基于模糊PID的汽车巡航控制系统设计解读.docx
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基于模糊PID的汽车巡航控制系统设计解读
题目：
基于模糊PID的汽车巡航控制系统设计
基于模糊PID的汽车巡航控制系统设计
摘 要
汽车巡航控制系统是一种辅助驾驶系统，它不但可以减轻驾驶员的负担，还可以提高驾车的舒适性。
汽车巡航控制系统具有非线性、时变不确定性，并受到外界扰动、复杂的运行工况等影响。
本文介绍了一种基于模糊PID控制算法的汽车巡航控制系统。
本文对汽巡航控制系统进行了简要的分析，将模糊PID控制方法作为其控制方案，对现有的PID控制进行完善和优化，并设计出系统的模糊控制器。
以轿车为对象，分析了汽车在行驶过程中的驱动力及受到的各种阻力和干扰力，并建立起汽车纵向动力学模型。
利用MATLAB建立了系统的仿真模型，利用MATLAB软件中的模糊逻辑工具箱对系统的设计进行仿真，验证系统设计的可行性，并对汽车巡航控制系统进行了仿真和分析。
由仿真结果可知，模糊PID控制方法能使系统的超调减小、反应速度加快、控制效果良好，是一种适用于汽车巡航控制系统的控制方法。
关键词：
定速巡航控制系统；MATLAB；模糊PID；仿真
TheDesignofControllerofAutomobileCruiseControlSystemBasedOnFuzzy-PID
ABSTRACT
Automobilecruisecontrolsystem,whichcouldnotonlyrelievethedriversburden,butalsocouldmakethedrivingcomfortable.itisakindofaccessorialdrivingsystem,Cruisecontrolsystemhashighnonlinearityandnon-determinacywithtimechanging.AndCCS,whichiseffectedbysomefactorssuchasexternalloaddisturbersandcomplicatedrunningmodes,AkindofCCSwhichisbasedonFuzzyPIDcontrol,itisintroducedinthethesis.
Analyzingthecruisecontrolsystembriefly,Fuzzy-PIDisconfirmedasthecontrolmethodofthesystem,improvedandoptimizedthePIDcontrol.ThentheFuzzyPIDcontrollerisdesigned,Astheobjectisacar,thethesisanalyzestheresistancesanddisturbswhilethecar’srunning,Andtheautomobiledynamicsmodelisgiven,AftersettingupthemodelbymeansofMATLAB,usetheFuzzyLogicToolboxinMATLABsoftwaretosimulatethedesignofthesystem,toverifythefeasibilityofthesystemdesign,theresultisanalyzed,Fromtheresult,wemayknowthatFuzzyPIDcontrolcouldmaketheovershootsmallerandtheresponsetimeshorter,TheeffectofFuzzyPIDmethodisgiven.SOitisasuitablemethodforCCS.
Keywords：
cruisecontrolsystem；MATLAB；FuzzyPID；simulation
目 录
1 绪论
1.1 课题的意义
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,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,性价比不断提高,为汽车的自动化提供了雄厚的物质基础,汽车实现智能化已不是梦想[1][3]。
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必须解决的核心技术之一。
此外随着我国高速公路网建设纵横迅速延伸,自动巡航控制也具备了广泛的发展和应用前景。
