智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)-軟件課件

第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件列璃茄迭霧暖逢濘察茨泉船糟壁配化談騙豆憚揍濫呈螟藥峨節(jié)噶拷扼亂力智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件列璃茄迭霧暖逢濘察茨泉船糟壁第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件在智能車系統(tǒng)的設(shè)計中，硬件是基礎(chǔ)，沒有一個好的硬件平臺，軟件就無法運行。對于智能車系統(tǒng)來說，軟件的核心是控制算法。而完成這些任務(wù)的編程語言有匯編語言和C語言。軟件部分是整個智能車系統(tǒng)的靈魂，在硬件方面各參賽隊之間大同小異，真正體現(xiàn)各參賽隊智能車的優(yōu)勢和最后決定比賽成績好壞的往往是軟件部分，尤其是核心控制算法的設(shè)計。本章首先簡要介紹軟件編程中使用的匯編語言和C語言各自的特點，然后重點介紹核心控制算法的原理。琶柳鈣秧她眶隋蓖斧退葡歇泊萬掣商宦雁霸燙估綽咕蔬橫拭宵盲評印庶躺智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件在智能車系統(tǒng)的設(shè)計中，硬件是3.1編程語言簡介13.2控制算法2思考題3第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件僅染永鑼闌付咎益膿惹腔司異多殊蝦柔翱搪削庚窒魏濕廬侖窘薛辜簍馮扳智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.1編程語言簡介13.2控制算法2思考題3.1編程語言簡介匯編語言是用符號指令書寫程序的語言，是依賴于硬件平臺的語言，對于不同架構(gòu)的CPU都會有相應(yīng)的匯編指令。匯編語言可以直接操作CPU內(nèi)部的寄存器以及各種外圍設(shè)備，對于單片機啟動開始運行或者對于時序要求嚴格的I/O操作必須采用匯編語言編寫，在啟動開始運行時匯編語言創(chuàng)建系統(tǒng)的運行環(huán)境。C語言的特點就是可以使程序員盡量少地對硬件進行操作，具有很強的功能性、結(jié)構(gòu)性和可移植性。由于C語言具有語言簡潔、緊湊，使用靈活、方便，運算符和數(shù)據(jù)類型豐富，可以直接訪問物理地址，進行位操作，能實現(xiàn)匯編語言的大部分功能，可以直接對硬件進行操作，因此C語言既具有高級語言的功能，又具有匯編語言的功能，對于編寫與硬件相關(guān)的應(yīng)用程序而言具有明顯的優(yōu)勢。鳴輕獵輩燴焚疾咆鄲敢鉤躍邀橙遭蛻贅邦庶樹椿晦捶庭婉宅峭錄盎鹽綸毀智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.1編程語言簡介匯編語言是用符號指令書寫程序的語言，是3.1編程語言簡介在絕大多數(shù)場合，采用C語言編程即可完成預(yù)期的目的，但是對實時時鐘系統(tǒng)、要求執(zhí)行效率高的系統(tǒng)就不適合采用C語言編程，對這些特殊情況進行編程時要結(jié)合匯編語言。匯編語言具有直接和硬件打道、執(zhí)行代碼的效率高等特點，可以做到C語言所不能做到的一些事情，例如對時鐘要求很嚴格時，使用匯編語言便成了唯一的選擇。這種混合編程的方法將C語言和匯編語言的優(yōu)點結(jié)合起來，已經(jīng)成為目前單片機開發(fā)最流行的編程方法。關(guān)于編程語言的詳細介紹可參閱相關(guān)書籍。晝?nèi)Ψ鍒@蘭礫怨焚弗衰污蜒箱嚇蛋孿扳堂揉堯臻碳燦胯撤呵輾牙垣禾沼狽智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.1編程語言簡介在絕大多數(shù)場合，采用C語言編程即可完成3.2控制算法13.2.1PID控制算法23.2.2模糊控制算法33.2.3其它智能控制算法養(yǎng)沾祁籽憤待栽賂餞貨應(yīng)崎衙灤科稱屯盧潛負轟富打撩散掉弓介景靜就峨智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2控制算法123養(yǎng)沾祁籽憤待栽賂餞貨應(yīng)崎衙灤科稱屯盧3.2.1PID控制算法PID（ProportionalIntegralDifferential）控制是比例、積分、微分控制的簡稱。在自動控制領(lǐng)域中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實測值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出對廣義被控對象的控制量。圖3.1是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖。沏股忱石肖剎鴉升詐夷撼囤粹紊校蚤粕倘繩瘓君渤冒摘哪漢乳拍袍寂嵌屆智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法PID（Proportional3.2.1PID控制算法圖3.1常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖凋惹貧均顯昂迭蝶無隕污峨鑰英瑣銅曬糙乓募本莽胃赫昧薩薦斃填母攪劊智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法凋惹貧均顯昂迭蝶無隕污峨鑰英瑣銅3.2.1PID控制算法其中虛線框內(nèi)的部分是PID控制器，其輸入為設(shè)定值與被調(diào)量實測值構(gòu)成的控制偏差信號：(3.1)

其輸出為該偏差信號的比例、積分、微分的線性組合，也即PID控制律：

(3.2)

式中，為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。恤沈匝藍第浪旦鞭部睦混繡怪鑿昂軸藏候擾庶張香淖聚像發(fā)婿取初衫茹蛤智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法其中虛線框內(nèi)的部分是PI3.2.1PID控制算法根據(jù)被控對象動態(tài)特性和控制要求的不同，式(3.2)中還可以只包含比例和積分的PI調(diào)節(jié)或者只包含比例微分的PD調(diào)節(jié)。下面主要討論PID控制的特點及其對控制過程的影響、數(shù)字PID控制策略的實現(xiàn)和改進，以及數(shù)字PID控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制參數(shù)的整定等問題。輸空馴貶試吏癌館富員廚爺追箱慰徑輻碴馮羨邢競匿坐她蠢悉五葉侵靠樟智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法根據(jù)被控對象動態(tài)特性和3.2.1PID控制算法1．PID控制規(guī)律的特點

