江蘇大學控制系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計與仿真報告

1、. J I A N G S U U N I V E R S I T Y 電 氣 信 息 工 程 學 院 控制系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計與仿真報告學院名稱： 電氣信息工程學院 專業(yè)班級： 電氣碩1122 學生姓名： 張三 學 號： 123456789 2016年6月3號;引言本學期學習了控制系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計與仿真課程，主要講述了控制系統(tǒng)的整體概念，包括控制系統(tǒng)的反正分析、MATLAB/simulink的介紹以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)。MATLAB/simulink在我們平時可言中是一個重要的學習工具，方程的編寫、數(shù)據(jù)的采集以及仿真基本上都可以由它來完成，相比較其他工具具有很大的優(yōu)勢，例如：1 高效的數(shù)值計算及符號計算

2、功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學運算分析中解脫出來；2 具有完備的圖形處理功能,實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化；3 友好的用戶界面及接近數(shù)學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握；4 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ,為用戶提供了大量方便實用的處理工具。本課程老師為我們講解了控制系統(tǒng)的模型以及仿真實例、線性系統(tǒng)仿真分析方法、非線性控制系統(tǒng)仿真方法，從系統(tǒng)的模型開始，建立模擬以及狀態(tài)方程，再對模型進行MATLAB編程等，受益匪淺。以下就是本人通過本次課程的學習，然后對汽車速度控制系統(tǒng)進行設(shè)計分析，在已有的模型下，對設(shè)計的汽車速度控制系統(tǒng)進行Matlab語言仿真。 汽車速度控制系統(tǒng)

3、的設(shè)計與仿真1研究背景與意義隨著汽車工業(yè)和公路運輸業(yè)的發(fā)展，汽車將走進千家萬戶，駕駛?cè)藛T非職業(yè)化的特點將突出，車輛駕駛的自動化己成為汽車發(fā)展的主要趨勢?？缛攵皇兰o后，人們需要更加舒適、簡便和安全的交通工具，以適應(yīng)快捷的生活節(jié)奏，因此對汽車的智能化要求更加迫切，隨著計算機和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能價格比不斷提高，為汽車的優(yōu)化提供了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)，汽車實現(xiàn)智能化已不是夢想。駕駛汽車長途行駛的機會較多，而且在高速公路上行駛時變換車速的頻率及范圍都較少，能以較穩(wěn)定的車速行駛。但若長途駕駛而右腳不得不踩油門踏板時，久而久之駕駛員就會感到疲勞，容易發(fā)生交通事故。車輛自動變速器及其控制技術(shù)是智能汽車非常

4、重要的內(nèi)容，是汽車輔助駕駛系統(tǒng)和自動駕駛系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是目前我國智能汽車發(fā)展亟須解決的核心技術(shù)之一。此外。汽車速度控制系統(tǒng)，又稱為汽車巡航控制系統(tǒng)CCS(Cruise Control System)。隨著我國高速公路網(wǎng)建設(shè)縱橫迅速延伸，自動速度控制也具備了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景車電子技術(shù)新裝置之一，它實際上就是一種輔助駕駛系統(tǒng)。汽車定速速度控制裝置的使用減輕了駕駛員操縱強度,減少了不必要的車速變化,提高了駕駛的舒適性和安全性。汽車速度控制系統(tǒng)研究分為兩大部分，第一部分是系統(tǒng)硬件和運行控制基礎(chǔ)軟件的開發(fā)，另一部分是速度控制算法的研究，本次報告主要研究第二部分。2.研究概況及發(fā)展趨勢目前我國的自動速度