科技的发展使相应电子技术在汽车上应用得越来越广泛,汽车电子化程度越来越高.特别是微控制器进入汽车控制领域后,给汽车发展带来了划时代的变化,汽车的动力性、操作稳定性、安全性、燃油经济性、对环境的友好性都得到了大幅提升。
在大陆型国家,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[4][8]。
汽车巡航控制系统CCS（CruiseControlSystem）是汽车电子技术新装置之一,它实际上就是一种辅助驾驶系统。
采用了汽车巡航控制系统后,当车辆在高速公路上长时间行车时，驾驶员就不用再去控制油门踏板。
这减轻了驾驶员的负担，从而减少或避免了交通事故的发生，同时减少了不必要的车速变化，使汽车的燃料供给与发动机之间处于最佳的配合状态，可以最大限度地节省燃料，降低排气污染，提高发动机的使用效率。
采用汽车巡航控制系统是提高汽车的动力性能和乘坐的舒适性的主要方法之一[8]。
1.2 汽车巡航控制系统发展状况
国内外研发汽车自动巡航控制系统起步很早，其发展过程主要经历了三个阶段：
第一阶段是20世纪60-70年代中期，早期的汽车巡航控制系统主要是机械式和气动机械式巡航控制系统。
日本丰田公司从1965年起就开始在车上装用机械式巡航控制系统。
德国的VDO公司也研制出了气动机械式巡航控制系统。
而1968年德国奔驰公司开发，晶体管控制的巡航控制系统，并在莫克利汽车上装用，这期间美国和只本相继出现了以模拟电路为基础的汽车巡航控制系统。
第二阶段是20世纪70年代中后期-80年代中后期，以数字信号为主的控制系统。
随着单片机技术的发展，特别是大规模集成电路及单片机的应用，出现了以数字技术为基础的巡航控制系统。
如1974年美国鲁卡斯汽车研究中心研究出了性能完善的运用卫星雷达的数字车速、车距控制系统，该系统可以更好地适应路面状况的变化。
日本日野公司于1985年投放市场一种基于燃油经济性的车速控制系统。
其控制部分的核心是微处理器。
美国摩托罗拉公司也研制了一种采用微处理器控制的巡航控制系统，这种系统的所有输入指令以数字形式直接存储和处理，微处理器根据指令车速、实际车速以及其他输入信号，按给定程序完成所有数据处理，并产生步进电动机的驱动信号输出，改变节气门开度，每种车型的最佳加速度和减速度由编程人员决定。
从安全上考虑，将制动开关与节气门执行器直接相连，这样当踩下制动踏板时，在断开巡航控制系统的同时，将执行器的动力源断开，从而使节气门迅速脱离巡航控制系统的控制。
与模拟技术相比，散字系统的突出特点是系统的信号量以数字表示，受工作温度和湿度的影响较小，因此数字控制系统具有更高的稳定性。
对于汽车自动巡航控制系统可采用先进的大规模或超大规模集成电路技术做成专用模块，也可在微处理器上编程来实现。
当汽车上其他系统已有控制微处理器时，只要修改一下程序便可将此功能附加上去，因而可节省昂贵的硬件开支。
第三阶段是从20世纪90年代开始，国外又开始发展以智能化为核心的汽车自动巡航控制系统和以定距离控制为主的自适应巡航控制系统。
1990年美国鲁卡斯公司研制出一种自动恒速智能控制系统，该系统采用了连续调频被雷达，通过雷达来探测前方车辆与本车的距离，通过处理单元计算出相对车速与距离，并将该信息提供给电子控制单元，通过执行器控制节气门来控制车速。
之后，该公司又针对暴露的问题加以改进，在美洲虎牌轿车上安装了新的自动恒速控制系统，井对控制节气门与制动器的执行机构作了改进，微波雷达安装在前保险杠内，通过塑料车牌照发射微波探测信导。
日前国内外很多专家都在研究自适应巡航控制系统。
这种巡航控制系统主要由测速装置、转向角传感器、车速传感器、制动电子控制单元（ECU）和发动机ECU等组成。
当道路情况良好时，该系统就是普通的巡航控制系统，可以按设定车速巡航行驶；当距另一辆车距离较近及相对车速较高时，通过巡航控制系统控制制动器减速。
情况正常后将自动恢复原先的车速，如果前方车辆减速，ACCS便操纵制动器来维持一定的车距，从而避免了汽车的追尾。
国内外很多专家开始了一种半自主式巡航控制系统的研究，此种巡航控制系统能够很快地应用于公路上，能够保持人工操纵和自适应巡航控制系统的共存。
研究的理论结果表明，此种控制系统具有更高的控制精度。
综合利用仿真、分析和实验结果对人工驾驶和具有自适应控制系统的汽车进行了比较，从得到的数据和信息可以知道，具有巡航控制系统的汽车能对驾驶员提供重要的辅助作用，对行驶安全性提供了一种主动安全技术[2][8]。
