基于模糊邏輯的車速控制系統(tǒng)設(shè)計_第1頁
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基于模糊邏輯的車速控制系統(tǒng)設(shè)計_第3頁
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文檔簡介

1、基于模糊邏輯的車速控制設(shè)計摘要:汽車巡航控制系統(tǒng)具有強非線性、時變不確定性,并受到外界擾動、復(fù)雜的運行工況等影響,采用傳統(tǒng)PID控制很難取得滿意的效果。本文設(shè)計了一種基于模糊PI和模糊PD控制算法的汽車巡航控制系統(tǒng),并給出了系統(tǒng)的仿真結(jié)果。研究結(jié)果顯示,所設(shè)計 的巡航控制系統(tǒng)算法可行有效,性能指標均到達預(yù)定工程實用要求。關(guān)鍵詞:巡航控制;模糊控制; PI控制;PD控制一、概述汽車巡航控制系統(tǒng),簡稱COSCruise Control System它實際上是一種輔助 駕駛系統(tǒng)。在裝備巡航控制系統(tǒng)的汽車上,當(dāng)汽車行駛速度超過一定值一般為40 km/h時,如果駕駛員利用巡航控制開關(guān)設(shè)定一個車速,那么在

2、巡航控制期 間,隨著道路坡度的變化以及汽車行駛中所可能遇到的阻力,車輛自動變換節(jié)氣門開度或自動進行檔位轉(zhuǎn)換,以按存儲在微機內(nèi)的最正確燃料經(jīng)濟性規(guī)律或動力性 規(guī)律穩(wěn)定行駛。汽車巡航控制系統(tǒng)可以減輕駕駛員的負擔(dān), 減少了不必要的車速 變化,最大限度地節(jié)省燃料,降低排氣污染,提高發(fā)動機的使用效率,并可在一 定程度上提高汽車的動力性能和乘坐的舒適性。目前,很多車輛,特別是高級轎車已經(jīng)把巡航控制系統(tǒng)作為配備設(shè)備或備選 設(shè)備。由于國內(nèi)對汽車巡航的研究起步較晚,并且技術(shù)相對落后,所以國內(nèi)對汽車巡航控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用主要是以單車定速控制為主。雖然國內(nèi)的一些規(guī)構(gòu)已經(jīng)開始了對電子式巡航控制裝置的研究,但從總體上來

3、說,目前國內(nèi)對汽車巡航控制系統(tǒng)的研究還不是很成熟。目前,發(fā)動機和車輛系統(tǒng)的電子控制系統(tǒng)在不斷增加,這有助于改善燃油經(jīng)濟性,減少排放,提高駕駛平安性以及降低生產(chǎn)本錢。 但是,車輛系統(tǒng)環(huán)境惡劣: 特別是在高溫、潮濕、振動強烈、充滿電子干擾的發(fā)動機室,會導(dǎo)致電子系統(tǒng)各 種形式的失效,進而甚至導(dǎo)致交通事故和人員傷亡。本文應(yīng)用模糊控制邏輯設(shè)計了車速控制器,調(diào)節(jié)車輛速度到設(shè)定值并保持恒二、車輛模型構(gòu)建根據(jù)研究角度選擇汽車動力學(xué)模型如式(1)所示:1 2:tAp 2(t)-d f(t)m. 1 式 (1) f(t) = (-f(t) u(t)T式中:u(t)為控制輸入(u(t) >0代表油門輸入,u(

4、t) <0代表剎車輸 入);車輛質(zhì)量m為1300Kg ;空氣阻力 Ap系數(shù)=0.3 ;恒定摩擦力d =100N; f (t)為驅(qū)動/制動力;.=0.2s。應(yīng)用模糊控制方法的目標為快速調(diào)節(jié)車輛速度到達駕駛員設(shè)定值并保持恒定。三、基于模糊邏輯的速度控制器設(shè)計及仿真試驗?zāi):刂婆c神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是控制工程師為了應(yīng)對十分復(fù)雜的系統(tǒng)而提出的控 制方法論,模糊控制在巡航控制領(lǐng)域有著優(yōu)良的應(yīng)用。3.1模糊PI控制器設(shè)計假設(shè)我們想精確的跟蹤駕駛員設(shè)定的階躍或傾斜車速變化,將應(yīng)用圖1所示 的PI模糊車速控制器。圖中,g0、g1、g2為信號增益,b(t)為積分器輸入。圖1模糊PI車速控制系統(tǒng)框圖由于車輛系統(tǒng)為一階常

