基于模糊PID的汽車巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

題目：基于模糊PID的汽車巡航限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于模糊PID的汽車巡航限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要汽車巡航限制系統(tǒng)是一種協(xié)助駕駛系統(tǒng)，它不但可以減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，還可以提高駕車的舒適性。汽車巡航限制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變不確定性，并受到外界擾動(dòng)、困難的運(yùn)行工況等影響。本文介紹了一種基于模糊PID限制算法的汽車巡航限制系統(tǒng)。本文對(duì)汽巡航限制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，將模糊PID限制方法作為其限制方案，對(duì)現(xiàn)有的PID限制進(jìn)行完善和優(yōu)化，并設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的模糊限制器。以轎車為對(duì)象，分析了汽車在行駛過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力及受到的各種阻力和干擾力，并建立起汽車縱向動(dòng)力學(xué)模型。利用MATLAB建立了系統(tǒng)的仿真模型，利用MATLAB軟件中的模糊邏輯工具箱對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，并對(duì)汽車巡航限制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和分析。由仿真結(jié)果可知，模糊PID限制方法能使系統(tǒng)的超調(diào)減小、反應(yīng)速度加快、限制效果良好，是一種適用于汽車巡航限制系統(tǒng)的限制方法。關(guān)鍵詞：定速巡航限制系統(tǒng)；MATLAB；模糊PID；仿真TheDesignofControllerofAutomobileCruiseControlSystemBasedOnFuzzy-PIDABSTRACTAutomobilecruisecontrolsystem,whichcouldnotonlyrelievethedriversburden,butalsocouldmakethedrivingcomfortable.itisakindofaccessorialdrivingsystem,Cruisecontrolsystemhashighnonlinearityandnon-determinacywithtimechanging.AndCCS,whichiseffectedbysomefactorssuchasexternalloaddisturbersandcomplicatedrunningmodes,AkindofCCSwhichisbasedonFuzzyPIDcontrol,itisintroducedinthethesis.Analyzingthecruisecontrolsystembriefly,Fuzzy-PIDisconfirmedasthecontrolmethodofthesystem,improvedandoptimizedthePIDcontrol.ThentheFuzzyPIDcontrollerisdesigned,Astheobjectisacar,thethesisanalyzestheresistancesanddisturbswhilethecar’srunning,Andtheautomobiledynamicsmodelisgiven,AftersettingupthemodelbymeansofMATLAB,usetheFuzzyLogicToolboxinMATLABsoftwaretosimulatethedesignofthesystem,toverifythefeasibilityofthesystemdesign,theresultisanalyzed,Fromtheresult,wemayknowthatFuzzyPIDcontrolcouldmaketheovershootsmallerandtheresponsetimeshorter,TheeffectofFuzzyPIDmethodisgiven.SOitisasuitablemethodforCCS.Keywords：cruisecontrolsystem；MATLAB；FuzzyPID；simulation目錄 TOC\o"1-3"\h\u176451緒論 144271.1課題的意義 1194581.2汽車巡航限制系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r 1251791.3課題探討的主要內(nèi)容 2327452巡航限制系統(tǒng)的簡(jiǎn)介和工作原理 4206172.1巡航限制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 434582.2汽車巡航限制原理 5288573模糊限制器的設(shè)計(jì) 6175673.1模糊限制的特點(diǎn) 6113923.2模糊限制器的設(shè)計(jì)步驟 6300963.2.1定義輸入語(yǔ)言變量 6220063.4.2定義輸出語(yǔ)言變量 722923.2.3提出模糊限制規(guī)則 878313.2.4規(guī)則表的建立 