汽车速度控制系统的设计与仿真
汽车速度控制系统的设计与仿真
学生姓名：班级：
指导老师：
摘要：目前许多汽车把汽车速度控制系统作为配属设备或选配设备。汽车装有汽车速度控制系统后，当驾驶员启动这一装置并进行一些简单的设置后，该装置可自动保持某一恒定速度行驶，而不踩油门。由于电子系统能准确地控制车辆的速度，从而使高速行驶的车辆更加安全、平稳。
在文中，首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统简化模型，根据研究对象的物理特性建立起汽车速度控制控制系统的微分方程，再将该微分方程进行线性化处理，运用PID控制理论的方法对汽车速度控制控制系统进行分析和控制。然后对汽车速度控制系统进行设计分析，在已有的模型下，对设计的汽车速度控制系统进行Matlab语言仿真。
关键词：速度控制系统PID控制仿真
指导老师签名:
Design and Simulation of the vehicle speed
control system
Student name Class:
Supervisor:
Abstract:At present, many cars make car speed control system as an attachment device or optional equipment. The car is fitted with the motor speed control system, when the driver start the device and make some simple settings, the device can automatically maintain a constant speed, and do not step on the accelerator. Because the electronic system can accurately control the speed of the vehicle, so that the high-speed vehicles more secure, stable.
In this paper, the first principle of the movement of automobile is analyzed, establishing control system is simplified model, based on physical characteristics of the research object to establish the vehicle speed control differential equation of the control system, then the differential equation is linearized by using the method of control theory, analyze and control the motor speed control system. Then the design of the vehicle speed control system, the existing model, to design vehicle speed control system simulation language Matlab.
Keyword：Speed control system PID control simulation
Signature of Supervisor:
目录
1绪论 (1)
1.1选题的依据及课题意义 (1)
1.2汽车速度控制研究概况及发展趋势 (1)
2速度控制系统的简述 (3)
2.1汽车速度控制系统原理 (3)
2.2速度控制系统的分类 (3)
2.3速度控制系统的基本用途 (4)
2.4电子式多功能速度控制系统功能 (4)
3系统模型建立及性能分析 (6)
3.1汽车受力分析 (6)
3.2行驶汽车仿真模型 (7)
3.3 动态性能和稳态性能指标 (8)
4 PID控制器 (10)
4.1 PID控制简述 (10)
4.2 PID控制规律 (10)
4.3 PID作用分析 (14)
5 系统仿真及结果分析 (15)
5.1 SIMULINK简介 (15)
5.2实验方案选择 (15)
5.2.1采用P控制 (15)
5.2.2采用PI控制 (20)
5.2.3采用PID控制 (22)
5.3实验结果分析 (25)
总结 (26)
参考文献 (27)
致谢 (28)
1绪论
1.1选题的依据及课题意义