5、控制裝置仍處于研制階段，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品還未見報道。由于國內(nèi)汽車研究起步較晚，技術(shù)相對落后，并且就目前我國公路狀況和實際應(yīng)用來說，對汽車速度控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用主要是以單車定速控制為主。隨著我國高速公路建設(shè)規(guī)模的逐漸擴大，汽車產(chǎn)量的急劇上升和排放法規(guī)的建立，國內(nèi)汽車市場迫切需要適合我國基本國情的汽車自動速度控制系統(tǒng)。從總體來說，汽車速度控制系統(tǒng)有以下幾個發(fā)展趨勢：（1)新控制理論的應(yīng)用 車輛的行駛狀況受到成員的多少、發(fā)動機輸出的變化因素等影響。駕駛者需要更平順的駕駛感覺和更自然的速度控制，以傳統(tǒng)的控制理論為基礎(chǔ)，又引入了新的控制理論。目前，模糊控制等新理論已不斷得到應(yīng)用。（2)走?？刂疲含F(xiàn)

6、在對CCS的研制和開發(fā)主要是針對在高速公路上高速行駛的車輛，而不適用于城市中低速、高車流密度情況下使用，走?？刂普荂CS針對車速低、車距近的行駛情況所做的功能擴展，這要求CCS具有更好的近距離探測能力，更快的信號處理功能，更迅速的系統(tǒng)響應(yīng)，同時還向CCS提出了增加車輛的自動起步功能。這樣即使在堵車情況下也無須駕駛員參與，只需操縱車輛的轉(zhuǎn)向即可。駕駛員可以完全從煩瑣的駕駛操作中解放出來。（3)隨著近幾年智能公路概念的提出以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，未來的CCS將同其他的汽車電控系統(tǒng)相互融合，形成智能汽車電子控制系統(tǒng)，駕駛這種汽車只需在顯示器中指明所要到達的目的地，汽車就會在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的指引

7、下，借助公路兩旁的電子標志牌無需人為參與就可安全駛達目的地，實現(xiàn)完全的自動駕駛功能。（4)集成化 隨著近幾年智能公路概念的提出以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，未來的汽車速度控制系統(tǒng)將同其它的汽車電控系統(tǒng)相互融合，形成智能汽車電子控制系統(tǒng)，例如它可同加速防滑系統(tǒng)以及發(fā)動機控制器等各種電控系統(tǒng)集成起來。集成化有助于降低成本，增強各系統(tǒng)間的內(nèi)在聯(lián)系，充分利用各種車輛信息，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。3速度控制系統(tǒng)的簡述現(xiàn)在許多轎車都有速度控制系統(tǒng)。速度控制系統(tǒng)（Speed Control System）又稱為巡航控制系統(tǒng)（Crusle Control System），縮寫為CCS。本文所設(shè)計自動巡航

8、系統(tǒng)主要由決策模塊，ACC控制模塊和發(fā)動機模塊三個大部分構(gòu)成，巡航系統(tǒng)中三大模塊的工作原理圖如圖3.1所示：圖3.1巡航系統(tǒng)的工作原理圖(1)決策模塊：帶有決策控制功能，能夠針對自動巡航系統(tǒng)的定速功能和跟車衡速行駛功能進行判斷及自動切換，對進入和退出該系統(tǒng)進行自動判斷。(2)ACC控制模塊：帶有PID控制器，通過反饋量對所輸入的車速進行微調(diào)，使其保持相對穩(wěn)定的輸出。該模塊的輸入量為車速，通過模塊轉(zhuǎn)換，使其輸出量變成控制節(jié)氣門開度和制動踏板的信號量。(3)發(fā)動機模塊：進行發(fā)動機部分的仿真，通過ACC模塊的輸出量進行工作，輸出速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等一系列數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成波形直觀的對巡航系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析。

9、4.系統(tǒng)模型建立及性能分析汽車種類很多，不同汽車自身速度傳遞系統(tǒng)的數(shù)學模型不盡相同，但總的來說是相似的。圖4.1為坡路上行駛汽車的受力圖。圖中，F(xiàn)e是引擎動力；是坡路與水平面的夾角；Fh為重力分量；Fr是空氣阻力；m為汽車的質(zhì)量；x為汽車的位移。圖4.1坡路上行駛汽車的受力圖 根據(jù)牛頓第二定律，汽車的運動方程為： mx=Fe-Fr-Fh （4-1）式中，各物理意義如下：1、m為汽車質(zhì)量，本文中取為100個質(zhì)量單位。2、Fe是引擎動力。最大驅(qū)動力為1000，最大制動力為-2000，即-2000<=Fe<=1000 (4-2) 3、Fr是空氣阻力，它與轎車的速度平分成正比，其表達式為：