841673.3模糊PID限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9288574巡航系統(tǒng)的建模與仿真 6194294.1SIMULINK簡(jiǎn)介 11186644.2模糊邏輯仿真工具箱簡(jiǎn)介 11230814.3仿真模型的建立 1123574.3.1汽車動(dòng)力仿真模型的建立 1183434.3.2PID限制器仿真模型的建立 13179384.3.3利用模糊邏輯工具箱建立模糊限制器 14179384.3.4巡航系統(tǒng)仿真模型 14182185仿真結(jié)果及分析 194600結(jié)論 227998參考文獻(xiàn) 2426252致謝 251緒論1.1課題的意義隨著汽車工業(yè)和馬路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,汽車將走進(jìn)千家萬(wàn)戶,駕駛?cè)藛T非職業(yè)化的特點(diǎn)將突出,車輛駕駛的自動(dòng)化己成為汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)?？缛攵皇兰o(jì),人們須要更加舒適、簡(jiǎn)便和平安的交通工具,以適應(yīng)快捷的生活節(jié)奏,因此對(duì)汽車的智能化要求更加迫切,隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展,性價(jià)比不斷提高,為汽車的自動(dòng)化供應(yīng)了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ),汽車實(shí)現(xiàn)智能化已不是幻想[1][3]。車輛自動(dòng)變速器及其限制技術(shù)是智能汽車特別重要的內(nèi)容。是汽車協(xié)助駕駛系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的基礎(chǔ),是目前我國(guó)智能汽車發(fā)展必需解決的核心技術(shù)之一。此外隨著我國(guó)高速馬路網(wǎng)建設(shè)縱橫快速延長(zhǎng),自動(dòng)巡航限制也具備了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景?？萍嫉陌l(fā)展使相應(yīng)電子技術(shù)在汽車上應(yīng)用得越來(lái)越廣泛,汽車電子化程度越來(lái)越高.特殊是微限制器進(jìn)入汽車限制領(lǐng)域后,給汽車發(fā)展帶來(lái)了劃時(shí)代的變更,汽車的動(dòng)力性、操作穩(wěn)定性、平安性、燃油經(jīng)濟(jì)性、對(duì)環(huán)境的友好性都得到了大幅提升。在大陸型國(guó)家,駕駛汽車長(zhǎng)途行駛的機(jī)會(huì)較多,而且在高速馬路上行駛時(shí)變換車速的頻率及范圍都較少,能以較穩(wěn)定的車速行駛[4][8]。汽車巡航限制系統(tǒng)CCS(CruiseControlSystem)是汽車電子技術(shù)新裝置之一,它事實(shí)上就是一種協(xié)助駕駛系統(tǒng)。采納了汽車巡航限制系統(tǒng)后,當(dāng)車輛在高速馬路上長(zhǎng)時(shí)間行車時(shí)，駕駛員就不用再去限制油門踏板。這減輕了駕駛員的負(fù)擔(dān)，從而削減或避開(kāi)了交通事故的發(fā)生，同時(shí)削減了不必要的車速變更，使汽車的燃料供應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間處于最佳的協(xié)作狀態(tài)，可以最大限度地節(jié)約燃料，降低排氣污染，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)用效率。采納汽車巡航限制系統(tǒng)是提高汽車的動(dòng)力性能和乘坐的舒適性的主要方法之一[8]。1.2汽車巡航限制系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r國(guó)內(nèi)外研發(fā)汽車自動(dòng)巡航限制系統(tǒng)起步很早，其發(fā)展過(guò)程主要經(jīng)驗(yàn)了三個(gè)階段：第一階段是20世紀(jì)60-70年頭中期，早期的汽車巡航限制系統(tǒng)主要是機(jī)械式和氣動(dòng)機(jī)械式巡航限制系統(tǒng)。日本豐田公司從1965年起就起先在車上裝用機(jī)械式巡航限制系統(tǒng)。德國(guó)的VDO公司也研制出了氣動(dòng)機(jī)械式巡航限制系統(tǒng)。而1968年德國(guó)奔馳公司開(kāi)發(fā)，晶體管限制的巡航限制系統(tǒng)，并在莫克利汽車上裝用，這期間美國(guó)和只本相繼出現(xiàn)了以模擬電路為基礎(chǔ)的汽車巡航限制系統(tǒng)。

