栏填写1000。
4、MinMax1模块：
其参数设置如图3.3所示，Function栏填写min（缺省设置），Numberofinputports栏填写2（缺省设置），则模块输入取两个输入中的小者。
与此同时，该模块的图标以min表示。
5、Constant模块：
设置制动力下限，Constantvalue栏填写-2000。
6、MinMax模块：
在图3.3中，Function栏填写max，则模块取两个输入中的大者。
与此同时，该模块的图标也以max表示。
7、Clock模块：
为接受仿真时间数据t提供输入端口。
8、Fcn模块：
实现空气阻力Fw（见式3-3），该模块的输入是[x`,t]构成的向量，所以，根据Fcn模块表达式必须遵循的第一个规则，在Expression栏中填写0.001*（u
（1）+20*sin（0.01*u
（2）））^2。
9、Fcn1模块：
实现重力分量Fh（式3-4）。
该模块的输入为位移标量x，输出是重力分量Fh，则在Expression栏中填写30*sin（0.0001*u）。
图3.3MinMax模块参数设置
3.3动态性能和稳态性能指标
在时域分析中，要考虑以下五个性能指标，包括上升时间
、峰值时间
、调节时间
、超调量
和稳态误差。
通常，用
和
评价系统的响应速度，用
评价系统的阻尼程度，而
是同时反映响应速度和阻尼程度的综合性能指标，稳态误差是系统控制精度或抗干扰能力的一种度量。
1．上升时间
指单位阶跃响应曲线从稳态值的10%上升到90%所需要的时间。
系统的响应速度与
成正比；而当阻尼振荡频率
一定时，阻尼比越小，上升时间越短。
2．峰值时间
指单位阶跃响应曲线超过其稳态值达到第一个峰值所需要的时间。
当阻尼比一定时，闭环极点离负实轴的距离越远，系统的峰值时间越短。
3．调节时间
响应曲线达到并不再超出该误差带的最小时间，称为调节时间。
调节时间标志着过渡过程结束，系统响应进入稳态过程。
4．超调量
指在响应过程中，超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比。
超调量
仅是阻尼比
的函数，而与自然频率
无关，阻尼比越大，超调量越小，反之亦然。
5．稳态误差的计算
稳态误差是系统控制精度的一种度量，在控制系统中，稳态误差是一项重要的技术指标。
对于一个实际的控制系统，由于系统结构、输入作用的类型（控制量或扰动量）、输入函数的形式（阶跃、斜坡或加速度）不同，控制系统的稳态输出不可能在任何情况下都与输入一致或相当，也不可能在任何情况下都能准确地恢复到原来平衡位置。
所以只有在规定要求下的稳态误差范围之内，所研究的系统才有意义。
4PID控制器
4.1PID控制简述
PID（ProportionallntegralDerivative）控制器是工业上广泛应用的一种实现自动控制的方法.在1939年，最早的PID控制器由TayorInstrument公司的工程师们设计制造。
在上世纪50年代，PID控制器从模拟气动方式转换到模拟电动方式，而最终在70年代微处理器发明后，发展成为微处理器数字控制器。
PID控制器在工业上的广泛应用有着以下几个原因:
l）结构简单:
PID控制器的.简单结构使其在硬件软件上都易于实现。
2）应用广泛:
在工业应用过程中，人们已经积累了安装和维护PID控制器的大量经验。
PID算好更是为很多工程师熟记。
3）易于获取:
在市TD上有大量商品PID控制器，极易得到。
而PID控制器的广泛应用和工业制造商的支持保证了在未来PID控制器也是容易得到的。
4）适用性好:
只要通过调节控制器的3个参数就可以使一个控制器应用到不同的被控过程并表现出色。
而通过考察控制器的内部原理可以证明PID控制器适用大部分的被控过程。
更重要的是，人们发现对于一个没有非线性单元的被控过程，无法使用更复杂的控制器来提高控制能力。
PID控制器给出相同控制能力的最简单的控制机构。
5）鲁棒性好:
PID控制器保证了很多控制系统保持好的性能.PID因为其很好鲁棒性使控制系统更加稳定。
具有PID特点的调节器既可以作为控制器，叫PID控制器；也可以作为校正器，叫PID校正器。
它们都能发挥其独特的多项调节功能。
PID校正是一种负反馈闭环控制。
PID校正器通常与被控制对象串联连接，设置在负反馈闭环控制的前向通道上。
若校正器与系统的前向通道或者前向通道的一部分构成负反馈闭环连接，这种校正叫做反馈校正。
4.2PID控制规律
图4.1为PID控制器原理图。
在PID控制器调节作用下，对误差信号e（t）分别进行比例、积分、微分运算，三个作用分量之和作为控制信号输出给被控制对象。
图中信号为其对应量的拉氏变换。
图4.1PID控制器原理图
PID控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。
它是最广泛应用的一种控制器。
PID控制器的数学模型可以用下式表示:
（4-1）
其中:
u（t）一控制器的输出
e（t）一控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号。
Kp一控制器的比例系数。
Ti一控制器的积分时间。
Td一控制器的微分时间。
尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是PID控制器基本组成部分只有三种：
比例（P）部分、积分（I）部分和微分（D）部分。
这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。
如比例（P）控制、比例-积分（PI）控制、比例-积分-微分（PID）控制等。
比例（P）部分：
比例调节器的特点是简单、快速，对于具有自平衡性的控制对象可能产生静差（自平衡性是指系统阶跃响应终值为一有限值）;而对于带有滞后的系统，可能产生振荡，系统的动态特性也随之降低。
增大比例系数KP，可以加快响应速度，减小系统稳态误差，从而有利于提高控制精度。
然而KP取的过大，系统开环增益也随之加大，一般将导致系统稳定性降低甚至激烈震荡（也有一些系统，其稳定性随KP增大反而变好。
此时，如果残差过大，则需要通过其它途径解决）。
