《基于綜合PID算法的汽車巡航控制系統(tǒng)》_自動控制理論課程設(shè)計(jì)報(bào)告.

1、?自動控制理論?課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：基于綜合PID算法的 汽車巡航控制系統(tǒng) 姓名： 李 根 班級： 自1202 學(xué)號： 41251054 2021年7月基于綜合PID算法的汽車巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，人們的生活水平也在不斷提升，伴隨著的汽車消費(fèi)也進(jìn)入了群眾化階段，人們對汽車駕駛的平安性和舒適性要求也越來越高。汽車巡航控制技術(shù)的不斷革新正是這一現(xiàn)象的重要表達(dá)。本設(shè)計(jì)報(bào)告所研究的汽車巡航控制系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制，綜合采用位置式和增量式PID控制算法。由于位置式PID控制算法運(yùn)算量大，對微處理器的性能要求高，增量式PID控制算法抗外界干擾能力弱，所以PID控制器的微分環(huán)節(jié)采

2、用位置式PID控制算法，積分和比例環(huán)節(jié)采用增量式PID控制算法，以此棄其缺乏，集其長處，綜合兩者以到達(dá)最正確的控制效果。關(guān)鍵詞：巡航控制、位置式PID控制算法、增量式PID控制算法、仿真研究Abstract:With the growing of Chinas economic strength, peoples living standards are rising too.Along with the automobile consumption has also entered the popular phase.The vehicle driving safety and comfor

3、t were required higher and higher.The new innovation of vehicle cruise control technology is one of the important embodiment of this phenomenon.This design report study of vehicle cruise control system is a closed-loop control system.It is comprehensive used position type and incremental PID control

4、 algorithm. For the position type PID control algorithms computational is very large,it must be have high performance microprocessor.Incremental PID control algorithms ability of resist Outsider Interference is very weak.So,PID controllers differentiation element is utilized position type PID contro

5、l algorithm,its integral and proportional element is utilized incremental PID control algorithm.This method can abandon its disadvantage and set its strengths, Integrated both two in order to achieve the best control effect.Keywords:Cruise control,Position type PID control algorithm,Incremental PID

6、control algorithm,Simulation study1.引言汽車巡航控制系統(tǒng)，簡稱CCS。汽車巡航控制技術(shù)是指在一定的車速范圍內(nèi)，當(dāng)汽車受到外力干擾時，允許駕駛員不用控制加速踏板，該系統(tǒng)通過自動調(diào)整節(jié)氣門開度從而調(diào)整發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使汽車按設(shè)定的車速恒速行駛的控制技術(shù)。汽車巡航控制系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：1，無論是上坡、下坡還是在平直的路面上行駛，或是受到諸如溫度、濕度、風(fēng)速、路面狀況等外力的干擾，只要在發(fā)動機(jī)功率允許的范圍內(nèi)，車輛均可保持勻速行駛。2，可提高駕駛時的舒適性和平安性，減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，對保證行車平安十分有利。3，汽車在以恒定車速行駛時，可使燃油消耗與發(fā)動機(jī)輸出功率處于最正

7、確配合狀態(tài)，既能降低燃油消耗，也能降低大氣污染。隨著我國高速公路網(wǎng)的迅速擴(kuò)大和延伸，汽車巡航控制系統(tǒng)的優(yōu)越性能也將更加表達(dá)出來，汽車巡航技術(shù)在我國具備廣泛的開展和應(yīng)用前景，其研究的意義也是非常重大的。2.課程背景汽車巡航控制技術(shù)是一項(xiàng)在不進(jìn)步，不斷革新的技術(shù)，它的應(yīng)用可以說得上是汽車領(lǐng)域的一大里程碑。自上世紀(jì)50年代開始，汽車巡航控制技術(shù)開始逐漸的走進(jìn)大家的視野，在其不斷開展的歷程中，大致經(jīng)歷了三個階段：以模擬電路為根底的控制系統(tǒng)；以數(shù)字信號為主的控制系統(tǒng)；以智能化為核心的控制技術(shù)。汽車巡航控制技術(shù)是一項(xiàng)將來汽車行業(yè)必將矚目的技術(shù)領(lǐng)域，但是就目前看來，我們國內(nèi)的汽車巡航控制技術(shù)相對國外的興旺國