1.3 课题研究主要内容
﹙1）查阅相关资料熟悉汽车巡航控制系统的功能、结构、工作原理、特性及控制方法。
（2）学习模糊控制理论和方法。
（3）设计汽车巡航控制系统控制器，并基于Matlab/simulink建立控制系统模型。
进行汽车巡航控制系统仿真。
（4）验证汽车巡航控制系统控制器的控制结果。
2 巡航控制系统的简介和工作原理
2.1 巡航控制系统简介
汽车巡航控制系统，根据其特点又被称为巡航行驶装置、速度控制（SpeedContr01）系统、自动驾驶（Auto-Drive）系统等。
目前汽车巡航控制系统分为巡航控制和自适应巡航控制两大类，后者是前者功能的延伸和扩展。
汽车巡航控制系统是最早开发的汽车电子控制系统之一，其作用是在按下驾驶员所要求的速度闭合开关之后，不用踩油门踏板就可以自动地保持车速，使车辆以固定的速度行驶。
在汽车行驶的过程中，驾驶员只要把住方向盘就可以了。
在巡航控制期间。
随着道路坡度的变化以及汽车行驶中所可能遇到的阻力，车辆自动变换油门开度或自动进行挡位转换，以按存储在微机内的最佳燃料经济性规律或动力性规律稳定行驶。
巡航控制系统在飞机上的应用显示出了其无可比拟的的优点。
上个世纪50年代末开始在汽车上应用。
并很快受到青睐。
目前在美、日、德、法、意等汽车大国发展、普及很快，尤其是近几年来世界各国高速公路的通车里程增多，扩大了汽车巡航控制系统大显身手的空间。
汽车巡航控制系统在大陆型国家更具有使用价值。
汽车巡航控制系统一般设有基本功能和故障保险功能[4]。
1.基本功能
（1）车速设定功能:
当车辆在高速公路上行驶时，如果路面质量好，没有人流、分道行车，无逆向行车，适宜以较长时间稳定运行时，驾驶员可通过巡航系统设定一个稳定行驶的车速，使其不用控制节气门和换挡，汽车就能一直以这一车速稳定行驶。
（2）恢复功能:
当司机处理好情况后，根据路面车流情况在判断出又可稳定运行后，可使汽车自动按着上一次设定的车速恒速行驶，驾驶员也可重新设定巡航车速。
（3）取消功能:
当踩下制动踏板或者按下“取消"键时，则立即退出巡航状态。
但是，如果其行驶速度大于最小设定车速，则退出之前设置的速度继续保存，供巡航控制系统随时调用。
（4）加速、减速功能:
车辆处于巡航行驶状态时，可对设定车速进行加速和减速的操作，从而改变其巡航车速。
2.故障保险功能
（1）低速自动消除功能:
当车速低于低速极限巡航控制不起作用，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。
（2）有关开关消除功能:
除了踩制动踏板有消除功能外，当按住车制动开关、离合器控制开关或者变速器挡位开关时，巡航车辆都将自动地消除巡航控制功能。
综合汽车巡航控制系统的功能和作用其具有以下几个优点：
（1）提高汽车行驶的稳定性、安全性和舒适性，巡航控制系统保证了汽车无论是在上坡、下坡、平路上行驶，或是在风速变化的情况下行驶，只要在发动机功率允许的范围内，速度都可保持不变。
特别是在郊外或者高速公路上行驶时，这种优越性更为显著。
另外，当汽车以定速行驶时，驾驶员只要掌握好方向盘，不用踩踏板和换挡就能使车辆定速稳定运行，这减轻了司机的劳动强度，可使驾驶员精力集中以确保行车安全。
（2）减少磨损，延长寿命，汽车稳定定速行驶使其额外惯力减少，所以机件磨损减少，使车辆的寿命增加，故障减少。
（3）具有一定的经济性和环保性，在同样的行驶条件下，对于一个有经验的司机来说，在使用巡航控制系统后可以节省15%左右的燃料。
这是因为在使用了这一速度稳定器后，可使汽车的燃料供给与发动机功率之间处于最佳的配合状态减少了CO、CH、NOx等有害气体的排放，有利于环保[6][7]。
2.2 汽车巡航控制原理
汽车巡航系统是一个典型的闭环负反馈控制系统，其原理如下图2-1所示：
图2-1汽车巡航控制原理图
CCSECU的信号有2个，一是驾驶员根据行驶条件，通过巡航开关设定的巡航车速信号。
二是车速传感器输入的实际车速反馈信号。
当巡航设定车速信号和实际车速反馈信号输入CCSECU后，CCSECU经过比较运算可得速度偏差变化E和偏差变化率EC，经过处理后，再结合当前节气门的开度信号，可得到控制节气门开度大小的控制信号，CCSECU将控制指令发送给执行机构,执行机构就可驱动节气门拉索调节发动机节气门开度的大小，将实际车速迅速调节到驾驶员设定的车速值，从而实现恒速控制。
3 模糊控制器的设计
3.1 模糊控制的特点
（1）模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。