5、微分方程,因此可以用龍格庫塔方法進行閉環(huán)仿真試 驗。實施以下不同參考輸入下的仿真分析:1) 當(dāng)0<t<10時,初始車速設(shè)定為18m/s;當(dāng)10<t<30時,目標車速設(shè)定為22m/s2) 當(dāng) 0<t<10時,初始車速設(shè)定為18m/s;當(dāng)t>10,目標車速在25s內(nèi)由18m/s 至22m/s線性傾斜變化;當(dāng)25<t<30時,目標車速保持22m/s。3當(dāng)0<t時,靜止車輛目標車速設(shè)定為 22m/s。模糊控制器的設(shè)計參數(shù)為:超調(diào)量小于 2%,上升時間為5至7秒,穩(wěn)定時 間小于8秒。仿真參數(shù)設(shè)置為:積分步長為 0.01秒,求解器為龍格庫塔算法。

6、 三次仿真試驗結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示。Vehicle Speed(solid) and desired speed (dashed)Time(sec)Output of fuzzy con troller (i nput to the vehicle)圖2測試輸入一響應(yīng)曲線在實驗一中可以看出,速度上升時間為 7.2秒,穩(wěn)定時間小于8秒,超調(diào)量 為0.9%,遠小于2%的要求,證明控制器設(shè)計滿足預(yù)定設(shè)計要求,性能良好。Vehicle Speed(solid) and desired speed (dashed)Output of fuzzy con troller (i nput to the

7、 vehicle)圖3測試輸入二響應(yīng)曲線Vehicle Speed(solid) and desired speed (dashed)Output of fuzzy con troller (i nput to the vehicle)圖4測試輸入三響應(yīng)曲線3.2模糊PD控制器設(shè)計以下對模糊PD控制算法進行設(shè)計,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示圖5模糊PD車速控制系統(tǒng)框圖應(yīng)用一個后向差分環(huán)節(jié)簡化微分,如式(2)所示?!?、e(t) - e(t - h) c(t)=h模糊PD控制器的設(shè)計要求為:超調(diào)量小于 2%;上升時間為7至10秒;對 于實驗一輸入穩(wěn)定時間控制在10秒以內(nèi);對于實驗二傾斜輸入信號,穩(wěn)態(tài)誤差

8、 控制在Imps與模糊PI控制器閉環(huán)仿真類似,進行數(shù)值分析試驗,結(jié)果如圖6 圖7、圖8所示。10003006004002000051015202530Time (sec)800°060040020052530101520Time (sec)圖7測試輸入二響應(yīng)曲線"051015202530Time (sec)圖8測試輸入三響應(yīng)曲線可以看出,所設(shè)計的模糊PD控制器各項指標到達預(yù)定設(shè)計要求。在測試輸 入一響應(yīng)曲線中,上升時間為 9秒,在7至10秒的范圍內(nèi);超調(diào)量遠小于2%; 穩(wěn)定時間成功控制在10秒以內(nèi)。對于測試輸入二,穩(wěn)態(tài)誤差控制在Imps內(nèi)。在測試輸入三仿真試驗中,上升時間符

9、合 7至10秒范圍,穩(wěn)態(tài)誤差小,性能優(yōu) 良??偨Y(jié)與展望在車輛巡航控制系統(tǒng)中,為了保持恒定的車速,設(shè)計了一個基于模糊邏輯的 控制器。通過仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)采用模糊邏輯控制方法聯(lián)合經(jīng)典PID控制算法來設(shè)計汽車巡航控制系統(tǒng)時,系統(tǒng)的超調(diào)小,反響速度快,具有良好的魯棒 性,可以到達預(yù)期控制效果??刂破髟O(shè)計過程可總結(jié)為:1、控制對象建模;2、模糊控制器設(shè)計;3、計算機數(shù)值仿真試驗。參考文獻st1 Passi noK M,Yurkovich S.Fuzzy Con trol,1ed n,Addisio nWesleyLon gma n,Colifornia,19972 Ward D.Berlitz co

10、mplete guide to cruising and cruise ships 2000.Princeton,New Jersey:Berlitz Publishing Company,19993 Ioannou P A,Chien C C. Autonomous Intelligent Cruise Control,EEE Trans.on Vehicular Tech nology,1993,42(4):6576724 Mayr R.n tellige nt cruise con trol for vehicle based on feedback lin earizatio n.Pr