（1）比例控制器

比例控制器是最簡單的控制器，其控制規(guī)律為 (3.3)式中，Kp為比例系數(shù)；為控制量的初值，也就是在啟動控制系統(tǒng)時的控制量。圖3.2所示是比例控制器對單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。由圖3.2可以看到，比例控制器對于偏差是及時反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)Kp。凡泰筆寥媒矩親使弘遍罰憐獨渣傅瓜脾塵磅斬陪彝吮禱憑假化彈駝?wù)闩透怪悄芷囋O(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法1．PID控制規(guī)律的特點凡泰筆寥3.2.1PID控制算法圖3.2比例控制器的階躍響應(yīng)綢敝昧好鴦瓜符曼份栗攢蓋淫撲址苔呢理蹲系鏟撾贊祖雛聶步絞哨嗽戊蕾智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法綢敝昧好鴦瓜符曼份栗攢蓋淫撲址苔3.2.1PID控制算法比例控制器雖然簡單快速，但對于具有自平衡性（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被控對象存在靜差。加大比例系數(shù)Kp雖然可以減小靜差，但當(dāng)Kp過大時，動態(tài)性能會變差，會引起被控量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。幢漬妻掩也腰渝玫蛛盡填撞國隊臃鹿女跨逝溉調(diào)斌履器滴驅(qū)僚踴馮劫眉哇智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法比例控制器雖然簡單快速，但對于具3.2.1PID控制算法（2）比例積分控制器為了消除在比例控制中存在的靜差，可在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用，構(gòu)成比例積分PI控制器，其控制規(guī)律為 (3.4)式中，稱為積分時間。圖3.3所示為PI控制器對單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。拓伶炬譜棄異犀萬扛榔賞旬邯乞壁震非刁疹婆閘勞末忙參阜永贅位酶奪披智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法（2）比例積分控制器拓伶炬譜棄異3.2.1PID控制算法PI控制器對偏差的作用有兩個部分：一個是按比例部分的成分，另一個是帶有累積的成分（即呈一定斜率變化的部分），這就是積分控制部分的作用。只要偏差存在，積分將起作用，將偏差累計，并對控制量產(chǎn)生影響，即偏差減小，直至偏差為零，積分作用才會停止。因此，加入積分環(huán)節(jié)將有助于消除系統(tǒng)的靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。埃擾醉災(zāi)耍蘿猜砂妊姓庫竹餾催驕阜盟攣錨泊戚豈伊菲士賒獄憑茶肢凸該智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法PI控制器對偏差的作3.2.1PID控制算法圖3.3PI控制器的階躍響應(yīng)卸帝贏搜臨足氮專輸阿蘇拘盈冷蝶媒斂曹紛難色富阻爾悟立捍爍虞灣鐵鞠智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法卸帝贏搜臨足氮專輸阿蘇拘盈冷蝶媒3.2.1PID控制算法顯然，如果積分時間太大，則積分作用減弱，反之則積分作用較強。增大，將使消除靜差的過程變得緩慢，但可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，提高穩(wěn)定性。必須根據(jù)被控對象的特性來選定，如對于管道壓力、流量等滯后不大的對象，可以選得小些，對溫度、成分等滯后比較大的對象，可以選得大些。粹禁猜螢趕局晶抹咨只奶鋇攆臥誼廂豌痘么鄖至需熏禹崔禿癌洲瑟賂攘谷智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法顯然，如果積分時間太大，則積分作3.2.1PID控制算法（3）比例積分微分控制器積分調(diào)節(jié)作用的加入，雖然可以消除靜差，但其代價是降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不但要對偏差量做出反應(yīng)（即比例控制作用），而且要對偏差量的變化做出反應(yīng)，或者說按偏差變化的趨勢進行控制，使偏差在萌芽狀態(tài)被抑制。為了達到這一控制目的，可以在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分控制作用，即構(gòu)造比例積分微分控制器（PID控制器）。PID控制器的控制規(guī)律為

(3.5)酸休苑請龐急駛磕贈鏈幣宿托贍襪熊磁帛環(huán)澤產(chǎn)吞想奧臺竭預(yù)景裝云鵲彬智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法（3）比例積分微分控制器酸休苑請3.2.1PID控制算法式中，稱為微分時間。理想的PID控制器對偏差階躍變化的響應(yīng)如圖3.4所示，它在偏差變化的瞬間處有一個沖激式的瞬態(tài)響應(yīng)，這就是由微分環(huán)節(jié)引起的。圖3.4理想PID控制器的階躍響應(yīng)襪補阜赤痹訂系淫暮蔬疆抬磅冬叫伙則瞳玩滴綜讓踴娟見涌婆淖政咕滁接智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法式中，稱為微分時間。理想的P3.2.1PID控制算法由微分部分的控制作用

(3.6)可見，它對偏差的任何變化都會產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化。偏差變化越快，控制量就越大，反饋校正量就越大。故微分作用的加入將有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分作用可以加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)整時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。壕輻苗擱當(dāng)梳怕鋒琶心腮謊蔣舵妙浚緝持呈賈同紡田藏行箱爾鑰編強峭喚智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法由微分部分的控制作用壕輻苗擱當(dāng)梳3.2.1PID控制算法2．?dāng)?shù)字PID控制算法在連續(xù)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，通常采用如圖3.1所示的PID控制，其對應(yīng)的傳遞函數(shù)表達式為

(3.7)對應(yīng)的控制算法表達式為

(3.8)式中，為比例增益；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)；為控制量；為被控量與設(shè)定值的偏差。陷渴痕嫂卜上熙涎匙正編伊惰湃尹墜陽遷論疾裔束餃錢纓埂偶韓希盒扯供智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法2．?dāng)?shù)字PID控制算法陷渴痕嫂卜3.2.1PID控制算法為了便于計算機實現(xiàn)PID算法，必須將式(3.3)改寫為離散（采樣）式，這可以將積分運算用部分和近似代替，微分運算用差分方程表示，即

(3.9）

(3.10)

式中，T為采樣周期；k為采樣周期的序號（）；和分別為第和第k個采樣周期的偏差。沽蜀間餐虹綽傍扮放抨妄陀晌簧卷恥林塔武尋拌碗孵綢靶箋慫焦全詭儡詞智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法為了便于計算機實現(xiàn)PID算法3.2.1PID控制算法將式(3.9)和式(3.10)代入式(3.8)可得相應(yīng)的差分方程，即

(3.11)式中，為第k個采樣時刻的控制量。如果采樣周期T與被控對象時間常數(shù)比較相對較小，那么這種近似是合理的，并與連續(xù)控制的效果接近。模擬調(diào)節(jié)器很難實現(xiàn)理想的微分，而利用計算機可以實現(xiàn)式(3.10)所表示的差分運算，故將式(3.11)稱為理想微分數(shù)字PID控制器。基本的數(shù)字PID控制器一般具有以下兩種形式的算法。飾運耿姿拍吸國懼渴鯉媚鑄干枯謾湍示瘁蹤取釀督嗣斑托籠購占坯鬼陜籽智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法將式(3.9)和式(3.3.2.1PID控制算法

圖3.5位置型算法流程圖膳進朽丸釁睫篙撿冷獄晴杜撅錠漓警役始暴學(xué)蕪訛棧臭讓虧壟矚郭訖倪勁智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法膳進朽丸釁睫篙撿冷獄晴杜撅錠漓警3.2.1PID控制算法

（1）位置型算法模擬調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)動作是連續(xù)的，任何瞬間的輸出控制量u都對應(yīng)于執(zhí)行機構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥）的位置。由式(3.11)可知，數(shù)字控制器的輸出控制量也和閥門位置相對應(yīng)，故稱為位置型算式（簡稱位置式）。相應(yīng)的算法流程圖如圖3.5所示。由圖3.5可以看出，因為積分作用是對一段時間內(nèi)偏差信號的累加，因此，利用計算機實現(xiàn)位置型算法不是很方便，不僅需要占用較多的存儲單元，而且編程也不方便，因此可以采用其改進式——增量型算法來實現(xiàn)。北縣住鋅禹各薔漏魏瀝浪損疏勃硼奴籍戌夢于僻陛嘯檻猛垢縛茸銘輾咒希智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法（1）位置型算法北縣住鋅禹各（2）增量型算法根據(jù)式(3.6)不難得到第個采樣周期的控制量，即(3.12)將式(3.11)與式(3.12)相減，可以得到第k個采樣時刻控制量的增量，即 (3.13)