8、家來講還存在諸多缺乏之處，其控制精度和抗干擾能力等都存在明顯的缺陷，所以我國的汽車巡航控制技術(shù)仍需不斷的改良。3.理論根底常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖如下圖：PID控制是一種線性控制，它是將給定值r(t)與實(shí)際值c(t)構(gòu)成的控制偏差： 式1e(t)的比例(P)、積分(I)、微分(D)進(jìn)行線性組合構(gòu)成控制量，將被控對象進(jìn)行控制。其模擬表達(dá)式為：式2傳遞函數(shù)形式為：式3上式中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。PID控制器各環(huán)節(jié)的作用為：1，比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。2，積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度,

9、，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之那么越強(qiáng)。3，微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。由于計(jì)算機(jī)控制為采樣控制，需將式2中的積分相和微分相進(jìn)行離散化處理，現(xiàn)以一系列采樣時刻點(diǎn)代表連續(xù)時間t，以和式代表積分，增式代表微分，那么可根據(jù)式2進(jìn)行如下變換：式4將式4帶入式2中可得離散的PID表達(dá)式為：式5根據(jù)遞推原理可得增量式PID控制算法表達(dá)式為：式6增量式PID控制系統(tǒng)示意圖為：由式6可得位置式PID控制算法表達(dá)式為：式7位置式PID控制系統(tǒng)示意圖為：通過比擬增量式PID控制

10、算法和位置式PID控制算法可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，位置式PID控制器的輸出為全量輸出，每次輸出都要對e(k)進(jìn)行累加，由此造成處理器工作量增大，由此對處理器的抗干擾能力和性能要求很高；而增量式PID控制器每次只需輸出增量，由此外界對處理器造成的擾動所引起的誤差大大減小。綜合以上分析可知，將位置式、增量式算法結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，組成PID綜合控制算法。即控制器的微分環(huán)節(jié)采用位置式PID算法，對輸出全量直接作衰減運(yùn)算，所以不存在增量式PID算法的微分環(huán)節(jié)中所存在的輸出方向相反的問題；控制器的比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)那么采用增量式PID算法，這樣可防止位置式PID算法中積分環(huán)節(jié)的累加計(jì)算，以減少處理器運(yùn)算工作量

11、。采用綜合PID控制算法的控制系統(tǒng)，勢必能夠大大地改善控制器的動態(tài)品質(zhì)，在汽車巡航的實(shí)際應(yīng)用中也能夠在很短的時間內(nèi)將車速很好的控制在預(yù)先設(shè)定的速度值上。4.對象模型建立對行駛在坡路上的汽車受力分析，其受力情況如下：其中：m為汽車的質(zhì)量；為坡路與水平軸面x的夾角；Fe為汽車引擎產(chǎn)生的牽引力；Fr為汽車所受到的阻力空氣阻力和摩擦力：式8Fh為汽車的重力分量：式9整體來看，行駛在坡路上的汽車所受到的外力大致如上所述。汽車巡航控制系統(tǒng)的控制原理圖大致如下所示：汽車巡航控制器采用速度偏差，即預(yù)先設(shè)定的巡航車速與車輛實(shí)際車速之差做為輸入?yún)⒘?，控制器的輸出控制量為?jié)氣門開度，然后將得到的節(jié)氣門開度輸入到汽車

12、的縱向控制系統(tǒng)模型中，以獲得車輛的實(shí)際車速，將車速通過車速傳感器輸出，實(shí)現(xiàn)巡航系統(tǒng)閉環(huán)反應(yīng)控制。5.PID設(shè)計(jì)與仿真根據(jù)上述位置式和增量式PID控制算法的組合以及對象模型的分析，利用Matlab中的Simulink軟件對建立的對象模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)。汽車的受力模型設(shè)計(jì)圖如下：根據(jù)實(shí)際情況，其中相關(guān)參數(shù)的預(yù)設(shè)如下：1，汽車的最大驅(qū)動力預(yù)設(shè)為1000N；2，最大制動力預(yù)設(shè)為-2500N；3，輸入端1為來自PID控制器的輸入信號；4，增益Gain的值預(yù)設(shè)為0.01；5，空氣阻力的具體函數(shù)為N；6，重力分量和摩擦力之和預(yù)設(shè)為862.3N；7，輸出端1為實(shí)際速度輸出信號。PID控制器模型設(shè)計(jì)圖如下：其中相關(guān)