其次階段是20世紀(jì)70年頭中后期-80年頭中后期，以數(shù)字信號(hào)為主的限制系統(tǒng)。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特殊是大規(guī)模集成電路及單片機(jī)的應(yīng)用，出現(xiàn)了以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的巡航限制系統(tǒng)。如1974年美國(guó)魯卡斯汽車探討中心探討出了性能完善的運(yùn)用衛(wèi)星雷達(dá)的數(shù)字車速、車距限制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)路面狀況的變更。日本日野公司于1985年投放市場(chǎng)一種基于燃油經(jīng)濟(jì)性的車速限制系統(tǒng)。其限制部分的核心是微處理器。美國(guó)摩托羅拉公司也研制了一種采納微處理器限制的巡航限制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的全部輸入指令以數(shù)字形式干脆存儲(chǔ)和處理，微處理器依據(jù)指令車速、實(shí)際車速以及其他輸入信號(hào)，按給定程序完成全部數(shù)據(jù)處理，并產(chǎn)生步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，變更節(jié)氣門開(kāi)度，每種車型的最佳加速度和減速度由編程人員確定。從平安上考慮，將制動(dòng)開(kāi)關(guān)與節(jié)氣門執(zhí)行器干脆相連，這樣當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，在斷開(kāi)巡航限制系統(tǒng)的同時(shí)，將執(zhí)行器的動(dòng)力源斷開(kāi)，從而使節(jié)氣門快速脫離巡航限制系統(tǒng)的限制。

與模擬技術(shù)相比，散字系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是系統(tǒng)的信號(hào)量以數(shù)字表示，受工作溫度和濕度的影響較小，因此數(shù)字限制系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性。對(duì)于汽車自動(dòng)巡航限制系統(tǒng)可采納先進(jìn)的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路技術(shù)做成專用模塊，也可在微處理器上編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)汽車上其他系統(tǒng)已有限制微處理器時(shí)，只要修改一下程序便可將此功能附加上去，因而可節(jié)約昂貴的硬件開(kāi)支。

第三階段是從20世紀(jì)90年頭起先，國(guó)外又起先發(fā)展以智能化為核心的汽車自動(dòng)巡航限制系統(tǒng)和以定距離限制為主的自適應(yīng)巡航限制系統(tǒng)。1990年美國(guó)魯卡斯公司研制出一種自動(dòng)恒速智能限制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采納了連續(xù)調(diào)頻被雷達(dá)，通過(guò)雷達(dá)來(lái)探測(cè)前方車輛與本車的距離，通過(guò)處理單元計(jì)算出相對(duì)車速與距離，并將該信息供應(yīng)應(yīng)電子限制單元，通過(guò)執(zhí)行器限制節(jié)氣門來(lái)限制車速。之后，該公司又針對(duì)暴露的問(wèn)題加以改進(jìn)，在美洲虎牌轎車上安裝了新的自動(dòng)恒速限制系統(tǒng)，井對(duì)限制節(jié)氣門與制動(dòng)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作了改進(jìn)，微波雷達(dá)安裝在前保險(xiǎn)杠內(nèi)，通過(guò)塑料車牌照放射微波探測(cè)信導(dǎo)。

日前國(guó)內(nèi)外很多專家都在探討自適應(yīng)巡航限制系統(tǒng)。這種巡航限制系統(tǒng)主要由測(cè)速裝置、轉(zhuǎn)向角傳感器、車速傳感器、制動(dòng)電子限制單元(ECU)和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU等組成。當(dāng)?shù)缆窢顩r良好時(shí)，該系統(tǒng)就是一般的巡航限制系統(tǒng)，可以按設(shè)定車速巡航行駛；當(dāng)距另一輛車距離較近及相對(duì)車速較高時(shí)，通過(guò)巡航限制系統(tǒng)限制制動(dòng)器減速。狀況正常后將自動(dòng)復(fù)原原先的車速，假如前方車輛減速，ACCS便操縱制動(dòng)器來(lái)維持肯定的車距，從而避開(kāi)了汽車的追尾。

國(guó)內(nèi)外很多專家起先了一種半自主式巡航限制系統(tǒng)的探討，此種巡航限制系統(tǒng)能夠很快地應(yīng)用于馬路上，能夠保持人工操縱和自適應(yīng)巡航限制系統(tǒng)的共存。探討的理論結(jié)果表明，此種限制系統(tǒng)具有更高的限制精度。綜合利用仿真、分析和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)人工駕駛和具有自適應(yīng)限制系統(tǒng)的汽車進(jìn)行了比較，從得到的數(shù)據(jù)和信息可以知道，具有巡航限制系統(tǒng)的汽車能對(duì)駕駛員供應(yīng)重要的協(xié)助作用，對(duì)行駛平安性供應(yīng)了一種主動(dòng)平安技術(shù)[2][8]。1.3課題探討主要內(nèi)容﹙1）查閱相關(guān)資料熟識(shí)汽車巡航限制系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)、工作原理、特性及限制方法。（2）學(xué)習(xí)模糊限制理論和方法。（3）設(shè)計(jì)汽車巡航限制系統(tǒng)限制器，并基于Matlab/simulink建立限制系統(tǒng)模型。進(jìn)行汽車巡航限制系統(tǒng)仿真。（4）驗(yàn)證汽車巡航限制系統(tǒng)限制器的限制結(jié)果。