CN110617152A - 一种基于模糊pid控制的油门控制系统 - Google Patents

一种基于模糊pid控制的油门控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模糊PID控制的油门控制系统，它涉及油门控制器的控制设计技术领域。它包括控制机构和执行机构；所述控制机构为控制器本体，控制器本体采用模糊PID控制，所述执行机构为油门控制器；具体控制步骤如下：将模拟期望加速度值输入控制器本体，当期望加速度位于节气门控制区域时，控制器本体控制油门控制器，油门控制器通过控制节气门开度，进行加速控制，并逐渐达到期望加速度值；输入模拟期望加速度值不在控制区域内，控制器本体通过控制节气门的位置，进行加速度匹配控制。本发明的优点在于：对节气门控制采用模糊PID控制，适应性强，鲁棒性强，可根据实时状态滚动优化PID参数以达到系统表现的最优。

Description

一种基于模糊PID控制的油门控制系统
技术领域
本发明涉及油门控制器的控制设计技术领域，具体涉及一种基于模糊PID控制的油门控制系统。
背景技术
高级驾驶辅助系统（ADAS）自20世纪90年代以来一直是个热门的话题。ADAS系统不仅在车辆偏离当前车道或者有撞车的危险时为驾驶员提供警告信号，也可以在底盘线控系统的支持下，通过控制油门的大小来主观地干预车辆的操控。
油门控制（TC）是ADAS系统各大功能中的子功能之一。TC是一种基于传感器识别技术而诞生的油门控制，目的是通过车辆加速运动过程中调节节气门位置来调节车辆运动的加速度，保障行车安全，并通过简单的方式为驾驶员提供辅助驾驶支持。当车辆期望的加速度位于节气门控制区域时，使用油门系统控制。节气门通过与油门系统进行协调，使车辆产生加速度，从而使车辆完成加速行驶过程。传统的油门控制系统是采用传统的PID控制方式，反应时间长，会有延迟。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于模糊PID控制的油门控制系统，原理简单，使用方便，适应性强，能够很好地适应非线性控制，在凸优化前提下，控制器的系统稳定性可以被保证，反应时间短，响应快。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：包括控制机构和执行机构；所述控制机构为控制器本体，控制器本体采用模糊PID控制，所述执行机构为油门控制器；
具体控制步骤如下：将模拟期望加速度值输入控制器本体，当期望加速度位于节气门控制区域时，控制器本体控制油门控制器，油门控制器通过控制节气门开度，进行加速控制，并逐渐达到期望加速度值；输入模拟期望加速度值不在控制区域内，控制器本体通过控制节气门的位置，进行加速度匹配控制：当期望加速度没有在节气门控制区域时，节气门通过模糊PID控制来调节加速度值，当节气门采集到加速度信息后，通过低通滤波将控制信号传给车辆，车辆再通过负反馈调节，根据期望加速度和实际加速度的百分比，调节节气门大小，并短时间内达到期望加速度。
进一步的，所述模糊PID控制算法，通过期望加速度与实际加速度的差值，作为系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。
进一步的，控制时，引入二阶低通滤波器作为信号滤波器，保证输出的期望加速度无震荡，其截止频率ω_n为10rad/s，阻尼比ξ为1，避免对节流阀的频繁动作，所需的加速度转换为节气门位置时，其单位为百分比，应用饱和块来约束输出在0%到100%之间变化。
进一步的，控制时，引入抗饱和模块，保证期望节气门比例在设定的合理范围内，当加速度转换为节气门时，变化范围值在0%到100%之间，超过100%后，节气阀自动关闭。
进一步的，模糊PID控制中，引入两个可调节的参数kf,e和kf,ec，根据具体的车型进行标定和调节以充分掌控模糊控制器系统性能。
进一步的，模糊PID控制中，使用三角形模糊规则，将加速度误差值以及加速度误差值的导数作为两通道输入，计算获得两通道比例因子输出。
进一步的，模糊PID控制中，引入PID控制器上下限控制，保证PID参数在比例因子控制下不超出规定的参数设置范围。
进一步的，模糊PID控制中，引入ZN公式，作为PID控制器参数的工程整定标准，确定合理的PID参数上下限值。