减小比例系数KP，能使系统减少超调量，稳定裕度增大，却同时降低了系统的调节精度，导致过度过程时间延长。
单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。
工业生产中比例控制规律使用较为普遍。
积分（I）部分：
积分部分数学表达式表示如下：
（4-2）
从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断地积累，输出控制量以消除偏差。
可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。
可是积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。
积分时间Ti对积分部分的作用影响极大。
当Ti较大时，则积分作用较弱，这时，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生振荡。
但是消除误差所需时间较长。
当Ti较小时，则积分作用较强。
这时系统过渡过程中有可能产生振荡，消除误差所需的时间较短。
微分（D）部分：
微分部分数学表达式表示如下:
（4-3）
微分控制得出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但使系统抑制干扰的能力降低。
微分部分的作用强弱由微分时间Td决定。
Td越大，则它抑制e（t）变化的作用越强，Td越小，它反抗e（t）变化的作用越弱。
它对系统的稳定性有很大的影响。
在计算机直接数字控制系统中，控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。
PID计算机直接数字控制系统大多数是采样数据控制系统。
进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。
在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。
当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续时间PID算法的微分方程，变为描述离散时间PID算法的差分方程，即为数字PID位置型控制算式。
比例积分（PI）控制：
比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。
只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。
但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。
克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。
积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。
因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。
所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分控制。
这样取二者之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力。
因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。
比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。
由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。
但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。
对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。
比例微分（PD）控制：
比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。
所谓“时间滞后”指的是：
当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，比如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。
为此，人们设想：
能否根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作呢？
犹如有经验的操作人员，即可根据偏差的大小来改变阀门的开度（比例作用），又可根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制，“防患于未然”。
这就是具有“超前”控制作用的微分控制规律。
微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度。
比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。
尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。
比例积分微分（PID）控制：
最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。
它集三者之长：
既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。
当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。
只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。
4.3PID作用分析
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等
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