2巡航限制系統(tǒng)的簡(jiǎn)介和工作原理2.1巡航限制系統(tǒng)簡(jiǎn)介汽車巡航限制系統(tǒng)，依據(jù)其特點(diǎn)又被稱為巡航行駛裝置、速度限制(SpeedContr01)系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛(Auto-Drive)系統(tǒng)等。目前汽車巡航限制系統(tǒng)分為巡航限制和自適應(yīng)巡航限制兩大類，后者是前者功能的延長(zhǎng)和擴(kuò)展。汽車巡航限制系統(tǒng)是最早開(kāi)發(fā)的汽車電子限制系統(tǒng)之一，其作用是在按下駕駛員所要求的速度閉合開(kāi)關(guān)之后，不用踩油門踏板就可以自動(dòng)地保持車速，使車輛以固定的速度行駛。在汽車行駛的過(guò)程中，駕駛員只要把住方向盤就可以了。在巡航限制期間。隨著道路坡度的變更以及汽車行駛中所可能遇到的阻力，車輛自動(dòng)變換油門開(kāi)度或自動(dòng)進(jìn)行擋位轉(zhuǎn)換，以按存儲(chǔ)在微機(jī)內(nèi)的最佳燃料經(jīng)濟(jì)性規(guī)律或動(dòng)力性規(guī)律穩(wěn)定行駛。巡航限制系統(tǒng)在飛機(jī)上的應(yīng)用顯示出了其無(wú)可比擬的的優(yōu)點(diǎn)。上個(gè)世紀(jì)50年頭末起先在汽車上應(yīng)用。并很快受到青睞。目前在美、日、德、法、意等汽車大國(guó)發(fā)展、普及很快，尤其是近幾年來(lái)世界各國(guó)高速馬路的通車?yán)锍淘龆?，擴(kuò)大了汽車巡航限制系統(tǒng)大顯身手的空間。汽車巡航限制系統(tǒng)在大陸型國(guó)家更具有運(yùn)用價(jià)值。汽車巡航限制系統(tǒng)一般設(shè)有基本功能和故障保險(xiǎn)功能[4]。1.基本功能（1)車速設(shè)定功能:當(dāng)車輛在高速馬路上行駛時(shí)，假如路面質(zhì)量好，沒(méi)有人流、分道行車，無(wú)逆向行車，相宜以較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，駕駛員可通過(guò)巡航系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)穩(wěn)定行駛的車速，使其不用限制節(jié)氣門和換擋，汽車就能始終以這一車速穩(wěn)定行駛。（2)復(fù)原功能:當(dāng)司機(jī)處理好狀況后，依據(jù)路面車流狀況在推斷出又可穩(wěn)定運(yùn)行后，可使汽車自動(dòng)按著上一次設(shè)定的車速恒速行駛，駕駛員也可重新設(shè)定巡航車速。（3)取消功能:當(dāng)踩下制動(dòng)踏板或者按下“取消"鍵時(shí)，則馬上退出巡航狀態(tài)。但是，假如其行駛速度大于最小設(shè)定車速，則退出之前設(shè)置的速度接著保存，供巡航限制系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)用。（4)加速、減速功能:車輛處于巡航行駛狀態(tài)時(shí)，可對(duì)設(shè)定車速進(jìn)行加速和減速的操作，從而變更其巡航車速。2.故障保險(xiǎn)功能（1)低速自動(dòng)消退功能:當(dāng)車速低于低速極限巡航限制不起作用，存儲(chǔ)的車速消逝，并不能再?gòu)?fù)原此速度。（2)有關(guān)開(kāi)關(guān)消退功能:除了踩制動(dòng)踏板有消退功能外，當(dāng)按住車制動(dòng)開(kāi)關(guān)、離合器限制開(kāi)關(guān)或者變速器擋位開(kāi)關(guān)時(shí)，巡航車輛都將自動(dòng)地消退巡航限制功能。綜合汽車巡航限制系統(tǒng)的功能和作用其具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1)提高汽車行駛的穩(wěn)定性、平安性和舒適性，巡航限制系統(tǒng)保證了汽車無(wú)論是在上坡、下坡、平路上行駛，或是在風(fēng)速變更的狀況下行駛，只要在發(fā)動(dòng)機(jī)功率允許的范圍內(nèi)，速度都可保持不變。特殊是在郊外或者高速馬路上行駛時(shí)，這種優(yōu)越性更為顯著。另外，當(dāng)汽車以定速行駛時(shí)，駕駛員只要駕馭好方向盤，不用踩踏板和換擋就能使車輛定速穩(wěn)定運(yùn)行，這減輕了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，可使駕駛員精力集中以確保行車平安。（2)削減磨損，延長(zhǎng)壽命，汽車穩(wěn)定定速行駛使其額外慣力削減，所以機(jī)件磨損削減，使車輛的壽命增加，故障削減。（3)具有肯定的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，在同樣的行駛條件下，對(duì)于一個(gè)有閱歷的司機(jī)來(lái)說(shuō)，在運(yùn)用巡航限制系統(tǒng)后可以節(jié)約15%左右的燃料。這是因?yàn)樵谶\(yùn)用了這一速度穩(wěn)定器后，可使汽車的燃料供應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)功率之間處于最佳的協(xié)作狀態(tài)削減了CO、CH、NOx等有害氣體的排放，有利于環(huán)保[6][7]。