10、Fr=0.001(x+20sin(0.01t)2 (4-3) 式中第二項是為近似考慮“陣風”而引入的，x為行駛汽車的水平速度。4、Fh是重力分量，其表達式為： Fh=30sin(0.0001xx) (4-4) 式中的正弦項是為考慮坡路與水平夾角的變化而引入的。根據(jù)以上計算可建立行駛汽車的Simulink模型如圖4.2所示。圖4.2行駛汽車simulink模型1、In1模塊：為“指令”驅(qū)動力Fe提供輸入端口。2、Out1模塊：為輸出汽車實際速度Sa提供輸出端。3、Constant1模塊：設(shè)置驅(qū)動力上限，Constant value欄填寫1000。4、MinMax1模塊：其參數(shù)設(shè)置如圖4.3所示，

11、Function欄填寫min（缺省設(shè)置），Number of input ports欄填寫2（缺省設(shè)置），則模塊輸入取兩個輸入中的小者。與此同時，該模塊的圖標以min表示。5、Constant模塊：設(shè)置制動力下限，Constant value欄填寫-2000。6、MinMax模塊：在圖4.3中，F(xiàn)unction欄填寫max，則模塊取兩個輸入中的大者。與此同時，該模塊的圖標也以max表示。7、Clock模塊：為接受仿真時間數(shù)據(jù)t提供輸入端口。8、Fcn模塊：實現(xiàn)空氣阻力Fw（見式4-3），該模塊的輸入是x,t構(gòu)成的向量，所以，根據(jù)Fcn模塊表達式必須遵循的第一個規(guī)則，在Expression欄中填

12、寫0.001*（u(1)+20*sin(0.01*u(2)）2。9、Fcn1模塊：實現(xiàn)重力分量Fh（式4-4）。該模塊的輸入為位移標量x，輸出是重力分量Fh，則在Expression欄中填寫30*sin(0.0001*u)。圖4.3MinMax模塊參數(shù)設(shè)置5.系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析5.1采用P控制比例控制器的工作原理是：根據(jù)期望速度和實際速度之差產(chǎn)生指令驅(qū)動力Fc，其數(shù)學模型為：Fc=Kp(Xc-X) （5-1）式中Kp為比例系數(shù)，；Xc為汽車期望速度；X為汽車實際速度?！爸噶睢彬?qū)動力Fc與實際驅(qū)動力Fe的差別在于：前者是理論上需要的計算力，后者是受物理限制后實際能提供的力。由式5-1構(gòu)建的比例控

13、制器模型如圖5.1所示。圖中In1和In2分別是比例控制器模型的期望速度Xc與實際速度X的輸入端口模塊，Out1是“指令”驅(qū)動力Fc的輸出端口模塊。圖5.1比例控制器模型根據(jù)上文分析結(jié)果，將比例控制器模型和行駛汽車模型進行適當?shù)倪B接，即可得到如圖5.2所示的受控汽車的完整模型。圖5.2 P控制完整模型圖5.2中Slider Gain模塊的功能是實現(xiàn)可變的汽車期望速度。用鼠標左鍵雙擊Slider Gain模塊，打開圖5.3所示的操作窗口，將Low（下限）設(shè)置為0，High（上限）設(shè)置為100，滑鍵所在位置為增益值（圖中為60，即汽車期望速度）。同時，該模塊還需要“恒值”輸入信號Constant的