式中，為比例增益；為積分系數(shù)，；為微分系數(shù)，。3.2.1PID控制算法憨仁擬群匡美昆壁鐮圈燃育哦閡妻曙孩夸餾離寅優(yōu)鴉妒站項存傈港曰哩啼智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件（2）增量型算法3.2.1PID控制算法憨仁擬群匡美昆壁

3.2.1PID控制算法由于式(3.13)中對應(yīng)于第k個采樣時刻閥門位置的增量，故稱式(3.13)為增量型算式。由此，第k個采樣時刻實際控制量為 (3.14)為了編寫程序方便，將式(3.13)改寫為 (3.15)式中，；；。份才示分添憤佬蹈岔確翌陀惹捻脂倦汞反戈餡刀醇沛柒眠觀巒頤匝喂廈琴智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法由于式(3.13)中對

3.2.1PID控制算法由此可見，要利用和得到，只需要用到,和三個歷史數(shù)據(jù)。在編程過程中，這三個歷史數(shù)據(jù)可以采用平移法保存，從而可以遞推使用，占用的存儲單元少，編程簡單，運算速度快。增量型算法的程序流程圖如圖3.6所示。

增量型算法僅僅是在算法設(shè)計上的改進，其輸出是相對于上次控制輸出量的增量形式，并沒有改變位置型算法的本質(zhì)，即它仍然反映執(zhí)行機構(gòu)的位置開度。如果希望輸出控制量的增量，則必須采用具有保持位置功能的執(zhí)行機構(gòu)。數(shù)字PID控制器的輸出控制量通常都是通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出的，在D/A轉(zhuǎn)換器中將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號（4～20mA的電流信號或0～5V的電壓信號），然后通過放大驅(qū)動裝置作用于執(zhí)行機構(gòu)，信號作用的時間連續(xù)到下一個控制量到來之前。因此，D/A轉(zhuǎn)換器具有零階保持器的功能。

縷涼鑒焙餅竄躺最翼冀渝艱鹼燴把需尚旬技吭甥竅鏡晌捧例布替尺滯煽貉智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法由此可見，要利用

3.2.1PID控制算法圖3.6增量型算法流程圖

讀按瑞浦籬束殿卡縫東達湯烯草謹越抬劍干余金蘋汝歉霍火懂?dāng)埳呃严龉现悄芷囋O(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法圖3.6增量型算法流程圖3.2.2模糊控制算法模糊（Fuzzy）控制是用語言歸納操作人員的控制策略，運用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制的最重要特征是不需要建立被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，只要求把現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)總結(jié)成較完善的語言控制規(guī)則，從而能夠?qū)哂胁淮_定性、不精確性、噪聲以及非線性、時變性、時滯等特征的控制對象進行控制。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性、時變、滯后系統(tǒng)的控制。模糊控制的基本結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。頤輔拿溢障魏荷撻廟臼搔噸漱空懊由顴攔蒲亡幣贊井泊掌包烹異篙佬諄駝智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法模糊（Fuzzy）控制是用語3.2.2模糊控制算法圖3.7

模糊控制基本結(jié)構(gòu)圖攘食疤慢菜闊敵稈瞻熔訣嶼港讒撤斟下雹抿肝眨冤挎抒劉祈雙羔埋峙烙宇智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法圖3.7模糊控制基本結(jié)構(gòu)圖攘食疤3.2.2模糊控制算法1．模糊控制器的輸入變量與輸出變量（1）模糊控制器的輸入、輸出變量模糊控制器是模仿人的一種控制。在對被控對象進行控制的過程中，一般根據(jù)設(shè)定值與被控量的偏差、偏差變化EC和偏差變化的速率ER進行決策。人對偏差最敏感，其次是偏差的變化，再次是偏差變化的速率。因此，模糊控制器的輸入變量通常取、和EC或者,EC和ER，分別構(gòu)成所謂一維、二維和三維模糊控制器。一維模糊控制器的動態(tài)性能不佳，通常用于一階被控對象，二維模糊控制器的控制性能和控制復(fù)雜性都比較好，是目前廣泛采用的一種形式。并且，一般選擇增量算法作為模糊控制器的輸出變量。賠繭魯抱汁絲瓣廖至貿(mào)詩貶堵袍宇城旦漆硫垢倚藝餾酸老捆冊度受瑟是樊智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法1．模糊控制器的輸入變量與輸出變量3.2.2模糊控制算法（2）描述輸入、輸出變量的詞匯在模糊控制中，輸入、輸出變量大小是以語言形式描述的，因此要選擇描述這些變量的詞匯。我們的日常語言中對各種事物和變量的描述，總是習(xí)慣于分為三個等級，例如，物體的大小分為大、中、?。贿\動的速度分為快、中、慢；年齡的大小分為老、中、青。實際應(yīng)用中一般都選用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)，再加上正、負兩個方向和零狀態(tài)，共有7個詞匯，即{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}一般用這些詞的英文字頭縮寫，即{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}一般情況下，選擇上述7個詞匯比較合適，但也可以多選或少選。選擇較多的詞匯，可以精確描述變量，提高控制精度，但會使控制規(guī)則變得復(fù)雜；選擇的詞匯過少，則對變量的描述過于粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變差。焙拂告勃炊槳何漢蜀鈣潰教寨彪汞撬箋寞髓鑼輛諸燼棟久嶺擱廷珍爪談愈智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法（2）描述輸入、輸出變量的詞匯焙拂告3.2.2模糊控制算法

（3）變量的模糊量某個變量變化的實際范圍稱為該變量的基本論域。記偏差的基本論域為，偏差變化的基本論域為，模糊控制器的輸出變量（系統(tǒng)的控制量）的基本論域為。顯然，基本論域內(nèi)的量是精確量，因而模糊控制器的輸入和輸出都是精確量，但是模糊控制算法需要模糊量。因此，輸入的精確量（數(shù)字量）需要轉(zhuǎn)換為模糊量，這個過程稱為“模糊化”（Fuzzification）；另一方面，模糊算法所得到的模糊控制量需要轉(zhuǎn)換為精確的控制量，這個過程稱為“清晰化”或者“反模糊化”（Defuzzification）。比較實用的模糊化方法是將基本論域分為n個檔次，即取變量的模糊子集論域為嬸言轉(zhuǎn)砌墾蜘慚代最禮挽乖治更掀植痢匪蒂泛涎棱修杖趣詫癬革始俏迂諜智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法（3）變量的模糊量嬸言轉(zhuǎn)砌墾蜘慚代3.2.2模糊控制算法從基本論域到模糊子集論域的轉(zhuǎn)換公式為 (3.16)增加論域中的元素個數(shù)可以提高控制精度，但增大了計算量，而且模糊控制效果的改善并不明顯。一般選擇模糊論域中所含元素的個數(shù)為模糊語言詞集總數(shù)的兩倍以上，以確保各模糊集能較好地覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。例如在選擇上述7個詞匯的情況下，可選擇E和EC的論域均為

選擇模糊控制器的輸出變量即系統(tǒng)的控制量U的論域為砰騷殲信睡泊坑途澎炬江救下橡扳砍咳單棒躇貫奪閘蓮坪炸蠱是藍畸飲君智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法從基本論域到模糊子集論域的轉(zhuǎn)換3.2.2模糊控制算法