2.2汽車巡航限制原理汽車巡航系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)負(fù)反饋限制系統(tǒng)，其原理如下圖2-1所示：車速車速實(shí)際車速反饋信號(hào)節(jié)氣門開(kāi)度信號(hào)車速傳感器發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器車輛設(shè)定車速巡航限制ECU執(zhí)行器限制信號(hào)圖2-1汽車巡航限制原理圖CCSECU的信號(hào)有2個(gè)，一是駕駛員依據(jù)行駛條件，通過(guò)巡航開(kāi)關(guān)設(shè)定的巡航車速信號(hào)。二是車速傳感器輸入的實(shí)際車速反饋信號(hào)。當(dāng)巡航設(shè)定車速信號(hào)和實(shí)際車速反饋信號(hào)輸入CCSECU后，CCSECU經(jīng)過(guò)比較運(yùn)算可得速度偏差變更E和偏差變更率EC，經(jīng)過(guò)處理后，再結(jié)合當(dāng)前節(jié)氣門的開(kāi)度信號(hào)，可得到限制節(jié)氣門開(kāi)度大小的限制信號(hào)，CCSECU將限制指令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu),執(zhí)行機(jī)構(gòu)就可驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門拉索調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度的大小，將實(shí)際車速快速調(diào)整到駕駛員設(shè)定的車速值，從而實(shí)現(xiàn)恒速限制。3模糊限制器的設(shè)計(jì)3.1模糊限制的特點(diǎn)模糊限制是一種基于規(guī)則的限制，它干脆采納語(yǔ)言型限制規(guī)則，動(dòng)身點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的限制閱歷或相關(guān)專家的學(xué)問(wèn)，在設(shè)計(jì)中不須要建立被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得限制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，便于應(yīng)用。由工業(yè)過(guò)程的定性相識(shí)動(dòng)身，比較簡(jiǎn)潔建立語(yǔ)言限制規(guī)則，因而模糊限制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲得，動(dòng)態(tài)特性不易駕馭或變更特別顯著的對(duì)象特別適用。(3)基于模型的限制算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于動(dòng)身點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同，簡(jiǎn)潔導(dǎo)致較大差異，但一個(gè)系統(tǒng)語(yǔ)言限制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)立性，利用這些限制規(guī)律間的模糊連接，簡(jiǎn)潔找到折中的選擇，使限制效果優(yōu)于常規(guī)限制器。(4)模糊限制是基于啟發(fā)性的學(xué)問(wèn)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工限制的過(guò)程和方法，增加限制系統(tǒng)的適應(yīng)實(shí)力，使之具有肯定的智能水平。(5)模糊限制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變更對(duì)限制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的限制。(6)本文主要采納模糊PID限制，模糊PID限制是依據(jù)PID限制器的三個(gè)參數(shù)與偏差E和偏差的變更EC之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行時(shí)不斷檢測(cè)E及EC，通過(guò)事先確定的關(guān)系，利用模糊推理的方法，在線修改PID限制器的三個(gè)參數(shù)，讓PID參數(shù)可自整定。就我的理解而言，它最終還是一個(gè)PID限制器，但是因?yàn)閰?shù)可自動(dòng)調(diào)整的原因，所以也能解決不少一般的非線性問(wèn)題，但是假如系統(tǒng)的非線性、不確定性很嚴(yán)峻時(shí)，那模糊PID的限制效果就會(huì)不志向啦。而且模糊PID限制的規(guī)則還是較困難的，隸屬度函數(shù)的選定也得靠閱歷。優(yōu)點(diǎn)就是可以自動(dòng)調(diào)整PID的參數(shù)，對(duì)于一般的不確定系統(tǒng)可以運(yùn)用[5][9]。3.2模糊限制器的設(shè)計(jì)步驟3.2.1定義輸入語(yǔ)言變量將巡航限制系統(tǒng)的速度誤差肯定值|E|和速度誤差變更率肯定值|EC|作為模糊限制器的輸入語(yǔ)言變量。