进一步的，模糊PID控制中，对于kf,e和kf,ec这两个参数的实时优化，采用粒子群算法，具体方式是：考虑控制器对系统的响应时间、最大超调量以及积分绝对误差三个因素，构成代价函数，粒子群算法进行实时优化，最小化代价函数，最优化这两个参数，获得当前工况下最优的参数设置。
本发明的优点在于：
1、对节气门控制采用模糊PID控制，原理简单，使用方便，适应性强，鲁棒性强，其控制品质对被控对象的变化不太敏感，非常适用于恶劣的环境，且能够很好地适应非线性控制，在凸优化前提下，理论证明控制器的系统稳定性可以被保证；
2、额外引入两个可标定参数，使得模糊控制器具有更好鲁棒性；
3、采用粒子群算法，根据实时状态滚动优化PID参数以达到系统表现的最优，具有更好的实时性和计算效率；
4、引入ZN公式作为整定PID参数的工程方法，通过测试获得二阶系统临界震荡下的放大系数和周期等参数，通过计算可获得PID控制器的参数。
附图说明
图1为本发明的油门控制图；
图2为本发明的PID控制器的模糊增益调度图；
图3为本发明的三角形模糊规则中e(t)的隶属函数图；
图4为本发明的三角形模糊规则中de(t)/dt的隶属函数图；
图5为本发明的输出隶属函数图；
图6为本发明的模糊PID控制中比例增益uf,p的规则表；
图7为本发明的模糊PID控制中积分增益uf,i的规则表；
图8为本发明的系统控制器逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1-图8所示，本具体实施方式采用如下技术方案：包括控制机构和执行机构；所述控制机构为控制器本体，控制器本体采用模糊PID控制，所述执行机构为油门控制器；
具体控制步骤如下：将模拟期望加速度值输入控制器本体，当期望加速度位于节气门控制区域时，控制器本体控制油门控制器，油门控制器的控制系统为非线性系统，油门控制器通过控制节气门开度，进行加速控制，并逐渐达到期望加速度值；输入模拟期望加速度值不在控制区域内，控制器本体通过控制节气门的位置，进行加速度匹配控制：当期望加速度没有在节气门控制区域时，节气门通过模糊PID控制来调节加速度值，如图2所示，为本发明的PID控制器的模糊增益调度图，当节气门采集到加速度信息后，通过低通滤波将控制信号传给车辆，车辆再通过负反馈调节，如图1所示，为本发明的油门控制图，根据期望加速度和实际加速度的百分比，调节节气门大小，并短时间内达到期望加速度。
所述模糊PID控制算法，通过期望加速度与实际加速度的差值，作为系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。
控制时，引入二阶低通滤波器作为信号滤波器，保证输出的期望加速度无震荡，其截止频率ω_n为10rad/s，阻尼比ξ为1，避免对节流阀的频繁动作，所需的加速度转换为节气门位置时，其单位为百分比，应用饱和块来约束输出在0%到100%之间变化。
控制时，引入抗饱和模块，保证期望节气门比例在设定的合理范围内，当加速度转换为节气门时，变化范围值在0%到100%之间，超过100%后，节气阀自动关闭。
模糊PID控制中，引入两个可调节的参数kf,e和kf,ec，根据具体的车型进行标定和调节以充分掌控模糊控制器系统性能。
模糊PID控制中，如图3-图8所示，为本发明的三角形模糊规则中e(t)的隶属函数图、de(t)/dt的隶属函数图、输出隶属函数图、比例增益uf,p的规则表、积分增益uf,i的规则表，使用三角形模糊规则，将加速度误差值以及加速度误差值的导数作为两通道输入，并根据设定的隶属度函数计算获得用于计算PID参数的两通道比例因子kf,p、kf,i。
模糊PID控制中，引入PID控制器上下限控制，保证PID参数在比例因子控制下不超出规定的参数设置范围。
模糊PID控制中，在计算PID参数过程中，引入ZN公式，作为PID控制器参数的工程整定标准，确定合理的PID参数上下限值，通过测试获得二阶系统临界震荡下的放大系数和周期计算最优的PID参数。
模糊PID控制中，对于kf,e和kf,ec这两个参数的实时优化，采用粒子群算法，具体方式是：考虑控制器对系统的响应时间、最大超调量以及积分绝对误差三个因素，构成代价函数，粒子群算法进行实时优化，最小化代价函数，最优化这两个参数，获得当前工况下最优的参数设置。
