CN104932268A

CN104932268A - 基于模糊pid的汽车巡航控制系统

Info

Publication number: CN104932268A
Application number: CN201510308519.0A
Authority: CN
Inventors: 方长全; 徐健梅; 张现; 夏伊; 徐晨莲; 马祥程
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2015-09-23

Abstract

本发明提供的基于模糊PID的汽车巡航控制系统，其包括以电信号相连的汽车巡航控制系统模块、模糊控制模块、传统PID模块、模糊PID控制器设计模块、MATLAB仿真结果模块。本发明能使汽车巡航控制系统相应的超调减小，反应速度加快，从而使车辆行驶速度很好的保持在巡航车速，同时不依赖系统的精确数学模型，因而对系统的参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性。

Description

基于模糊PID的汽车巡航控制系统

技术领域

本发明涉及控制系统，特别是一种基于模糊PID(在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器)的汽车巡航控制系统。

背景技术

汽车巡航控制系统(CCS)发展至今已有三十多年的历史，它经历了机械控制，晶体管控制，模拟式微机控制和数字式微机控制四个阶段。由于国内对汽车巡航的研究起步较晚,并且技术相对落后，所以国内对汽车巡航控制系统的研究应用主要是以单车定速控制为主。虽然国内的一些机构已经开始了对电子式巡航控制装置的研究，但从总体上来说，目前国内对汽车巡航控制系统的研究还不是很成熟。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于模糊PID的汽车巡航控制系统，该汽车巡航控制系统能根据其偏差和偏差变化率，实时在线整定PID参数对汽车巡航系统进行智能调节，使汽车巡航控制系统能够响应速度快、超调量小和提高稳态精度。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于模糊PID的汽车巡航控制系统，其包括以电信号相连的汽车巡航控制系统模块、模糊控制模块、传统PID模块、模糊PID控制器设计模块、MATLAB仿真结果模块。

所述的汽车巡航控制系统模块，由控制开关、传感器、巡航控制电控单元和执行机构组成，其中：控制开关主要由巡航开关、制动开关、离合器开关或空档启动开关组成，传感器包括节气门位置传感器和车速传感器。

所述的模糊控制模块由模糊控制器和控制器组成，其中：模糊控制器由模糊化、模糊控制规则、模糊判断三部分组成，控制器由控制开关、车速传感器、电控单元和执行器组成。

所述的传统PID模块，用于根据汽车实际行驶车速与设定车速之间的偏差，参考过去、针对现在、预估将来各种状况，实现系统不变参数的汽车巡航控制，由比例、积分和微分控制部分组成。

所述的模糊PID控制器设计模块，用于对K_p、T_i、T_d参数进行在线调整以取得最佳控制效果功能，由模糊控制器的输入端、模糊化过程、模糊输出端组成。

所述的MATLAB仿真结果模块，由Simulink建立的汽车巡航系统与模糊PID控制器和传统PID控制器搭建的仿真结果图组成。

本发明提供的上述基于模糊PID的汽车巡航控制系统，其用途是：该系统在汽车巡航车速的控制中的应用。

本发明基于模糊PID的汽车巡航控制系统在汽车巡航车速的控制过程中，能够根据汽车巡航控制系统偏差和偏差变化率实时在线整定PID参数对PID进行智能调节，使车辆行驶速度很好的保持在设置的巡航车速。

本发明与与常规PID控制相比具有以下的主要的优点：

1.能使汽车巡航控制系统相应的超调减小，反应速度加快，从而使车辆行驶速度很好的保持在巡航车速。

2.正弦规律的波动是由于在建立汽车动力模型时使用了正弦变化的干扰力来模拟实际干扰力的缘故，通过对仿真结果的分析可知，模糊PID控制优于传统固定参数的PID控制方法，在不同的巡航车速下均可得到良好的控制效果，是一种适合于汽车巡航控制系统的控制方法。

3.当被控制对象的特性复杂、具有强非线性或者时变性时，传统的常规PID控制参数在调整不适当时会使控制系统振荡，工作状态不稳定，控制效果表现不佳，难以实现有效控制。而模糊控制不依赖系统的精确数学模型，因而对系统的参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性。可以达到更好的预期控制效果。

附图说明

图1是本发明基于模糊PID的汽车巡航控制系统的硬件结构示意图。

图2是汽车巡航模糊控制模块示意图。

图3是模糊PID控制器设计模块示意图。

图4是利用MATLAB仿真结果示意图。

具体实施方式

本发明针对汽车巡航控制系统具有强非线性、时变不确定性，并受外界扰动、复杂的运行工况等影响，采用传统PID控制很难取得满意的效果的问题，提出了一种将模糊控制和PID控制相结合控制算法的汽车巡航控制系统。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的基于模糊PID的汽车巡航控制系统，其结构如图1至图4所示，包括：以电信号相连的汽车巡航控制系统模块、模糊控制模块、传统PID模块、模糊PID控制器设计模块、MATLAB仿真结果模块。