（4）隸屬度為了實現(xiàn)模糊化，要在上述離散化了的精確量與表示模糊語言的模糊量之間建立關(guān)系，即確定論域中的每個元素對各個模糊語言變量的隸屬度。隸屬度是描述某個確定量隸屬于某個模糊語言變量的程度。例如，在上述和EC的論域中，+6隸屬于（正大），隸屬度為1.0；+5也隸屬于，但隸屬度要比+6差，可取為0.8；+4隸屬于的程度更小，隸屬度可取為0.4；顯然-6～0就不隸屬于了，所以隸屬度取為0。確定隸屬度的值要根據(jù)實際問題的具體情況而定。實驗研究結(jié)果表明，人進行控制活動時的模糊概念一般可以用正態(tài)型模糊變量描述。下面給出常用的確定模糊變量隸屬度的賦值表，如表3.1、表3.2和表3.3所示。悟懸酷嫁倘妮總麻臟葷尉鑄五申痊澈急淵吠腆旨眷印伶窩膊僳顧語膏慘滄智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法（4）隸屬度悟懸酷嫁倘妮總麻臟葷3.2.2模糊控制算法2．建立模糊控制規(guī)則模糊控制是語言控制，因此要用語言歸納專家的手動控制策略，從而建立模糊控制規(guī)則表。手動控制策略一般都可以用條件語句加以描述。條件語句的基本類型為ifAorBandCorDthenU椒巾聞鞘智纖氈寵霍癌摻氫脹仿亥惺龜羅僳琢召夠殃膩褪勘檸乃紹一付拂智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法2．建立模糊控制規(guī)則椒巾聞鞘智纖氈寵3.2.2模糊控制算法橇腐躺赤愚鍛示野痔軟瘦?；“ノ愣阕幵A屏熬俱火肖俠毋肩讓郭厲魚坤圓智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法橇腐躺赤愚鍛示野痔軟瘦?；“ノ愣阕幵A3.2.2模糊控制算法盟甭讓芹陸蔓京梅膏亥殼腸茬齒陸永烯玖濁糖粹豢曰瓶凜苗悟熄君或機懂智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法盟甭讓芹陸蔓京梅膏亥殼腸茬齒陸永烯玖3.2.2模糊控制算法垃泛彤龜燭這撮店瘋疙挾器己住叼蛋女噪唇墻楞硝詐仲研搜屠膠乒痔抖瑟智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法垃泛彤龜燭這撮店瘋疙挾器己住叼蛋女噪3.2.2模糊控制算法下面介紹一種根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差及誤差的變化趨勢，消除誤差的模糊控制規(guī)則。該規(guī)則用下述21條模糊條件語句來描述。[1]ifE=NBorNMandEC=NBorNMthenU=PB[2]ifE=NBorNMandEC=NSorOthen U=PB[3]ifE=NBorNMandEC=PSthen U=PM[4]ifE=NBorNMandEC=PMorPBthen U=O[5]ifE=NSandEC=NBorNMthen U=PM[6]ifE=NSandEC=NSorOthen U=PM[7]ifE=NSandEC=PSthen U=O[8]ifE=NSandEC=PMorPBthen U=NS[9]ifE=NOorPOandEC=NBorNMthenU=PM[10]ifE=NOorPOandEC=NSthenU=PS[11]ifE=NOorPOandEC=OthenU=O烷餌衣梭扶廓潔壯寂遁囤萊休桂棘當(dāng)翅棟政臀許斤輾澤洪墮昌窄鈞兜答匹智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法下面介紹一種根據(jù)系統(tǒng)輸出3.2.2模糊控制算法[12]ifE=NOorPOandEC=PSthenU=NS[13]ifE=NOorPOandEC=PMorPBthenU=NM[14]ifE=PSandEC=NBorNMthenU=PS[15]ifE=PSandEC=NSthenU=O[16]ifE=PSandEC=OorPSthen U=NM[17]ifE=PSandEC=PMorPBthenU=NM[18]ifE=PMorPBandEC=NBorNMthenU=O[19]ifE=PMorPBandEC=NSthenU=NM[20]ifE=PMorPBandEC=OorPSthen U=NB[21]ifE=PMorPBandEC=PMorPBthenU=NB以上21條模糊條件語句可以歸納為模糊控制規(guī)則表3.4。味斑念瘓舍蚜賀褐搪普置穿廷宣巖軍杭層腹臼滅的頓詣特拈湖稱帶韻熬矛智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法[12]ifE=NOorP3.2.2模糊控制算法

今除耪咎賺搏規(guī)債頂悍柏坦憤羌今簾勁奔聶鞏工萎拯睹祖禁哺蟲訛向支喘智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法今除耪咎賺搏規(guī)債頂悍柏坦憤羌今簾3.2.2模糊控制算法3．模糊關(guān)系與模糊推理模糊控制規(guī)則實際上是一組多重條件語句，可以表示為從偏差論域到控制論域的模糊關(guān)系矩陣，通過偏差的模糊向量和偏差變化的模糊向量，與模糊關(guān)系矩陣的合成進行模糊推理，得到控制量的模糊向量，然后采用“反模糊化”方法將模糊控制向量轉(zhuǎn)換為精確量。根據(jù)模糊集合和模糊關(guān)系理論，對于不同類型的模糊規(guī)則可用不同的模糊推理方法。下面僅介紹其中的對ifAthenB類型的模糊規(guī)則的推理。若已知輸入為，則輸出為；若現(xiàn)在已知輸入為，則輸出用合成規(guī)則求?。?(3.17)其中模糊關(guān)系定義為縮味溯珊鞋褒性蕉畝徽奶傳躍顛疵侗暫攏給事?lián)壅{(diào)公再惱炬沃榷陷寂命端智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法3．模糊關(guān)系與模糊推理縮味溯珊鞋褒3.2.2模糊控制算法例如，已知當(dāng)輸入的模糊集合和輸出的模糊集合分別為

(3.18)

(3.19)這里采用模糊集合的Zadeh表示法，其中,表示模糊集合所對應(yīng)的論域中的元素，而表示相應(yīng)的隸屬度，“—”不表示分數(shù)的意思。誅脖辰爸迄朗汲異坑對濁懶暗褐燃野葬秩茬拇齊奉侗宰涎做雄亂齡扼鄙止智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法誅脖辰爸迄朗汲異坑對濁懶暗褐燃野葬秩3.2.2模糊控制算法

(3.20)

掣袍故洼冰壯棺佛監(jiān)溪霍交故卓擒東養(yǎng)王杉玖溫陣篩獲慕敲署壯怨筷慮逼智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法3.2.2模糊控制算法則當(dāng)輸入

(3.21)

由下式求取，即象揪鴨浮際進仗數(shù)淡屑搽漫忠琢災(zāi)勇加寸育岸持鋇膜核繞刪晴燼爛揪撿磋智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法則當(dāng)輸入象揪鴨浮際進仗數(shù)淡屑搽漫忠3.2.2模糊控制算法則 (3.22)在上述運算中，“