（2）由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。
（3）基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异，但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。
（4）模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。
（5）模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。
（6）本文主要采用模糊PID控制，模糊PID控制是根据PID控制器的三个参数与偏差E和偏差的变化EC之间的模糊关系，在运行时不断检测E及EC，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的三个参数，让PID参数可自整定。
就我的理解而言，它最终还是一个PID控制器，但是因为参数可自动调整的缘故，所以也能解决不少一般的非线性问题，但是假如系统的非线性、不确定性很严重时，那模糊PID的控制效果就会不理想啦。
而且模糊PID控制的规则还是较复杂的，隶属度函数的选定也得靠经验。
优点就是可以自动调整PID的参数，对于一般的不确定系统可以使用[5][9]。
3.2 模糊控制器的设计步骤
3.2.1 定义输入语言变量
将巡航控制系统的速度误差绝对值|E|和速度误差变化率绝对值|EC|作为模糊控制器的输入语言变量。
它们的变化范围定义为模糊集上的域论：
|E|={0,1,2,3,4,5}
|EC|={0,1,2,3,4,5}
它们的模糊子集为：
|E|={零（Z）,小（S）,中（M）,大（B）}
|EC|={零（Z）,小（S）,中（M）,大（B）}
其隶属函数如图3-1所示:
图3-1输入语言变量隶属函数
3.4.2 定义输出语言变量
定义3个输出语言变量
（1）Kp′比例系数修正参数
（2）Ti′积分系数修正参数
（3）Td′微分系数修正参数
并分别定义它们的模糊子集为
Kp′={零（Z）,小（S）,中（M）,大（B）}
Ti′={零（Z）,小（S）,中（M）,大（B）}
Td′={零（Z）,小（S）,中（M）,大（B）}
其隶属函数如图3-2所
图3-2输出语言变量隶属函数
3.2.3 提出模糊控制规则
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面考虑提出以下三条控制规则:
当|E|较大时,系统响应具有较快的响应速度,应取较大的Kp;为防止出现较大的超调,避免开始时|E|的瞬间变大可能引起的微分过饱和,则应取较大的Ti和较小的Td;
当|E|和|EC|处于中等大时,为了使系统具有较小的超调，应取较小的Kp,为了避免对动态稳定性造成影响,应取适中的Ti，由于此时的调节特性对Td的变化敏感,因此Td应取得大一些;
当|E|较小时,为使系统具有较好的稳态性能,减小系统静态误差,增加系统对扰动的抑制能力,应增大Kp;减小Ti和Td。
对实际的汽车巡航控制系统来说,误差为零时容易产生游车,使驾驶员感到不适。
从而车速误差不能为零,而要将其保持在一定的误差范围内。
所以在设计汽车巡航控制系统的模糊规则时就要考虑到;当车速误差较小时,应减弱积分环节的作用、加大比例环节的作用,允许系统有一定的误差[6]。
3.2.4 规则表的建立
在实际的控制系统中,在控制过程的各阶段,对误差和误差变化又不同的要求。
在控制过程的初始阶段,系统的误差往往较大,控制系统的目的是消除误差,这时就要求误差值在控制规则中的加权系数应大一些,反之当控制过程趋向稳定阶段,系统误差已经很小,控制系统的主要任务是减小超调量,使系统尽快稳定。
为此,本文引入了具有多个调整因子的模糊控制器,对每一个误差等级各引入一个调整因子.自此模糊控制器有两个输入语言变量|E|和|EC|;三个输出语言变量Kp′、Ti′和Td;归纳出的模糊控制规则如表3-1、表3-2、表3-3所示。
表3-1Kp′的规则表
|E|
|EC|
Z
S
M
B
Z
S
B
B
B
S
B
B
B
B
M
M
M
M
S
B
B
B
B
B
表3-2Ti′的规则表
|E|
|EC|
Z
S
M
B
Z
S
M
M
M
S
B
M
M
M
M
B
M
M
S
B
B
B
B
B
表3-3Td′的规则
|E|
|EC|
Z
S
M
ZB
Z
Z
Z
Z
Z
S
Z
M
M