它們的變更范圍定義為模糊集上的域論：|E|={0,1,2,3,4,5}|EC|={0,1,2,3,4,5}它們的模糊子集為：|E|={零(Z),小(S),中(M),大(B)}|EC|={零(Z),小(S),中(M),大(B)}其隸屬函數(shù)如圖3-1所示:圖3-1輸入語(yǔ)言變量隸屬函數(shù)3.4.2定義輸出語(yǔ)言變量定義3個(gè)輸出語(yǔ)言變量(1)Kp′比例系數(shù)修正參數(shù)(2)Ti′積分系數(shù)修正參數(shù)(3)Td′微分系數(shù)修正參數(shù)并分別定義它們的模糊子集為Kp′={零(Z),小(S),中(M),大(B)}Ti′={零(Z),小(S),中(M),大(B)}Td′={零(Z),小(S),中(M),大(B)}其隸屬函數(shù)如圖3-2所圖3-2輸出語(yǔ)言變量隸屬函數(shù)3.2.3提出模糊限制規(guī)則從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面考慮提出以下三條限制規(guī)則:當(dāng)|E|較大時(shí),系統(tǒng)響應(yīng)具有較快的響應(yīng)速度,應(yīng)取較大的Kp;為防止出現(xiàn)較大的超調(diào),避開(kāi)起先時(shí)|E|的瞬間變大可能引起的微分過(guò)飽和,則應(yīng)取較大的Ti和較小的Td;當(dāng)|E|和|EC|處于中等大時(shí),為了使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取較小的Kp,為了避開(kāi)對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性造成影響,應(yīng)取適中的Ti，由于此時(shí)的調(diào)整特性對(duì)Td的變更敏感,因此Td應(yīng)取得大一些;當(dāng)|E|較小時(shí),為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能,減小系統(tǒng)靜態(tài)誤差,增加系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制實(shí)力,應(yīng)增大Kp;減小Ti和Td。對(duì)實(shí)際的汽車巡航限制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),誤差為零時(shí)簡(jiǎn)潔產(chǎn)生游車,使駕駛員感到不適。從而車速誤差不能為零,而要將其保持在肯定的誤差范圍內(nèi)。所以在設(shè)計(jì)汽車巡航限制系統(tǒng)的模糊規(guī)則時(shí)就要考慮到;當(dāng)車速誤差較小時(shí),應(yīng)減弱積分環(huán)節(jié)的作用、加大比例環(huán)節(jié)的作用,允許系統(tǒng)有肯定的誤差[6]。3.2.4規(guī)則表的建立在實(shí)際的限制系統(tǒng)中,在限制過(guò)程的各階段,對(duì)誤差和誤差變更又不同的要求。在限制過(guò)程的初始階段,系統(tǒng)的誤差往往較大,限制系統(tǒng)的目的是消退誤差,這時(shí)就要求誤差值在限制規(guī)則中的加權(quán)系數(shù)應(yīng)大一些,反之當(dāng)限制過(guò)程趨向穩(wěn)定階段,系統(tǒng)誤差已經(jīng)很小,限制系統(tǒng)的主要任務(wù)是減小超調(diào)量,使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。為此,本文引入了具有多個(gè)調(diào)整因子的模糊限制器,對(duì)每一個(gè)誤差等級(jí)各引入一個(gè)調(diào)整因子.自此模糊限制器有兩個(gè)輸入語(yǔ)言變量|E|和|EC|;三個(gè)輸出語(yǔ)言變量Kp′、Ti′和Td;歸納出的模糊限制規(guī)則如表3-1、表3-2、表3-3所示。 表3-1Kp′的規(guī)則表|E||EC|ZSMBZSBBBSBBBBMMMMSBBBBB 表3-2Ti′的規(guī)則表|E||EC|ZSMBZSMMMSBMMMMBMMSBBBBB 表3-3Td′的規(guī)則|E||EC|ZSMZBZZZZZSZMMSMBBSSBBMBB將隸屬函數(shù)與參數(shù)調(diào)整規(guī)則輸入MATLAB的模糊邏輯工具箱中,完成模糊限制器的設(shè)計(jì),可得到PID參數(shù)的模糊矩陣表。系統(tǒng)在線運(yùn)行時(shí),限制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算,完成對(duì)PID參數(shù)的修正。3.3模糊PID限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模糊PID限制技術(shù)是將模糊限制技術(shù)與PID限制結(jié)合構(gòu)成。PID限制汽車巡航系統(tǒng)的模糊PID限制原理圖如圖3-3所示。模糊限制器模糊限制器|EC||E||EC||E|乘以比例因子乘以比例因子GpGiGdDu/DtDu/Dt實(shí)際車速實(shí)際車速被控對(duì)象PID限制器目標(biāo)車速被控對(duì)象PID限制器目標(biāo)車速|(zhì)E||E|實(shí)際反饋車速實(shí)際反饋車速圖3-3模糊PID限制原理圖 依據(jù)原理圖將進(jìn)行建仿照真。4巡航系統(tǒng)的建模與仿真4.1MATLAB/SIMULINK簡(jiǎn)介建仿照真可視化功能SIMULINK是MATLAB五大通用功能之一,是基于MATLAB語(yǔ)言環(huán)境下用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和綜合分析的集成軟件包,它可以處理的系統(tǒng)包括:線性和非線性系統(tǒng);連續(xù)和離散時(shí)間模型,或者是兩者混合系統(tǒng),單任務(wù)、多任務(wù)離散事務(wù)系統(tǒng),并且系統(tǒng)還可以是多采樣率的,比如系統(tǒng)的不同部分擁有不用的采樣率,它的存在使MATLAB的功能得到進(jìn)一步擴(kuò)展。