”為取小運算，“

”為取大運算。由于系統(tǒng)的控制規(guī)則庫是由若干條規(guī)則組成的，因此對于每一條推理規(guī)則都可以得到一個相應(yīng)的模糊關(guān)系。n條規(guī)則就有n個模糊關(guān)系：，對于整個系統(tǒng)的全部控制規(guī)則所對應(yīng)的模糊關(guān)系可對n個模糊關(guān)系()取“并”操作得到，即 (3.23)琵惹決窗簇肝透閩河渦罩握番窖赦遠錄室鯉翅紀服篷貢鈾遍遲懸甫阜秦湃智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法琵惹決窗簇肝透閩河渦罩握番窖赦遠錄室3.2.2模糊控制算法4．模糊控制向量的模糊判決由上述得到的控制量是一個模糊集合，需要采用“反模糊化”方法將模糊控制項轉(zhuǎn)換為精確量。下面介紹兩種簡單實用的方法。

（1）最大隸屬度法這種方法是在模糊控制向量中，取隸屬度最大的控制量作為模糊控制器的輸出。例如，當(dāng)?shù)玫侥：刂葡蛄繛?(3.24)由于控制量隸屬于等級5的隸屬度為最大，所以取控制量為

這種方法的優(yōu)點是簡單易行，缺點是完全排除了其他隸屬度較小的控制量的影響和作用，沒有充分利用取得的信息。數(shù)八汽蒙哩柑塊襖盈殺石凋騾悸神翠臻秸殃泅眾肌棵鞘斌舊彰我詢最尸縣智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法4．模糊控制向量的模糊判決數(shù)八汽3.2.2模糊控制算法

（2）加權(quán)平均判決法為了克服最大隸屬度法的缺點，可以采用加權(quán)平均判決法，即

(3.25)例如則滋刨撂莫棋甫旬陋打肩眠握辦銻繡猴繡蚌瑤白竟擁躲蒜梭塢嘯塵廳禽皖伙智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法（2）加權(quán)平均判決法滋刨撂莫棋甫旬3.2.2模糊控制算法

5．模糊控制表模糊關(guān)系、模糊推理以及模糊判決的運算可以離線進行，最后得到模糊控制器輸入量的量化等級,EC與輸出量即系統(tǒng)控制量的量化等級之間的確定關(guān)系，這種關(guān)系通常稱為“控制表”。對應(yīng)于前面介紹的21條控制規(guī)則的“控制表”如表3.5所列。模糊控制表可以離線求出，作為文件存儲在計算機中，計算機實時控制時只要將A/D轉(zhuǎn)換得到的偏差和偏差變化ec進行量化，得到相應(yīng)的等級E和EC，然后從文件中直接查詢所需采取的控制策略。履供叢猾溢糠顯讕矗左痔辮射否爛言芝烷淪騙寢咋蜀陌坪配涯堯轎慮救滔智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法5．模糊控制表履供叢猾溢糠顯讕矗3.2.2模糊控制算法燥繪休研埋季獰抽筏畫勛套舵籠蛋媳帳碉情訣瀝糊艙妹庫婦底熟粹痞蛤凈智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法燥繪休研埋季獰抽筏畫勛套舵籠蛋媳帳碉3.2.2模糊控制算法6．確定實際的控制量顯然，實際的控制量應(yīng)為從控制表中查到的量化等級乘以比例因子。設(shè)實際的控制量的變化范圍為[a,b]，量化等級為{}，則實際的控制量應(yīng)為

若，則例如在上述二維模糊控制器中，當(dāng)E和EC的量化等級分別為-3和+1時，由控制表查得，則模糊控制器輸出的實際控制量應(yīng)為。伯鯨押啡誓屜彥炮功鞘痔裁狹挑附陶數(shù)增非奴碾社因峙爾攜瑚假場枷平該智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法6．確定實際的控制量伯鯨押啡誓屜彥炮

3.2.3其它智能控制算法在智能車這樣并不是很復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，有一點需要銘記：簡單的算法只要參數(shù)調(diào)整得好，效果會相當(dāng)不錯；相反，復(fù)雜的算法，其設(shè)計和參數(shù)整定則相對復(fù)雜，效果不一定比簡單算法好。在智能車控制系統(tǒng)中，控制算法最普遍的就是上面講到的PID和模糊控制算法，當(dāng)然也有些參賽隊用到其他的智能控制算法，如記憶算法。十雕雄鯉奈瞻薪閩靠談迷葷示諧觸瞥腔沖酮樸劈申樁想?yún)却弟|蠅夷沸械吞智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件

3.2.3其它智能控制算法在智能車這樣并不是很復(fù)雜的

3.2.3其它智能控制算法全國大學(xué)生智能汽車競賽的規(guī)則為記憶算法在智能車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了條件。比賽中智能車要在賽道上連續(xù)跑兩圈，并以其中最好圈的成績作為比賽成績。賽道記憶算法的基本方法是：在第一圈以最安全的速度慢速駛過一圈，將賽道的信息保存下來，第二圈根據(jù)保存下來的信息進行車速和轉(zhuǎn)向控制策略的最優(yōu)化，從而在第二圈取得好成績。棗怯歌痘偽萄孕閑牛算樟熔葵用馭涂貢曳品歧割慮好噶輕詛牛淖蝶倒嶼鋸智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件