13、參數(shù)的預(yù)設(shè)如下：1，輸出端2將處理過的速度輸入到汽車的受力模型模塊中；2，輸入端2為來自實(shí)際速度的信號；3，零階保持器所在的比例環(huán)節(jié)的比例系數(shù)暫設(shè)為105,；4，離散時間積分器所在的積分環(huán)節(jié)的積分系數(shù)暫設(shè)為0.5；5，微分環(huán)節(jié)的微分系數(shù)暫設(shè)為30；6，最左端的巡航車速輸入端可以自行調(diào)節(jié)。將汽車的受力模型和PID控制器模型兩個模塊連接起來就構(gòu)成了位置式和增量式PID汽車巡航控制系統(tǒng)的仿真模型，根據(jù)預(yù)設(shè)可知，該P(yáng)ID控制器的相關(guān)參數(shù)為：；。仿真模型如下：通過調(diào)節(jié)最左端的預(yù)設(shè)巡航車速即可實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的一定范圍內(nèi)的巡航車速調(diào)節(jié)，當(dāng)巡航車速發(fā)生大幅的變化時，可以再次調(diào)節(jié)上述仿真模型的相關(guān)參數(shù)以到達(dá)最正確的效

14、果。將巡航車速設(shè)定為60km/h時，其仿真情況如下：從上圖的仿真結(jié)果可以看出，巡航車速為60km/h時，調(diào)節(jié)時間大致在30s之后便能以60km/h的速度勻速前行。將巡航車速設(shè)定為70km/h時，其仿真情況如下：從上圖的仿真結(jié)果可以看出，巡航車速為70km/h時，其調(diào)節(jié)時間大致在50s以內(nèi)，之后車輛便以70km/h的速度勻速前行。將巡航車速設(shè)定為80km/h時，其仿真情況如下：從上圖的仿真結(jié)果可以看出，調(diào)節(jié)時間大致在60s時車速已經(jīng)接近巡航車速為80km/h，之后車速慢慢向80km/h靠攏，并以此速度勻速前行。6.結(jié)論本文的基于位置式和增量式PID控制算法的汽車巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告是建立在目前國

15、內(nèi)一些先進(jìn)的科學(xué)文獻(xiàn)根底上的。經(jīng)過本人的親自實(shí)踐，主要完成了以下幾個方面的工作：1，搜索、查閱并研究了前人做出的汽車巡航控制技術(shù)研究成果的根底上，并從從大量的文獻(xiàn)資料中提取了汽車受力模型和PID控制模型。2，根據(jù)汽車的受力模型，認(rèn)真的分析了汽車行駛過程中受到的驅(qū)動力和阻力，建立了汽車巡航控制系統(tǒng)的仿真模型；并在逐一的試驗(yàn)中根本上確定了各個模塊的參數(shù)適宜范圍。3，設(shè)計(jì)了基于位置式和增量式PID控制算法的控制器，采用取長補(bǔ)短的方法，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)相對簡單，使得在不同車速下的控制效果最優(yōu)。4，用 MATLAB中的Simulink 軟件建立了整個系統(tǒng)的仿真模型，通過不斷調(diào)節(jié)，最終做出了巡航車速

16、分別為80km/h、70km/h、60km/h的仿真結(jié)果，且調(diào)節(jié)效果較為理想?？偟膩碚f，基于位置式和增量式PID控制算法的汽車巡航控制系統(tǒng)較其他單一PID算法的控制系統(tǒng)有著很大的優(yōu)越性，能夠?qū)崿F(xiàn)較高要求的巡航控制條件。7.參考文獻(xiàn)1 薛玲.基于PIC16F873的汽車巡航控制系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)D.哈爾濱理工大學(xué).2005(03).2 仇成群.劉成林.沈法華.等.基于Matlab和模糊PID的汽車巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2021.28(6):197-202.3 付銳.秦加合.王黨青.郭明華.汽車巡航控制系統(tǒng)的定速控制方法的仿真研究A.汽車運(yùn)輸平安保障技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.陜西西安.2021(06).4 齊志鵬.許洪軍.汽車巡航控制系統(tǒng)中雙閉環(huán)反應(yīng)的應(yīng)用A.中國人民解放軍軍事交通學(xué)院電氣教研室.天津.2001(04):300161.5 吳宏鑫.沈少萍.PID控制的應(yīng)用與理論依據(jù)A.北京控制工程研究所.北京.2003(10).6 陳學(xué)文.李萍.汽車巡航控制方法及Simulink仿真J.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào).遼寧工業(yè)大學(xué).2021(02).7 胡克非.定速巡航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D.武漢理工大學(xué).2021(05).8 蘇明.陳倫軍.林浩.模糊PID控制及其MATLAB仿真A.貴州省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院.2004(05).書是我們時代的生命別林斯基書