SIMULINK中存儲(chǔ)了大量系統(tǒng)模型,用戶只要在模型庫(kù)窗口上調(diào)出各個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié),并用連線連接起來(lái),便可利用SIMULINK供應(yīng)的功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。這種方框圖式的建模方法很簡(jiǎn)潔將一個(gè)困難系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型輸入到計(jì)算機(jī)中,大大簡(jiǎn)化了編程過(guò)程。對(duì)于建模,SMULINK供應(yīng)了一個(gè)圖形化的用戶界面(GUI),只要進(jìn)行鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拉模塊的圖標(biāo)就可構(gòu)造出困難的仿真模型。它外表以方塊形式呈現(xiàn),且采納分層結(jié)構(gòu)。從建模角度講,這既適合自上而下的設(shè)計(jì)流程(概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件),又適合自下而上逆程設(shè)計(jì)。從分析探討角度講,這種SMULINK模型不僅能讓用戶知道詳細(xì)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)細(xì)微環(huán)節(jié),而且能讓用戶清楚地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間地信息交換,駕馭各部分之間地交互影響。4.2模糊邏輯仿真工具箱簡(jiǎn)介MATLAB的模糊邏輯工具箱有5個(gè)基本工具箱用于建立、編輯和視察模糊推理系統(tǒng)(FLS),它們分別是,模糊推理系統(tǒng)編輯器、隸屬度函數(shù)編輯器、規(guī)則編輯器、規(guī)則視察器和曲面視察器。這些工具箱是動(dòng)態(tài)鏈接的,修改其中任一個(gè)都將影響其它己打開(kāi)的工具箱的顯示結(jié)果。MATLAB的模糊邏輯工具箱拓展了MATLAB對(duì)模糊邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)力,己經(jīng)成為運(yùn)用模糊手段解決工程問(wèn)題的重要工具。模糊邏輯工具箱使得工程設(shè)計(jì)人員可以采納多種途徑生成和編輯模糊推理系統(tǒng),如手工、通過(guò)交互式圖形工具、通過(guò)吩咐行函數(shù)或基于模糊聚類或自適應(yīng)神經(jīng)模糊技術(shù)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。4.3仿真模型的建立4.3.1汽車動(dòng)力仿真模型的建立依據(jù)牛頓其次運(yùn)動(dòng)定律，汽車的運(yùn)動(dòng)方程為：（4-1）式中：：驅(qū)動(dòng)力(N)；：行駛阻力(N)；其公式為：（4-2）：空氣阻力(N)；其公式為： （4-3） ：坡度阻力(N)；其公式為：（4-4）x:汽車水平位移(m);v:汽車行駛速度(m/s);t:汽車行駛時(shí)間(s);m:汽車質(zhì)量(kg);我們?nèi)∫话阈∑嚨馁|(zhì)量為1500kg;:計(jì)入旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力偶矩后的汽車質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);取=1.05;依據(jù)公式并選擇適當(dāng)參數(shù)，然后利用MATLAB軟件中SMULINK建立汽車動(dòng)力仿真模型如圖3.4所示。 圖中maxbrake：最大制動(dòng)力maxthrust：最大驅(qū)動(dòng)力：行駛阻力函數(shù)模塊，Expression—1500*9.8*0.014*(1+u/19440)；：空氣阻力函數(shù)模塊，Expression—0.01*(u[1]+20*sin(0.01*u[2]))^2；：坡度阻力函數(shù)模塊，Expression—1500*9.8*0.01*sin(0.0001*u)， 圖3-4汽車動(dòng)力仿真模型4.3.2PID限制器仿真模型的建立依據(jù)比例—積分—微分限制的基本原理，我們利用MATLAB軟件中SMULINK建立一個(gè)簡(jiǎn)潔的PID限制器模型，利用這個(gè)模型在模糊限制過(guò)程中對(duì)PID限制參數(shù)進(jìn)行在線的實(shí)時(shí)調(diào)整，以達(dá)到改善和優(yōu)化限制效果的作用。建立的PID限制器仿真模型如圖3-5所示。圖3-5PID限制器仿真模型實(shí)際車速和設(shè)定車速作為輸入量，經(jīng)過(guò)PID限制器的比例，積分，微分環(huán)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)力。4.3.3利用模糊邏輯工具箱建立模糊限制器添加輸入輸出語(yǔ)言變量運(yùn)行MATLAB軟件，在CommandWindow窗口中輸入fuzzy，按下回車鍵。打開(kāi)模糊邏輯編輯器窗口。在汽車巡航系統(tǒng)的模糊PID限制中，模糊限制器的輸入語(yǔ)言變量為速度誤差肯定值|E|和速度誤差變更率肯定值|EC|，輸出語(yǔ)言變量為PID限制系數(shù)的在線修正參數(shù)Kp′、Ti′、Td′。在模糊邏輯編輯器窗口中添加輸入輸出語(yǔ)言變量，修改各自的名稱。多輸入多輸出的模糊邏輯限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。 