基于Matlab和模糊PID的汽车巡航控制系统设计_仇成群

0 引 言
巡 航 控 制 系 统 （ cruise control system ， 缩 写 为 CCS），又称为恒速行驶系统。驾驶员通过巡航控制开 关设定某一个车速，在巡航控制期间，当风力和道路坡 度变化引起的汽车行驶阻力变化，行驶车辆能够自动变 换节气门开度或者进行档位自动转换，能够按存储在微 电脑内的汽车燃料最佳经济性规律稳态行驶。汽车定速 巡航控制系统自从 20 世纪 60 年代末、70 年代初起， 全球各大著名汽车厂家就竞相研制并将其装配在各自 公司的高级轿车上，由于微电脑技术迅速发展、电路集 成化水平不断提高，到 21 世纪初期，汽车巡航控制系 统日趋成熟。巡航控制系统通常采用多模块控制，成本 相对昂贵，限速较高，一般在 40 km/h 以上，检修技术 较高。国内汽车制造起步晚，技术落后，目前国内对汽 车巡航系统的研究还不是很成熟，系统控制的精度和稳 定性不高[1-7]。
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农业工程学报
2012 年
注：ROM 为只读存储器；RAM 为随机存储器；I/O 为输入输出接口；IC 为 集成电路板；CCS ECU 为巡航控制系统电控单元。
图 1 巡航控制系统组成图
Fig.1 Composition of cruise control system
注：|E|为速度误差绝对值；|EC|为速度误差变化率绝对值；Kp′为比例系数调 校参数；Ti′为积分系数调校参数；Td′为微分系数调校参数；Kp 为比例系数 参数；Ti 为积分系数参数；Td 为微分系数参数； 为比较环节；de/dt 为第 n 次速度误差与第 n-1 次速度误差的差值在采样周期内的变化（n 为大于 1 的自然数）。
1 模糊 PID 汽车巡航控制系统
1.1 传统 PID 控制在汽车巡航控制中的运用 CCS 由信号输入装置、巡航控制电控单元和执行器
等组成。CCS 组成图如图 1 所示。汽车各种相关传感器 和开关将信号送入 CCS 电控单元，电控单元由此计算发 动机节气门开度，并控制执行器工作，自动调节发动机 节气门开度。
1.2、1.0 km/h。该系统稳定速度快，超调量小，系统工作稳定，可以较好地满足汽车巡航系统中控制需求。
关键词：汽车，控制系统，模糊控制，速度，Matlab
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.06.032
中图分类号：TP273
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2012)-06-0197-06
汽车巡航控制系统可以降低汽车排气污染，提高 汽车动力性能和乘坐舒适性等。汽车巡航控制系统具 有很强的非线性和不确定性，传统的比例积分微分 PID（proportional-integral-derivative）控制不能满足实
收稿日期：2011-01-25 修订日期：2011-08-18 基金项目：江苏省高校自然科学基金项目（项目编号：10KJB170012）；江 苏省教育厅产业化资助项目（项目编号：JS10-44） 作者简介：仇成群（1980－），男，江苏盐城人，讲师，主要从事汽车电子 产品设计与应用、模糊逻辑和神经网络研究等。盐城 盐城师范学院物理科 学与电子技术学院，224002。Email：qiuchengqun2000@ ※通信作者：刘成林（1964－），男，江苏盐城人，博士，教授，主要从事 模糊逻辑和光电技术研究等。盐城 盐城师范学院物理科学与电子技术学 院，224002。Email：qcqqcq@
仇成群，刘成林，沈法华，等.基于 Matlab 和模糊 PID 的汽车巡航控制系统设计[J]. 农业工程学报，2012，28(6)：
197－202. Qiu Chengqun, Liu Chenglin, Shen Fahua, et al. Design of automobile cruise control system based on Matlab and fuzzy PID[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(6): 197－202. (in Chinese with English abstract)
PID 控制为比例—积分—微分控制，它是根据汽车实 际行驶车速与设定车速之间的偏差，参考过去、针对现 在、预估将来等各种状况，实现系统不变参数的汽车巡 航控制。汽车行驶过程中，驾驶员设定某个车速值输入 给控制器，当车速传感器将实际车速值也输入给控制器 时，得到设定车速值和实际车速值之间的偏差。控制器 的比例控制根据车速值偏差的大小输出相应的控制量来 控制发动机节气门开度从而使得行驶车速趋近设定车速 值。控制器的积分控制把车速偏差累计起来通过加大控 制量减小车速偏差，使行驶车速能够保持恒定稳定工作 状态。控制器的微分控制起预估作用。当被控制对象的 特性复杂、具有强非线性或者时变性时，常规 PID 控制 参数在调整不适当时会使控制系统振荡，工作状态不稳 定，控制效果表现不佳，难以实现有效控制[3-6]。
图 2 模糊 PID 的控制原理