所述汽车巡航控制系统模块，用于车速设定和自动消除功能，由控制开关、传感器、巡航控制电控单元(CCSECU)和执行机构组成，其中：巡航控制开关主要由巡航开关、制动开关、离合器开关(仅对手动变速器汽车)或空档启动开关(对于自动变速器汽车)等组成。巡航开关主要由“接通(ON)”、“设置/加速(SET/ACC)”、“恢复/减速(RES/DEC)”和“取消(CANCEL)”等组成。传感器主要包括节气门位置传感器和车速传感器，二者通常与发动机电子控制系统和自动变速器电子控制系统公用，也可以专门设置单独使用。巡航控制电控单元(CCS ECU)是巡航控制系统的核心。执行机构的作用是接收巡航控制电控单元的控制指令信号,采用可以减速的直流电机以电动或气动方式驱动拉线盘。按下巡航开关,设定目标速度,并保持这一速度行驶。消除功能。按下取消开关，设定功能立即消失,但设置速度继续存储，恢复功能。按下恢复开关,即恢复原来存储的车速。加速功能，按下加速键,以不操纵开关时的车速进入巡航驾驶。减速功能，按下减速键,以不操纵开关时的车速入巡航驾驶；自动消除功能。车速小于40km/h或大于100km/h时,存储的车速消失,且不能再恢复此速度。制动踏板消除功能。按下制动开关,巡航功能将消失。

所述模糊控制模块，用于模仿驾驶员驾驶汽车时根据目标车速与实际车速之间的偏差及路面情况，利用自己的经验，决定加速踏板的变动量，从而使汽车趋于目标车速这一过程，由模糊控制器和控制器组成，其中：用于汽车巡航控制的模糊控制器的输入量一般可选择设定车速与实际车速的偏差以及偏差的变化率。模糊控制器由模糊化、模糊控制规则、模糊判断三部分组成。模糊控制不依赖系统的精确数学模型，因而对系统的参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性。其不足之处是模糊控制规则的获取和模糊隶属函数形状的确定是一项费力的工作，而且系统一旦确定，其规则和隶属函数就确定而不能随外界和车辆参数变化进行调整。

所述传统PID控制器设计模块，用于根据汽车实际行驶车速与设定车速之间的偏差，参考过去、针对现在、预估将来等各种状况，实现系统不变参数的汽车巡航控制，由比例—积分—微分控制部分组成，其中：比例环节根据控制系统的偏差信号e(t)，并按一定的比例产生控制作用，以减少误差。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时问常数，积分时间常数越大，积分作用越弱，反之，则越强。微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。汽车行驶过程中，驾驶员设定某个车速值输入给控制器，当车速传感器将实际车速值也输入给控制器时，得到设定车速值和实际车速值之间的偏差。控制器的比例控制根据车速值偏差的大小输出相应的控制量来控制发动机节气门开度从而使得行驶车速趋近设定车速值。控制器的积分控制把车速偏差累计起来通过加大控制量减小车速偏差，使行驶车速能够保持恒定稳定工作状态。控制器的微分控制起预估作用。当被控制对象的特性复杂、具有强非线性或者时变性时，常规PID控制参数在调整不适当时会使控制系统振荡，工作状态不稳定，控制效果表现不佳，难以实现有效控制。

所述模糊PID控制器设计模块，用于对K_p、T_i、T_d参数进行在线调整以取得最佳控制效果功能，由模糊控制器的输入端、模糊化过程、模糊输出端组成，其中：速度偏差变化e和偏差变化率ec加到模糊控制器的输入端，模糊化过程将其转换为模糊输入语言变量模糊推理是根据专业人员的经验制定的一系列推理规则推导出模糊输出量。然后再经过解模糊过程输出精确的控制量K_p'、T_i'、T_d'(K_p'为比例系数调校参数，Ti'为积分系数调校参数，T_d'为微分系数调校参数，下同),它的值被归一化为0～1之间的数值，在PID控制器实际应用时需乘以适当的比例因子Gp、Gi、Gd以得到真正的PID参数K_p、T_i、T_d。一般情况下,在不同的|e|和|ec|(|e|为速度误差绝对值,|ec|为速度误差变化率绝对值，下同)下,被控过程对参数K_p、T_i、T_d的自整定要求可以归应取较大的K_p；同时为防止系统饱和非线性特性等影响所产生的积分饱和现象,而引起系统超调量的增加,应减弱积分作用,即取较大的积分时间常数T_i,还有为避免开始时偏差|e|的瞬间变大,可能引起微分过饱和,应取较小的T_d。当|e|和|ec|处于中等大小时,为使系统响应具有较小的超调,K_p应取得小些；积分作用应适中,不宜过大,以避免对动态稳定性造成影响；由于此时的调节特性对T_d的变化比较敏感,因此也应取较小的T_d。当|e|较小时,为使系统具有较好的稳态性能,K_p应增大,并加强积分作用,以减少系统的静态误差,这时T_d应继续减小,以增加系统对扰动的抑制作用。