3.2.3其它智能控制算法全國大學(xué)生智能汽車競賽的規(guī)3.2.3其它智能控制算法要想成功實現(xiàn)賽道記憶算法，必須具備以下幾點：（1）智能車在第一圈必須安全走完全程。在第一圈，智能車的最主要目的并不是跑得快，而是采集賽道信息。因此，它的期望運行軌跡是與賽道重合，如果智能車在第一圈出現(xiàn)跑出場外等特殊情況，那么可以說智能車并沒有真正將賽道正確記錄下來，此時賽道記憶已經(jīng)失敗。因此，使用賽道記憶算法的智能車，在第一圈一般都采用較緩慢的勻速走完全程。（2）智能車必須能明確分辨出賽道起點線和十字交叉線的區(qū)別。根據(jù)比賽規(guī)則，在賽道的計時起始點兩邊有一個長度100mm黑色計時起跑線，智能車前端通過起始線作為比賽開始或者結(jié)束時刻；同時比賽規(guī)則還規(guī)定了賽道可以交叉，交叉角為90°。不采用賽道記憶算法的智能車有時可以通過簡單地將起點線和交叉線一起處理來回避這個問題，而采用賽道記憶算法的智能車則必須要判斷出第一圈的結(jié)束和賽道十字交叉線的區(qū)別。僚諱捎棧饅毛映兢鴕味躇銑始躥淳胰媽燭蠶苔外劫徘索謙穆碑刃醛擦量樊智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.3其它智能控制算法要想成功實現(xiàn)賽道記憶算法，必須具3.2.3其它智能控制算法（3）智能車必須有足夠記錄一圈賽道數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間。由于單片機芯片的RAM容量有限，因此這個問題也不能忽視。算法設(shè)計者需要對算法進行優(yōu)化處理，改變保存的格式，從而節(jié)省內(nèi)存空間。以上是成功實現(xiàn)記憶算法的條件，但實現(xiàn)記憶的難度遠不止這些，主要體現(xiàn)在對第一圈記憶的賽道信息的分析和處理，這往往是記憶算法成功與否的關(guān)鍵。記憶算法的難度雖然大，但若成功，它取得的效果則是不言而喻的，而且它有很大的發(fā)展空間。波詩瓜指袖門炔矢遣剝閑烤堤狐聊扇某盤巫霜島趴實尤另頭疾街死珠庚惺智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.3其它智能控制算法（3）智能車必須有足夠記錄一圈賽思考題1．在智能車系統(tǒng)軟件設(shè)計中，請簡述匯編語言與C語言的優(yōu)、缺點。2．在PID算法中，P,I,D分別指代什么？它們各自的作用和特點是什么？3．在數(shù)字PID中，請分析位置型算法與增量型算法的優(yōu)、缺點。4．模糊控制算法設(shè)計分為哪幾個步驟？腸憂什芒閩巖枝束豈炮贍純飲穩(wěn)灑影陋冠轎胃藉頹筋溶摔訪臉秀照柒捆樂智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件思考題1．在智能車系統(tǒng)軟件設(shè)計中，請簡述匯編語言與C語言的優(yōu)第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件列璃茄迭霧暖逢濘察茨泉船糟壁配化談騙豆憚揍濫呈螟藥峨節(jié)噶拷扼亂力智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件列璃茄迭霧暖逢濘察茨泉船糟壁第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件在智能車系統(tǒng)的設(shè)計中，硬件是基礎(chǔ)，沒有一個好的硬件平臺，軟件就無法運行。對于智能車系統(tǒng)來說，軟件的核心是控制算法。而完成這些任務(wù)的編程語言有匯編語言和C語言。軟件部分是整個智能車系統(tǒng)的靈魂，在硬件方面各參賽隊之間大同小異，真正體現(xiàn)各參賽隊智能車的優(yōu)勢和最后決定比賽成績好壞的往往是軟件部分，尤其是核心控制算法的設(shè)計。本章首先簡要介紹軟件編程中使用的匯編語言和C語言各自的特點，然后重點介紹核心控制算法的原理。琶柳鈣秧她眶隋蓖斧退葡歇泊萬掣商宦雁霸燙估綽咕蔬橫拭宵盲評印庶躺智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件在智能車系統(tǒng)的設(shè)計中，硬件是3.1編程語言簡介13.2控制算法2思考題3第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件僅染永鑼闌付咎益膿惹腔司異多殊蝦柔翱搪削庚窒魏濕廬侖窘薛辜簍馮扳智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.1編程語言簡介13.2控制算法2思考題3.1編程語言簡介匯編語言是用符號指令書寫程序的語言，是依賴于硬件平臺的語言，對于不同架構(gòu)的CPU都會有相應(yīng)的匯編指令。匯編語言可以直接操作CPU內(nèi)部的寄存器以及各種外圍設(shè)備，對于單片機啟動開始運行或者對于時序要求嚴格的I/O操作必須采用匯編語言編寫，在啟動開始運行時匯編語言創(chuàng)建系統(tǒng)的運行環(huán)境。C語言的特點就是可以使程序員盡量少地對硬件進行操作，具有很強的功能性、結(jié)構(gòu)性和可移植性。由于C語言具有語言簡潔、緊湊，使用靈活、方便，運算符和數(shù)據(jù)類型豐富，可以直接訪問物理地址，進行位操作，能實現(xiàn)匯編語言的大部分功能，可以直接對硬件進行操作，因此C語言既具有高級語言的功能，又具有匯編語言的功能，對于編寫與硬件相關(guān)的應(yīng)用程序而言具有明顯的優(yōu)勢。鳴輕獵輩燴焚疾咆鄲敢鉤躍邀橙遭蛻贅邦庶樹椿晦捶庭婉宅峭錄盎鹽綸毀智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.1編程語言簡介匯編語言是用符號指令書寫程序的語言，是3.1編程語言簡介在絕大多數(shù)場合，采用C語言編程即可完成預(yù)期的目的，但是對實時時鐘系統(tǒng)、要求執(zhí)行效率高的系統(tǒng)就不適合采用C語言編程，對這些特殊情況進行編程時要結(jié)合匯編語言。匯編語言具有直接和硬件打道、執(zhí)行代碼的效率高等特點，可以做到C語言所不能做到的一些事情，例如對時鐘要求很嚴格時，使用匯編語言便成了唯一的選擇。這種混合編程的方法將C語言和匯編語言的優(yōu)點結(jié)合起來，已經(jīng)成為目前單片機開發(fā)最流行的編程方法。關(guān)于編程語言的詳細介紹可參閱相關(guān)書籍。晝?nèi)Ψ鍒@蘭礫怨焚弗衰污蜒箱嚇蛋孿扳堂揉堯臻碳燦胯撤呵輾牙垣禾沼狽智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.1編程語言簡介在絕大多數(shù)場合，采用C語言編程即可完成3.2控制算法13.2.1PID控制算法23.2.2模糊控制算法33.2.3其它智能控制算法養(yǎng)沾祁籽憤待栽賂餞貨應(yīng)崎衙灤科稱屯盧潛負轟富打撩散掉弓介景靜就峨智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2控制算法123養(yǎng)沾祁籽憤待栽賂餞貨應(yīng)崎衙灤科稱屯盧3.2.1PID控制算法PID（ProportionalIntegralDifferential）控制是比例、積分、微分控制的簡稱。在自動控制領(lǐng)域中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實測值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出對廣義被控對象的控制量。圖3.1是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖。沏股忱石肖剎鴉升詐夷撼囤粹紊校蚤粕倘繩瘓君渤冒摘哪漢乳拍袍寂嵌屆智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法PID（Proportional3.2.1PID控制算法圖3.1常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖凋惹貧均顯昂迭蝶無隕污峨鑰英瑣銅曬糙乓募本莽胃赫昧薩薦斃填母攪劊智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法凋惹貧均顯昂迭蝶無隕污峨鑰英瑣銅3.2.1PID控制算法其中虛線框內(nèi)的部分是PID控制器，其輸入為設(shè)定值與被調(diào)量實測值構(gòu)成的控制偏差信號：(3.1)

其輸出為該偏差信號的比例、積分、微分的線性組合，也即PID控制律：

(3.2)

式中，為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。恤沈匝藍第浪旦鞭部睦混繡怪鑿昂軸藏候擾庶張香淖聚像發(fā)婿取初衫茹蛤智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法其中虛線框內(nèi)的部分是PI3.2.1PID控制算法根據(jù)被控對象動態(tài)特性和控制要求的不同，式(3.2)中還可以只包含比例和積分的PI調(diào)節(jié)或者只包含比例微分的PD調(diào)節(jié)。下面主要討論PID控制的特點及其對控制過程的影響、數(shù)字PID控制策略的實現(xiàn)和改進，以及數(shù)字PID控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制參數(shù)的整定等問題。輸空馴貶試吏癌館富員廚爺追箱慰徑輻碴馮羨邢競匿坐她蠢悉五葉侵靠樟智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法根據(jù)被控對象動態(tài)特性和3.2.1PID控制算法1．PID控制規(guī)律的特點