随着汽车工业和公路运输业的发展，汽车将走进千家万户，驾驶人员非职业化的特点将突出，车辆驾驶的自动化己成为汽车发展的主要趋势。跨入二十一世纪后，人们需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快捷的生活节奏，因此对汽车的智能化要求更加迫切，随着计算机和电子技术的不断发展，性能价格比不断提高，为汽车的优化提供了雄厚的物质基础，汽车实现智能化已不是梦想。驾驶汽车长途行驶的机会较多，而且在高速公路上行驶时变换车速的频率及范围都较少，能以较稳定的车速行驶。但若长途驾驶而右脚不得不踩油门踏板时，久而久之驾驶员就会感到疲劳，容易发生交通事故。车辆自动变速器及其控制技术是智能汽车非常重要的内容，是汽车辅助驾驶系统和自动驾驶系统的基础，是目前我国智能汽车发展亟须解决的核心技术之一。此外。汽车速度控制系统，又称为汽车巡航控制系统CCS(Cruise Control System)是汽，随着我国高速公路网建设纵横迅速延伸，自动速度控制也具备了广泛的发展和应用前景车电子技术新装置之一，它实际上就是一种辅助驾驶系统。汽车定速速度控制装置的使用减轻了驾驶员操纵强度,减少了不必要的车速变化,提高了驾驶的舒适性和安全性。汽车速度控制系统研究分为两大部分，第一部分是系统硬件和运行控制基础软件的开发，另一部分是速度控制算法的研究。本文主要研究第二部分。
1.2汽车速度控制研究概况及发展趋势
目前我国的自动速度控制装置仍处于研制阶段，具有自主知识产权的产品还未见报道。由于国内汽车研究起步较晚，技术相对落后，并且就目前我国公路状况和实际应用来说，对汽车速度控制系统的研究应用主要是以单车定速控制为主。目前，模拟汽车憾速控制器在我国已经投入生产和使用。例如：由江苏省仪征市速度设备厂生产的XD-1型汽车定速系统。
近几年，国内有许多科研机构和高校也开始了对电子式速度控制装置的研究。例如，北京理工大学应用PID方法对汽车速度控制进行的研究、由清华大学
王俊敏等研制的基于变参数的比例一积分(PI)控制算法汽车数字式速度控制系统、哈尔滨工照大学建立了基于一汽捷达轿车的汽车纵自动力学模型等等。但从总体来说，目前国内对汽车速度系统的研究还不是很成熟。
总体来说，汽车速度控制系统有以下几个发展趋势：
（1)新控制理论的应用车辆的行驶状况受到成员的多少、发动机输出的变化因素等影响。驾驶者需要更平顺的驾驶感觉和更自然的速度控制，以传统的控制理论为基础，又引入了新的控制理论。目前，模糊控制等新理论已不断得到应用。
（2)走停控制：现在对CCS的研制和开发主要是针对在高速公路上高速行驶的车辆，而不适用于城市中低速、高车流密度情况下使用，走停控制正是CCS
针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展，这要求CCS具有更好的近距离探测能力，更快的信号处理功能，更迅速的系统响应，同时还向CCS提出了增加车辆的自动起步功能。这样即使在堵车情况下也无须驾驶员参与，只需操纵车辆的转向即可。驾驶员可以完全从烦琐的驾驶操作中解放出来。
（3)随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来的CCS将同其他的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，驾驶这种汽车只需在显示器中指明所要到达的目的地，汽车就会在卫星导航系统的指引下，借助公路两旁的电子标志牌无需人为参与就可安全驶达目的地，实现完全的自动驾驶功能。
（4)集成化随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来的汽车速度控制系统将同其它的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，例如它可同加速防滑系统以及发动机控制器等各种电控系统集成起来。还可以通过采用CAN总线技术，实现信号资源的共享，提高系统的灵活性。集成化有助于降低成本，增强各系统间的内在联系，充分利用各种车辆信息，从而提高系统的稳定性和可靠性。
目前，我国的道路和通讯网络等基础设施还落后于发达国家，智能速度控制系统等还不适合我国目前交通的发展情况。随着我国高速公路建设规模的逐渐扩大，汽车产量的急剧上升和排放法规的建立，国内汽车市场追切需要适合我国基本国情的汽车自动速度控制系统。
2速度控制系统的简述
2.1汽车速度控制系统原理
现在许多轿车都有速度控制系统。速度控制系统（Speed Control System）又称为巡航控制系统（Crusle Control System），缩写为CCS。本文所设计自动巡航系统主要由决策模块，ACC控制模块和发动机模块三个大部分构成，巡航系统中三大模块的工作原理图如图2.1所示：
图2.1巡航系统的工作原理图
(1)决策模块：带有决策控制功能，能够针对自动巡航系统的定速功能和跟车衡速行驶功能进行判断及自动切换，对进入和退出该系统进行自动判断。