14、激勵。圖4.3滑鍵增益模塊操作窗口為了方便觀察比較，速度量還被送到Display（數(shù)值顯示器）和Scope。在仿真過程中可以從數(shù)值顯示器上看到汽車的實際車速。先取比例系數(shù)Kp=10，然后將圖5.2模型窗口的仿真結(jié)束時間設(shè)置為10000。仿真前先分別打開Slider Gain操作窗口和示波器窗口，仿真結(jié)果如圖5.4及圖5.5所示。在仿真過程中，若在Slider Gain操作窗口移動滑鍵，可以從模型窗口的Slider Gain模塊圖標上看到變化的期望車速。與此同時還可以看到，Display模塊所顯示的實際車速在控制作用下不斷翻動地向期望車速逼近。圖5.4 仿真結(jié)果圖5.5 Kp=10時車速仿真圖由

15、圖5.4和圖5.5的仿真結(jié)果可得，Kp=10穩(wěn)態(tài)誤差為1.25，但調(diào)節(jié)時間超過了30ms，所以增大Kp，再取Kp=50按上述步驟仿真，結(jié)果如圖5.6所示。圖5.6 Kp=50時車速仿真圖由圖5.6可知 Kp=50時實際車速達到期望速度，穩(wěn)態(tài)誤差可忽略不計，調(diào)節(jié)時間在10ms左右，再增大Kp，取Kp=150，結(jié)果如圖5.7所示。圖5.7 Kp=150時車速仿真圖由圖5.7可知Kp=150時，實際車速同樣達到期望速度，誤差可忽略，且調(diào)節(jié)時間小于10ms，繼續(xù)增大Kp。取Kp=180結(jié)果如圖5.8所示。圖5.8 Kp=180時車速仿真圖由圖5.8可知Kp=180時系統(tǒng)不穩(wěn)定。經(jīng)過反復(fù)仿真驗證得知Kp

16、取值在20到150之間較為合適。5.2采用PI控制在上文P控制仿真模型的基礎(chǔ)上加上積分環(huán)節(jié)可得圖5.9所示的PI控制汽車完整模型。圖5.9 PI控制完整模型由上文可知比例系數(shù)Kp范圍為20150，所以取Kp=60，然后取積分系數(shù)Ti=0.5，仿真結(jié)果如圖5.10所示。圖5.10 PI控制仿真結(jié)果圖5.11 Ti=0.5車速仿真圖 由圖5.10及5.11可知在Ti=0.5時，穩(wěn)態(tài)誤差僅為0.27，調(diào)節(jié)時間在10ms左右，最大偏離量約為1左右，超調(diào)量約為2%，增大Ti，取Ti=1，仿真結(jié)果如圖5.12所示。圖5.12 Ti=1.0車速仿真圖由圖5.12可知Ti=1.0時，穩(wěn)態(tài)誤差為0.16。調(diào)節(jié)時

17、間大于10ms，超調(diào)量約為4%左右。繼續(xù)增大Ti，再取Ti=4,結(jié)果如圖5.13所示。圖5.13Ti=5車速仿真圖由圖5.13可知Ti=4時調(diào)節(jié)時間超過20ms，穩(wěn)態(tài)誤差僅為0.04但超調(diào)量為16.7%左右，超調(diào)過大。經(jīng)過反復(fù)仿真驗證得知Ti取值在0.1到2.0為合適。5.3采用PID控制在上文PI控制仿真模型的基礎(chǔ)上加上微分環(huán)節(jié)就可得到圖4.13所示的PID汽車完整模型。圖5.14 PID控制完整模型 由上文討論結(jié)果可知比例系數(shù)Kp取60，積分系數(shù)Ti取0.5較為合適，然后微分系數(shù)取Td=10，仿真結(jié)果如圖5.14和圖5.15所示。圖5.15 PID控制仿真結(jié)果圖5.16 Td=10車速仿真圖由圖5.16可知調(diào)節(jié)時間為10ms左右，穩(wěn)態(tài)誤差為0.29，超調(diào)量為2%左右。增大Td，再取Td=50，仿真結(jié)果如圖5.17所示。圖5.17 Td=50車速仿真圖由圖5.17可知Td=50時，穩(wěn)態(tài)誤差為0.31，超調(diào)量也變化不大約為2%。但調(diào)節(jié)時間超過了10