S
M
B
B
S
S
B
B
M
B
B
将隶属函数与参数调节规则输入MATLAB的模糊逻辑工具箱中,完成模糊控制器的设计,可得到PID参数的模糊矩阵表。
系统在线运行时,控制系统通过对模糊规则的结果处理、查表和运算,完成对PID参数的修正。
3.3 模糊PID控制系统的设计
模糊PID控制技术是将模糊控制技术与PID控制结合构成。
PID控制具有十分明显的优点，在工业过程控制领域一直占据了主导地位，而且全世界的控制技术研究和应用人员对PID控制进行了大量的研究，努力改善PID控制的性能。
围绕PID控制，并与多种其它控制技术结合，形成了多种PID控制技术，本文采用模糊PID控制技术进行设计。
结合模糊控制与PID控制的优点，以达到更好的控制效果。
汽车巡航系统的模糊PID控制原理图如图3-3所示。
模糊控制器
|EC|
|E|
乘以比例因子
GpGiGd
Du/Dt
实际车速
被控对象
PID控制器
目标车速
|E|
实际反馈车速
图3-3模糊PID控制原理图
根据原理图将进行建模仿真。
4 巡航系统的建模与仿真
4.1 MATLAB/SIMULINK简介
建模仿真可视化功能SIMULINK是MATLAB五大通用功能之一,是基于MATLAB语言环境下用来对动态系统进行建模、仿真和综合分析的集成软件包,它可以处理的系统包括:
线性和非线性系统;连续和离散时间模型,或者是两者混合系统,单任务、多任务离散事件系统,并且系统还可以是多采样率的,比如系统的不同部分拥有不用的采样率,它的存在使MATLAB的功能得到进一步扩展。
SIMULINK中存储了大量系统模型,用户只要在模型库窗口上调出各个系统环节,并用连线连接起来,便可利用SIMULINK提供的功能对系统进行仿真和分析。
这种方框图式的建模方法很容易将一个复杂系统的数学模型输入到计算机中,大大简化了编程过程。
对于建模,SMULINK提供了一个图形化的用户界面（GUI）,只要进行鼠标点击和拖拉模块的图标就可构造出复杂的仿真模型。
它外表以方块形式呈现,且采用分层结构。
从建模角度讲,这既适合自上而下的设计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件）,又适合自下而上逆程设计。
从分析研究角度讲,这种SMULINK模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节,而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间地信息交换,掌握各部分之间地交互影响。
4.2 模糊逻辑仿真工具箱简介
MATLAB的模糊逻辑工具箱有5个基本工具箱用于建立、编辑和观察模糊推理系统（FLS）,它们分别是,模糊推理系统编辑器、隶属度函数编辑器、规则编辑器、规则观察器和曲面观察器。
这些工具箱是动态链接的,修改其中任一个都将影响其它己打开的工具箱的显示结果。
MATLAB的模糊逻辑工具箱拓展了MATLAB对模糊逻辑系统的设计能力,己经成为运用模糊手段解决工程问题的重要工具。
模糊逻辑工具箱使得工程设计人员可以采用多种途径生成和编辑模糊推理系统,如手工、通过交互式图形工具、通过命令行函数或基于模糊聚类或自适应神经模糊技术自动实现。
4.3 仿真模型的建立
4.3.1 汽车动力仿真模型的建立
依据牛顿第二运动定律，汽车的运动方程为：
（4-1）
式中：
：
驱动力（N）；
：
行驶阻力（N）；其公式为：
（4-2）
：
空气阻力（N）；其公式为：
（4-3）
：
坡度阻力（N）；其公式为：
（4-4）
x:
汽车水平位移（m）;
v:
汽车行驶速度（m/s）;
t:
汽车行驶时间（s）;
m:
汽车质量（kg）;我们取一般小汽车的质量为1500kg;
:
计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车质量转换系数;取
=1.05;
根据公式并选择适当参数，然后利用MATLAB软件中SMULINK建立汽车动力仿真模型如图3.4所示。
图中maxbrake：
最大制动力
maxthrust：
最大驱动力
：
行驶阻力函数模块，Expression—1500*9.8*0.014*（1+u/19440）；
：
空气阻力函数模块，Expression—0.01*（u[1]+20*sin（0.01*u[2]））^2；
：
坡度阻力
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