所述MATLAB仿真结果模块，用于对本发明所设计的巡航控制算法进行仿真验证，由Simulink建立的汽车巡航系统与模糊PID控制器和传统PID控制器搭建仿真结果图组成，其中：汽车巡航系统的组成和模糊PID控制器设计原理图分别如图1和图3所示。由仿真结果可以清晰的看出与常规PID控制相比,模糊PID控制器能使系统相应的超调减小,反应速度加快,能使车辆行驶速度很好的保持在巡航车速。图中正弦规律的波动是由于在建立汽车动力模型时使用了正弦变化的干扰力来模拟实际干扰力的缘故通过对仿真结果的分析可知,模糊PID控制优于传统固定参数的PID控制方法,在不同的巡航车速下均可得到良好的控制效果,是一种适合于汽车巡航控制系统的控制方法。

本发明提出的基于模糊PID的汽车巡航控制系统，其工作过程是：首先分析传统PID的组成原理与功能和在传统PID的基础上提出的模糊PID控制器的组成原理与在汽车巡航控制系统中的功能。通过两种控制器在汽车巡航控制系统中运用的对比并给出模糊PID控制器的具体设计，最后利用matlab进行仿真，在MATLAB的Simulink中,要先建立汽车巡航控制系统模型如图1所示，然后再建立模糊PID控制器系统模型如图3所示，再将汽车巡航控制系统模型和模糊PID控制器系统或传统的PID控制器系统模型通过运算结合得到汽车巡航系统控制模型对设计的巡航控制算法进行仿真验证。通过仿真容易得到传统单一的PID控制有一定的超调，响应速度较慢。当采用基于Matlab和模糊PID控制时，系统超调减小，响应速度加快，控制系统具有良好的稳定性，并且通过对不同参数的合理调整便可以取得最佳的控制效果。

Claims

1.一种基于模糊PID的汽车巡航控制系统，其特征在于：包括以电信号相连的汽车巡航控制系统模块、模糊控制模块、传统PID模块、模糊PID控制器设计模块、MATLAB仿真结果模块。

2.根据权利要求1所述的基于模糊PID的汽车巡航控制系统，其特征在于所述的汽车巡航控制系统模块，由控制开关、传感器、巡航控制电控单元和执行机构组成，其中：控制开关主要由巡航开关、制动开关、离合器开关或空档启动开关组成，传感器包括节气门位置传感器和车速传感器。

3.根据权利要求1所述的基于模糊PID的汽车巡航控制系统，其特征在于所述的模糊控制模块由模糊控制器和控制器组成，其中：模糊控制器由模糊化、模糊控制规则、模糊判断三部分组成，控制器由控制开关、车速传感器、电控单元和执行器组成。

4.根据权利要求1所述的基于模糊PID的汽车巡航控制系统，其特征在于所述的传统PID模块，用于根据汽车实际行驶车速与设定车速之间的偏差，参考过去、针对现在、预估将来各种状况，实现系统不变参数的汽车巡航控制，由比例、积分和微分控制部分组成。

5.根据权利要求1所述的基于模糊PID的汽车巡航控制系统，其特征在于所述的模糊PID控制器设计模块，用于对K_p、T_i、T_d(K_p为比例系数参数，T_i为积分系数参数，T_d为微分系数参数，下同)参数进行在线调整以取得最佳控制效果功能，由模糊控制器的输入端、模糊化过程、模糊输出端组成。

6.根据权利要求1所述的基于模糊PID的汽车巡航控制系统，其特征在于所述的MATLAB仿真结果模块，由Simulink建立的汽车巡航系统与模糊PID控制器和传统PID控制器搭建的仿真结果图组成。

7.权利要求1至6中任意权利要求所述基于模糊PID的汽车巡航控制系统的用途，其特征在于该系统在汽车巡航车速的控制中的应用。

8.根据权利要求7所述的用途，其特征是在汽车巡航车速的控制过程中，根据汽车巡航控制系统偏差和偏差变化率实时在线整定PID参数对PID进行智能调节，使车辆行驶速度很好的保持在设置的巡航车速。