11、oc.of American Con trol Co nferen ce,1994:16205 Mayr R,Bauer O. Safety issues in intelligent cruise control .Proc. Of 1999 IEEE Intelligent Transportation Systems,1999:970975.附錄一文中仿真所用程序clear%Vehicle Parameterm=1300;Ar=0.3;tau=0.2;d=100;%Initialiaze parameter for the fuzzy controllernu me=11;nu mie=

12、11;g仁 1;g2=.01;g0=1000;we=0.2*(1/g1);wie=0.2*(1/g2);base=0.4*g0;ce=-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1*(1/g1); cie=-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1*(1/g2);rules=-1-1-1-1-1-1-0.8-0.6-0.4 -0.2 0;-1 -1 -1 -1 -1-0.8 -C1.6 -0.4 -0.2 0 0.2;-1 -1 -1 -1 -0L8 -0.6 -(0.4 -0.200.2 0.4;-1 -1 -1

13、 -0.8 -0.6-0.4 -0.20 |0.2 0.4 0.6;-1 -1 -0.8-0.6 -0.4- 0.6 0.8;-1 -0.8-0.6-0.4-0.6 0.8 1 ;-0.8-0.6-0.4 -0.60.8 1 1 ;-0.6-0.4-0.2 00.81 1 1 ;-0.4-0.60.811 1 1 ;-0.60.8111 1 1 ;00.811 1 111 *g0;t=0;in dex=1;tstop=60;step=0.01;x=18;197

14、.2;20;while t<=tstopv(i ndex)=x(1);%Test 1if t<=10,vd(i ndex)=18;e ndif t>10,vd(i ndex)=22;e nd%Test2%if t<=10vd(i ndex)=18;e nd%if t>10,vd( in dex)=vd(i ndex-1)+(2/750);e nd%if t>25,vd(i ndex)=22;e nd%Test3%vd(i ndex)=22;ie_coun t=0;e_co un t=0;e(i ndex)=vd(i ndex)-v(i ndex);b(i n

15、dex)=x(3);%if e(i ndex)v=ce(1)mfe=1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;e_co un t=e_co unt + 1;e_i nt=1;elseif e(i ndex)>=ce( nu me)mfe=0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1;e_co un t=e_co unt + 1;e_i nt = nu me;elsefor i=1: numeif e(i ndex)v=ce(i) mfe(i)=max(0,1+(e(i ndex)-ce(i)/we);if mfe(i)=0e_coun t=e_co un t+1;e_in t=i;end

16、elsemfe(i)=max(0,1+(ce(i)-e(i ndex)/we);if mfe(i)=0e_co un t=e_co un t+1;e_in t=i;endendendend%if b(i ndex)v=cie(1)mfie=1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;ie_co un t=ie_co un t+1;ie_i nt=1;elseif b(i ndex)>=cie( nu mie)mfie=0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1;ie_co un t=ie_co un t+1;ie_i nt=nu mie;elsefor i=1: nu mieif b(i

17、 ndex)v=cie(i)mfie(i)=max(0,1+(b(i ndex)-cie(i)/wie); if mfie(i)=0ie_co un t=ie_c ount + 1;ie_i nt=i;endelsemfie(i)=max(0,1+(cie(i)-b(i ndex)/wie); if mfie=0ie_co un t=ie_c ount + 1;ie_i nt=i;endendendend%num=0;den=0;for k=(e_i nt-e_co un t+1):e_i ntfor l=(ie_i nt-ie_cou nt+1):ie_i ntprem=min(mfe(k)

18、 mfie(l);num=nu m+rules(k,l)*base*(prem-(prem)A2/2); den=den+base*(prem-(prem)A2/2);endend u(i ndex)=num/den; time(i ndex)=t;F=(1/m)*(-Ar*x(1F2-d+x (2); (1/tau)*(-x (2)+u(i ndex); vd( in dex)-x(1);k1=step*F;xn ew=x+k1/2;F=(1/m)*(-Ar*x new(1)A2-d+x new(2); (1/tau)*(-x new(2)+u(i ndex); vd(i ndex)-x new(1);k2=step*F; xn ew=x+k2/2;F=(1/m)*(-Ar*x new(1)A2-d+x new(2);(1/tau)*(-x new(2)+u(i ndex);vd(i ndex)-x new(1);k3=step*F;xn ew=x+k3;F=(1/m)*(-Ar*x new(1)A2-d+x new(2);(1/tau)*(-x new(2)+u(i ndex);vd(i ndex)-x new(1);k4=step*F;x=x+(1/6)*(k1+2*k2+2*k3+k4);t=t+step;in

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