Fig.2 Principle of fuzzy PID control
1.2 模糊控制器的设计 1.2.1 定义输入语言变量
将巡航控制系统的速度误差绝对值|E|和速度误差变 化率绝对值|EC|作为模糊控制器的输入语言变量。以它们 变化范围来定义模糊集上的域论
|E|= {0，1，2，3，4，5} |EC|= {0，1，2，3，4，5} 对应的模糊子集为： |E|= {零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)} |EC|= {零（Z），小(S)，中(M)，大(B)} 1.2.2 定义输出语言变量 定义 3 个输出语言变量：1）Kp′为比例系数调校参数； 2）Ti′为积分系数调校参数；3）Td′为微分系数调校参数。 分别定义对应的语言值为 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)} 1.2.3 规则表建立 从系统稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各 方面来制定控制规则。控制系统模糊规则制定要注意： 当车速误差值较小时，需要加大比例控制作用、减小积 分控制作用、系统可以有一定的误差。模糊控制器有 2 个输入语言变量|E|和|EC|，3 个输出语言变量 Kp′、Ti′和 Td′，归纳出模糊控制规则表。将隶属函数与参数调节规 则输入模糊逻辑工具箱中，完成模糊控制器的设计，可 得到 PID 参数模糊矩阵表[3-7]。当控制系统运行时，对模 糊规则结果进行数据处理，然后完成对 PID 参数的调校。 1.3 模糊 PID 控制系统的设计 速度误差绝对值|E|和速度误差变化率绝对值|EC|加 到模糊控制器的输入端，模糊化过程将其转化为模糊输 入语言变量，根据模糊推理规则推导出模糊输出量，最 后经过解模糊过程输出精确的控制量 Kp′、Ti′ 和 Td′，它 们的值被归一化为 0～1 之间的值。在实际 PID 控制器的 应用中需要乘以适当的比例因子 Gp、Gi、Gd 以得到真正 的 PID 参数 Kp、Ti、Td。汽车巡航系统的模糊 PID 控制 原理图如图 2 所示。
第6期
仇成群等：基于 Matlab 和模糊 PID 的汽车巡航控制系统设计
199ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
表 1 比例-积分-微分系数调校参数的控制表
Table 1 Control of Kp′、Ti′、Td′
控制参 数
|E|
0
1
|EC|
2
3
4
5
0 0.330 0.575 0.873 0.883 0.864
航的精度和稳定性，提出了一种基于 Matlab 和模糊 PID 的自适应模糊控制方法，该控制算法在线优化模糊控制规则以及
输出比例因子，既保留了传统模糊控制的优点，又有效改善了系统的控制品质，实车试验结果表明，试验车（上海大众
帕萨特 1.8 MT）在 40、60、80、100 km/h 定速巡航控制系统稳定时间分别在 38、53、65、80 s，超调量分别是 0.5、0.4、
依 据 比 例 — 积 分 — 微 分 控 制 的 基 本 原 理 ，建 立 一 个 PID 控制器，在模糊控制过程中对 PID 控制参数进 行 实 时 调 整 ，以 达 到 改 善 和 优 化 控 制 效 果 。实 际 车 速 和设定车速作为输入量，经过 PID 控制器的比例、积 分、微分环节输出驱动力[9-16]。运行 Matlab 软件，打 开模糊逻辑编辑器窗口。在汽车巡航系统的模糊 PID 控 制 中 ，模 糊 控 制 器 的 输 入 语 言 变 量 为 速 度 误 差 绝 对 值|E|和速度误差变化率绝对值|EC|；输出语言变量为 PID 控制系数的在线调校参数 Kp′、Ti′、Td′。在模糊 逻 辑 编 辑 器 窗 口 中 添 加 输 入 输 出 语 言 变 量 ，并 修 改 各 自 名 称 。依 据 已 定 义 的 输 入 输 出 语 言 变 量 ，以 及 他 们 的 模 糊 子 集 ，完 成 各 变 量 的 隶 属 度 函 数 的 编 辑 。输 入 语 言 变 量 的 范 围 是 [0 ～ 5] ， 输 出 语 言 变 量 的 范 围 是 [0～0.99]。为简化系统的设计，文中采用三角隶属度 函 数 ，最 后 修 改 各 模 糊 子 集 的 名 称 。依 据 归 纳 出 的 模 糊控制规则表，列出 16 条控制语句，将控制语句输 入 规 则 编 辑 器 。编 辑 好 控 制 规 则 后 ，打 开 规 则 观 察 器 。 输 入 变 量 取 不 同 的 值 时 ，系 统 依 据 重 心 法 求 出 各 输 出 变 量 的 控 制 量 。得 出 比 例 — 积 分 — 微 分 系 数 调 校 参 数 （Kp′、Ti′、Td′）的控制表如表 1 所示。打开曲面观察 器，观察 3 个输出语言变量的控制曲面，比例—积分 —微分系数调校参数（Kp′、Ti′、Td′）的控制曲面如 图 3 所示，控制曲面都成非线性，说明模糊控制本身 是 非 线 性 ，将 建 立 起 来 的 模 糊 控 制 系 统 保 存 到 工 作 目 录中。模糊控制器对 PID 控制的 3 个参数进行调校， 将模糊控制与 PID 控制有效地结合起来建立模糊 PID 控制系统。