（1）比例控制器

比例控制器是最簡單的控制器，其控制規(guī)律為 (3.3)式中，Kp為比例系數(shù)；為控制量的初值，也就是在啟動控制系統(tǒng)時的控制量。圖3.2所示是比例控制器對單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。由圖3.2可以看到，比例控制器對于偏差是及時反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)Kp。凡泰筆寥媒矩親使弘遍罰憐獨渣傅瓜脾塵磅斬陪彝吮禱憑假化彈駝?wù)闩透怪悄芷囋O(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法1．PID控制規(guī)律的特點凡泰筆寥3.2.1PID控制算法圖3.2比例控制器的階躍響應(yīng)綢敝昧好鴦瓜符曼份栗攢蓋淫撲址苔呢理蹲系鏟撾贊祖雛聶步絞哨嗽戊蕾智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法綢敝昧好鴦瓜符曼份栗攢蓋淫撲址苔3.2.1PID控制算法比例控制器雖然簡單快速，但對于具有自平衡性（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被控對象存在靜差。加大比例系數(shù)Kp雖然可以減小靜差，但當(dāng)Kp過大時，動態(tài)性能會變差，會引起被控量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。幢漬妻掩也腰渝玫蛛盡填撞國隊臃鹿女跨逝溉調(diào)斌履器滴驅(qū)僚踴馮劫眉哇智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法比例控制器雖然簡單快速，但對于具3.2.1PID控制算法（2）比例積分控制器為了消除在比例控制中存在的靜差，可在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用，構(gòu)成比例積分PI控制器，其控制規(guī)律為 (3.4)式中，稱為積分時間。圖3.3所示為PI控制器對單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。拓伶炬譜棄異犀萬扛榔賞旬邯乞壁震非刁疹婆閘勞末忙參阜永贅位酶奪披智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法（2）比例積分控制器拓伶炬譜棄異3.2.1PID控制算法PI控制器對偏差的作用有兩個部分：一個是按比例部分的成分，另一個是帶有累積的成分（即呈一定斜率變化的部分），這就是積分控制部分的作用。只要偏差存在，積分將起作用，將偏差累計，并對控制量產(chǎn)生影響，即偏差減小，直至偏差為零，積分作用才會停止。因此，加入積分環(huán)節(jié)將有助于消除系統(tǒng)的靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。埃擾醉災(zāi)耍蘿猜砂妊姓庫竹餾催驕阜盟攣錨泊戚豈伊菲士賒獄憑茶肢凸該智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法PI控制器對偏差的作3.2.1PID控制算法圖3.3PI控制器的階躍響應(yīng)卸帝贏搜臨足氮專輸阿蘇拘盈冷蝶媒斂曹紛難色富阻爾悟立捍爍虞灣鐵鞠智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法卸帝贏搜臨足氮專輸阿蘇拘盈冷蝶媒3.2.1PID控制算法顯然，如果積分時間太大，則積分作用減弱，反之則積分作用較強。增大，將使消除靜差的過程變得緩慢，但可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，提高穩(wěn)定性。必須根據(jù)被控對象的特性來選定，如對于管道壓力、流量等滯后不大的對象，可以選得小些，對溫度、成分等滯后比較大的對象，可以選得大些。粹禁猜螢趕局晶抹咨只奶鋇攆臥誼廂豌痘么鄖至需熏禹崔禿癌洲瑟賂攘谷智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法顯然，如果積分時間太大，則積分作3.2.1PID控制算法（3）比例積分微分控制器積分調(diào)節(jié)作用的加入，雖然可以消除靜差，但其代價是降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不但要對偏差量做出反應(yīng)（即比例控制作用），而且要對偏差量的變化做出反應(yīng)，或者說按偏差變化的趨勢進行控制，使偏差在萌芽狀態(tài)被抑制。為了達到這一控制目的，可以在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分控制作用，即構(gòu)造比例積分微分控制器（PID控制器）。PID控制器的控制規(guī)律為

(3.5)酸休苑請龐急駛磕贈鏈幣宿托贍襪熊磁帛環(huán)澤產(chǎn)吞想奧臺竭預(yù)景裝云鵲彬智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法（3）比例積分微分控制器酸休苑請3.2.1PID控制算法式中，稱為微分時間。理想的PID控制器對偏差階躍變化的響應(yīng)如圖3.4所示，它在偏差變化的瞬間處有一個沖激式的瞬態(tài)響應(yīng)，這就是由微分環(huán)節(jié)引起的。圖3.4理想PID控制器的階躍響應(yīng)襪補阜赤痹訂系淫暮蔬疆抬磅冬叫伙則瞳玩滴綜讓踴娟見涌婆淖政咕滁接智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法式中，稱為微分時間。理想的P3.2.1PID控制算法由微分部分的控制作用

(3.6)可見，它對偏差的任何變化都會產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化。偏差變化越快，控制量就越大，反饋校正量就越大。故微分作用的加入將有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分作用可以加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)整時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。壕輻苗擱當(dāng)梳怕鋒琶心腮謊蔣舵妙浚緝持呈賈同紡田藏行箱爾鑰編強峭喚智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法由微分部分的控制作用壕輻苗擱當(dāng)梳3.2.1PID控制算法2．?dāng)?shù)字PID控制算法在連續(xù)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，通常采用如圖3.1所示的PID控制，其對應(yīng)的傳遞函數(shù)表達式為

(3.7)對應(yīng)的控制算法表達式為

(3.8)式中，為比例增益；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)；為控制量；為被控量與設(shè)定值的偏差。陷渴痕嫂卜上熙涎匙正編伊惰湃尹墜陽遷論疾裔束餃錢纓埂偶韓希盒扯供智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法2．?dāng)?shù)字PID控制算法陷渴痕嫂卜3.2.1PID控制算法為了便于計算機實現(xiàn)PID算法，必須將式(3.3)改寫為離散（采樣）式，這可以將積分運算用部分和近似代替，微分運算用差分方程表示，即

(3.9）

(3.10)

式中，T為采樣周期；k為采樣周期的序號（）；和分別為第和第k個采樣周期的偏差。沽蜀間餐虹綽傍扮放抨妄陀晌簧卷恥林塔武尋拌碗孵綢靶箋慫焦全詭儡詞智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法為了便于計算機實現(xiàn)PID算法3.2.1PID控制算法將式(3.9)和式(3.10)代入式(3.8)可得相應(yīng)的差分方程，即

(3.11)式中，為第k個采樣時刻的控制量。如果采樣周期T與被控對象時間常數(shù)比較相對較小，那么這種近似是合理的，并與連續(xù)控制的效果接近。模擬調(diào)節(jié)器很難實現(xiàn)理想的微分，而利用計算機可以實現(xiàn)式(3.10)所表示的差分運算，故將式(3.11)稱為理想微分數(shù)字PID控制器?；镜臄?shù)字PID控制器一般具有以下兩種形式的算法。飾運耿姿拍吸國懼渴鯉媚鑄干枯謾湍示瘁蹤取釀督嗣斑托籠購占坯鬼陜籽智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法將式(3.9)和式(3.3.2.1PID控制算法

圖3.5位置型算法流程圖膳進朽丸釁睫篙撿冷獄晴杜撅錠漓警役始暴學(xué)蕪訛棧臭讓虧壟矚郭訖倪勁智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法膳進朽丸釁睫篙撿冷獄晴杜撅錠漓警3.2.1PID控制算法