圖3-6模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)編輯隸屬度函數(shù)依據(jù)已定義的輸入輸出語(yǔ)言變量，以及他們的論域和模糊子集，完成各語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)的編輯。輸入語(yǔ)言變量的范圍是[05]；輸出語(yǔ)言變量的范圍是[00.99]；為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們采納三角隸屬度函數(shù)。修改各模糊子集的名稱。編輯結(jié)果如圖3-7所示。圖3-7隸屬度函數(shù)編輯窗口編輯限制規(guī)則依據(jù)歸納出的模糊限制規(guī)則表，我們列出16條限制語(yǔ)句如下：If|E|isZand|EC|isZthenKp′isSandTi′isSandTd′isZ.If|E|isZand|EC|isSthenKp′isBandTi′isMandTd′isZ.If|E|isZand|EC|isMthenKp′isBandTiisMandTd′isZ.If|E|isZand|EC|isBthenKp′isBandTi′isMandTd′isZ.If|E|isSand|EC|isZthenKp′isBandTi′isBandTd′isZ.If|E|isSand|EC|isSthenKp′isBandTi′isMandTd′isM.If|E|isSand|EC|isMthenKp′isBandTi′isMandTd′isM.If|E|isSand|EC|isBthenKp′isBandTi′isMandTd′isS.If|E|isMand|EC|isZthenKp′isMandTi′isBandTd′isB.If|E|isMand|EC|isSthenKp′isMandTi′isMandTd′isB.If|E|isMand|EC|isMthenKp′isMandTi′isMandTd′isS.If|E|isMand|EC|isBthenKp′isSandTi′isSandTd′isS.If|E|isBand|EC|isZthenKp′isBandTi′isBandTd′isB.If|E|isBand|EC|isSthenKp′isBandTi′isBandTd′isM.If|E|isBand|EC|isMthenKp′isBandTi′isBandTd′isB.If|E|isBand|EC|isBthenKp′isBandTi′isBandTd′isB.將限制語(yǔ)句輸入規(guī)則編輯器，如圖3-8所示。 圖3-8規(guī)則編輯器窗口（5）繪制輸出變量的限制表編輯好限制規(guī)則后，打開(kāi)規(guī)則視察器，如圖3-9所示。 圖3-9規(guī)則視察器輸入語(yǔ)言變量取不同的值時(shí)，系統(tǒng)依據(jù)重心法求出各輸出語(yǔ)言變量的限制量。得出的限制表如表3-1、表3-2、表3-3所示。 表3-1Kp′的限制表|E||EC|01234500.3300.5750.8370.8830.8640.88310.5750.5750.8730.8730.8640.87320.7370.7370.7370.7370.5600.57530.6600.6600.6600.6600.4950.33040.7020.7020.7020.7020.5380.51050.8830.8730.8730.8830.8640.883表3-2Ti′的限制表|E||EC|01234500.3300.5400.6600.6600.6600.66010.5750.5600.6600.6600.6600.66020.8730.6790.6600.6600.5250.54030.8830.6790.6600.6600.4950.33040.8640.7020.7020.7020.5380.51050.8830.8730.8730.8830.8640.883 表3-3Td′的限制表|E||EC|01234500.1070.1170.1170.1070.1260.10710.1170.5340.5340.5340.4740.31120.3990.5540.5600.5400.4950.33030.8830.8730.5750.3300.3300.33040.8640.7020.5700.5100.5100.51050.8830.6790.6790.8830.8640.883最終將建立起來(lái)的模糊限制系統(tǒng)保存到工作書目中。（6）模糊PID限制器仿真模型的建立，我們利用建立的模糊限制器對(duì)PID限制的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修正，從而將模糊限制與PID限制有效地結(jié)合起來(lái)。建立的模糊PID仿真模型如圖3-10所示。圖3-10模糊PID限制器仿真模型巡航系統(tǒng)仿真模型我們將汽車動(dòng)力仿真模型和模糊PID限制器仿真模型以及PID限制器仿真模型制作成子系統(tǒng)，做最終的仿真連接，得到總的仿真模型如圖3-11所示。圖3-11巡航系統(tǒng)的仿真模型5仿真結(jié)果及分析我們分別設(shè)定巡航車速為40km/h、80km/h和100km/h，對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)做必要的設(shè)置后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，得出仿真結(jié)果曲線。仿真結(jié)果如圖3-12、圖3-13、圖3-14所示。圖3-12巡航車速40km/h仿真結(jié)果圖3-13巡航車速80km/h仿真結(jié)果圖3-14巡航車速100km/h仿真結(jié)果通過(guò)三組仿真曲線我們看到，模糊PID限制的曲線效果特別好，當(dāng)巡航車速設(shè)定為40