附图中，N为negative的缩写，表示负数；B为big的缩写，表示最大值；P为positive的缩写，表示正数；S为small的缩写，表示最小值；ZO为zero的缩写，表示零点；M为mid的缩写，表示中间值。
本具体实施方式对节气门控制采用模糊PID控制，适应性强，鲁棒性强，其控制品质对被控对象的变化不太敏感，非常适用于恶劣的环境，且能够很好地适应非线性控制，在凸优化前提下，理论证明控制器的系统稳定性可以被保证；额外引入两个可标定参数，使得模糊控制器具有更好鲁棒性；采用粒子群算法，根据实时状态滚动优化PID参数以达到系统表现的最优，具有更好的实时性和计算效率；引入ZN公式作为整定PID参数的工程方法，通过测试获得二阶系统临界震荡下的放大系数和周期等参数，通过计算可获得PID控制器的参数。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于模糊PID控制的油门控制系统，其特征在于：包括控制机构和执行机构；所述控制机构为控制器本体，控制器本体采用模糊PID控制，所述执行机构为油门控制器；
具体控制步骤如下：将模拟期望加速度值输入控制器本体，当期望加速度位于节气门控制区域时，控制器本体控制油门控制器，油门控制器通过控制节气门开度，进行加速控制，并逐渐达到期望加速度值；输入模拟期望加速度值不在控制区域内，控制器本体通过控制节气门的位置，进行加速度匹配控制：当期望加速度没有在节气门控制区域时，节气门通过模糊PID控制来调节加速度值，当节气门采集到加速度信息后，通过低通滤波将控制信号传给车辆，车辆再通过负反馈调节，根据期望加速度和实际加速度的百分比，调节节气门大小，并短时间内达到期望加速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制的油门控制系统，其特征在于：所述模糊PID控制算法，通过期望加速度与实际加速度的差值，作为系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制的油门控制系统，其特征在于：控制时，引入二阶低通滤波器作为信号滤波器，保证输出的期望加速度无震荡，其截止频率ω_n为10rad/s，阻尼比ξ为1，避免对节流阀的频繁动作，所需的加速度转换为节气门位置时，其单位为百分比，应用饱和块来约束输出在0%到100%之间变化。
4.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制的油门控制系统，其特征在于：控制时，引入抗饱和模块，保证期望节气门比例在设定的合理范围内，当加速度转换为节气门时，变化范围值在0%到100%之间，超过100%后，节气阀自动关闭。
5.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制的油门控制系统，其特征在于：模糊PID控制中，引入两个可调节的参数kf,e和kf,ec，根据具体的车型进行标定和调节以充分掌控模糊控制器系统性能。
6.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制的油门控制系统，其特征在于：模糊PID控制中，使用三角形模糊规则，将加速度误差值以及加速度误差值的导数作为两通道输入，计算获得两通道比例因子输出。
7.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制的油门控制系统，其特征在于：模糊PID控制中，引入PID控制器上下限控制，保证PID参数在比例因子控制下不超出规定的参数设置范围。
8.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制的油门控制系统，其特征在于：模糊PID控制中，引入ZN公式，作为PID控制器参数的工程整定标准，确定合理的PID参数上下限值。
9.根据权利要求5所述的一种基于模糊PID控制的油门控制系统，其特征在于：模糊PID控制中，对于kf,e和kf,ec这两个参数的实时优化，采用粒子群算法，具体方式是：考虑控制器对系统的响应时间、最大超调量以及积分绝对误差三个因素，构成代价函数，粒子群算法进行实时优化，最小化代价函数，最优化这两个参数，获得当前工况下最优的参数设置。
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