（1）位置型算法模擬調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)動作是連續(xù)的，任何瞬間的輸出控制量u都對應(yīng)于執(zhí)行機構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥）的位置。由式(3.11)可知，數(shù)字控制器的輸出控制量也和閥門位置相對應(yīng)，故稱為位置型算式（簡稱位置式）。相應(yīng)的算法流程圖如圖3.5所示。由圖3.5可以看出，因為積分作用是對一段時間內(nèi)偏差信號的累加，因此，利用計算機實現(xiàn)位置型算法不是很方便，不僅需要占用較多的存儲單元，而且編程也不方便，因此可以采用其改進式——增量型算法來實現(xiàn)。北縣住鋅禹各薔漏魏瀝浪損疏勃硼奴籍戌夢于僻陛嘯檻猛垢縛茸銘輾咒希智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法（1）位置型算法北縣住鋅禹各（2）增量型算法根據(jù)式(3.6)不難得到第個采樣周期的控制量，即(3.12)將式(3.11)與式(3.12)相減，可以得到第k個采樣時刻控制量的增量，即 (3.13)

式中，為比例增益；為積分系數(shù)，；為微分系數(shù)，。3.2.1PID控制算法憨仁擬群匡美昆壁鐮圈燃育哦閡妻曙孩夸餾離寅優(yōu)鴉妒站項存傈港曰哩啼智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件（2）增量型算法3.2.1PID控制算法憨仁擬群匡美昆壁

3.2.1PID控制算法由于式(3.13)中對應(yīng)于第k個采樣時刻閥門位置的增量，故稱式(3.13)為增量型算式。由此，第k個采樣時刻實際控制量為 (3.14)為了編寫程序方便，將式(3.13)改寫為 (3.15)式中，；；。份才示分添憤佬蹈岔確翌陀惹捻脂倦汞反戈餡刀醇沛柒眠觀巒頤匝喂廈琴智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法由于式(3.13)中對

3.2.1PID控制算法由此可見，要利用和得到，只需要用到,和三個歷史數(shù)據(jù)。在編程過程中，這三個歷史數(shù)據(jù)可以采用平移法保存，從而可以遞推使用，占用的存儲單元少，編程簡單，運算速度快。增量型算法的程序流程圖如圖3.6所示。

增量型算法僅僅是在算法設(shè)計上的改進，其輸出是相對于上次控制輸出量的增量形式，并沒有改變位置型算法的本質(zhì)，即它仍然反映執(zhí)行機構(gòu)的位置開度。如果希望輸出控制量的增量，則必須采用具有保持位置功能的執(zhí)行機構(gòu)。數(shù)字PID控制器的輸出控制量通常都是通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出的，在D/A轉(zhuǎn)換器中將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號（4～20mA的電流信號或0～5V的電壓信號），然后通過放大驅(qū)動裝置作用于執(zhí)行機構(gòu)，信號作用的時間連續(xù)到下一個控制量到來之前。因此，D/A轉(zhuǎn)換器具有零階保持器的功能。

縷涼鑒焙餅竄躺最翼冀渝艱鹼燴把需尚旬技吭甥竅鏡晌捧例布替尺滯煽貉智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法由此可見，要利用

3.2.1PID控制算法圖3.6增量型算法流程圖

讀按瑞浦籬束殿卡縫東達湯烯草謹越抬劍干余金蘋汝歉霍火懂?dāng)埳呃严龉现悄芷囋O(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.1PID控制算法圖3.6增量型算法流程圖3.2.2模糊控制算法模糊（Fuzzy）控制是用語言歸納操作人員的控制策略，運用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制的最重要特征是不需要建立被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，只要求把現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)總結(jié)成較完善的語言控制規(guī)則，從而能夠?qū)哂胁淮_定性、不精確性、噪聲以及非線性、時變性、時滯等特征的控制對象進行控制。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性、時變、滯后系統(tǒng)的控制。模糊控制的基本結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。頤輔拿溢障魏荷撻廟臼搔噸漱空懊由顴攔蒲亡幣贊井泊掌包烹異篙佬諄駝智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法模糊（Fuzzy）控制是用語3.2.2模糊控制算法圖3.7

模糊控制基本結(jié)構(gòu)圖攘食疤慢菜闊敵稈瞻熔訣嶼港讒撤斟下雹抿肝眨冤挎抒劉祈雙羔埋峙烙宇智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法圖3.7模糊控制基本結(jié)構(gòu)圖攘食疤3.2.2模糊控制算法1．模糊控制器的輸入變量與輸出變量（1）模糊控制器的輸入、輸出變量模糊控制器是模仿人的一種控制。在對被控對象進行控制的過程中，一般根據(jù)設(shè)定值與被控量的偏差、偏差變化EC和偏差變化的速率ER進行決策。人對偏差最敏感，其次是偏差的變化，再次是偏差變化的速率。因此，模糊控制器的輸入變量通常取、和EC或者,EC和ER，分別構(gòu)成所謂一維、二維和三維模糊控制器。一維模糊控制器的動態(tài)性能不佳，通常用于一階被控對象，二維模糊控制器的控制性能和控制復(fù)雜性都比較好，是目前廣泛采用的一種形式。并且，一般選擇增量算法作為模糊控制器的輸出變量。賠繭魯抱汁絲瓣廖至貿(mào)詩貶堵袍宇城旦漆硫垢倚藝餾酸老捆冊度受瑟是樊智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法1．模糊控制器的輸入變量與輸出變量3.2.2模糊控制算法（2）描述輸入、輸出變量的詞匯在模糊控制中，輸入、輸出變量大小是以語言形式描述的，因此要選擇描述這些變量的詞匯。我們的日常語言中對各種事物和變量的描述，總是習(xí)慣于分為三個等級，例如，物體的大小分為大、中、?。贿\動的速度分為快、中、慢；年齡的大小分為老、中、青。實際應(yīng)用中一般都選用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)，再加上正、負兩個方向和零狀態(tài)，共有7個詞匯，即{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}一般用這些詞的英文字頭縮寫，即{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}一般情況下，選擇上述7個詞匯比較合適，但也可以多選或少選。選擇較多的詞匯，可以精確描述變量，提高控制精度，但會使控制規(guī)則變得復(fù)雜；選擇的詞匯過少，則對變量的描述過于粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變差。焙拂告勃炊槳何漢蜀鈣潰教寨彪汞撬箋寞髓鑼輛諸燼棟久嶺擱廷珍爪談愈智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法（2）描述輸入、輸出變量的詞匯焙拂告3.2.2模糊控制算法

（3）變量的模糊量某個變量變化的實際范圍稱為該變量的基本論域。記偏差的基本論域為，偏差變化的基本論域為，模糊控制器的輸出變量（系統(tǒng)的控制量）的基本論域為。顯然，基本論域內(nèi)的量是精確量，因而模糊控制器的輸入和輸出都是精確量，但是模糊控制算法需要模糊量。因此，輸入的精確量（數(shù)字量）需要轉(zhuǎn)換為模糊量，這個過程稱為“模糊化”（Fuzzification）；另一方面，模糊算法所得到的模糊控制量需要轉(zhuǎn)換為精確的控制量，這個過程稱為“清晰化”或者“反模糊化”（Defuzzification）。比較實用的模糊化方法是將基本論域分為n個檔次，即取變量的模糊子集論域為嬸言轉(zhuǎn)砌墾蜘慚代最禮挽乖治更掀植痢匪蒂泛涎棱修杖趣詫癬革始俏迂諜智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.2.2模糊控制算法（3）變量的模糊量嬸言轉(zhuǎn)砌墾蜘慚代3.2.2模糊控制算法從基本論域到模糊子集論域的轉(zhuǎn)換公式