(2)ACC控制模块：带有PID控制器，通过反馈量对所输入的车速进行微调，使其保持相对稳定的输出。该模块的输入量为车速，通过模块转换，使其输出量变成控制节气门开度和制动踏板的信号量。
(3)发动机模块：进行发动机部分的仿真，通过ACC模块的输出量进行工作，输出速度、加速度、转矩等一系列数据，转化成波形直观的对巡航系统进行系统分析。
2.2速度控制系统的分类
随着汽车技术的不断发展，目前速度控制主要非为三大类：
1．机械拉线式速度控制器（适用于油门控制方式采用机械拉线式控制的车辆）。
2．电子式速度控制器（适用于油门控制方式采用电子式控制的车辆）。
3．电子式多功能速度控制系统（适用于油门控制方式采用电子式控制的车辆）。
2.3速度控制系统的基本用途
1．车速设定：车速在30—180km/h范围内，当按下车速调置开关后，就能存储该时间的行驶速度，并能保持这速度行驶。
2．消除功能：当踩下制动踏板、离合器踏板或手动暂停后，巡航功能立即解除，但巡航速度值会暂存在控制模块中。
3．恢复功能：当按恢复开关，刚能恢复原来的车速。
4．手动调速功能：巡航状态下，可通过巡航按键或手柄调整车速。
2.4电子式多功能速度控制系统功能
由于汽车技术的发展，越来越多的拉线式节气门控制方式快速的被电子式节气门控制方式多代替。拉线式定速巡航器主要由控制开关、控制组件（巡航电脑）伺服器（机械执行机构）组成。定速巡航系统的工作原理，简单地说就是由巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，从而发出指令由伺服器机械的来调整节气门开度的增大或减小，以使车辆始终保持所设定的速度。电子式多功能定速巡航系统摒除了拉线式定速巡航器的机械控制部分，完全采用精准电子控制，使控制更精确，避免了机械故障的风险。
目前市场上电子式多功能定速巡航器主要有以下几个功能：定速巡航功能、电子节油功能、油门加速功能、限速设定功能、刹车故障报警功能。
定速巡航功能，主要是通过巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，通过精准的电子计算发出指令，保证车辆在设定速度下的最精准供油量。
电子节油功能，主要是通过智能优化控制节气门的开启角度与开启时间，有效屏蔽电子油门传感器由于颠簸路段及不良驾驶习惯形成的杂乱信号，经过精确计算喷油量，使燃油得到最充分燃烧，来实现节油。
油门加速功能，主要是通过提高节气门响应灵敏度实现的，当系统发现司机有加速意愿时，会驱动节气门尽可能快的打开，这样就使油门响应的敏感度得到了提高。在油门踏板被踩下时，控制器会根据踩下幅度、时间计算油门信号的变化率，变化越快，说明加速要求越强烈，最终实现油门响应速度更快，整车的动力感会明显增加，能够让司机感觉到整车动力大大提升。
限速设定功能，通过控制器，根据限定的速度值，设定输出油门信号最大值，
当油门输出信号超不过设定的最大值，来实现限制速度的目的。
刹车故障报警功能，通过采取刹车电路的信号，当刹车电路或刹车保险故障时，会通过告警的方式对司机进行提示。
低速自动消除功能。当车速小于40km/h时，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。
制动踏板消除功能。在制动踏板上装有两种开关，一个用于对ECU的信号消除；另一个是直接使执行元件工作停止。
3系统模型建立及性能分析
3.1汽车受力分析
汽车种类很多，不同汽车自身速度传递系统的数学模型不尽相同，但总的来说是相似的。图3.1为坡路上行驶汽车的受力图。图中，Fe是引擎动力；θ是坡路与水平面的夹角；Fh为重力分量；Fr是空气阻力；m为汽车的质量；x为汽车的位移。
图3.1坡路上行驶汽车的受力图
根据牛顿第二定律，汽车的运动方程为：
mx``=Fe-Fr-Fh （3-1）式中，各物理意义如下：
1、m为汽车质量，本文中取为100个质量单位。
2、Fe是引擎动力。最大驱动力为1000，最大制动力为-2000，即
-2000<=Fe<=1000 (3-2)
3、Fr是空气阻力，它与轿车的速度平分成正比，其表达式为：
Fr=0.001(x`+20sin(0.01t))^2 (3-3) 式中第二项是为近似考虑“阵风”而引入的，x`为行驶汽车的水平速度。
4、Fh是重力分量，其表达式为：
Fh=30sin(0.0001x`x) (3-4) 式中的正弦项是为考虑坡路与水平夹角的变化而引入的。
3.2行驶汽车仿真模型
根据以上计算可建立行驶汽车的Simulink模型如图3.2所示。
图3.2行驶汽车simulink模型
1、In1模块：为“指令”驱动力Fe提供输入端口。
2、Out1模块：为输出汽车实际速度Sa提供输出端。
3、Constant1模块：设置驱动力上限，Constant value栏填写1000。
4、MinMax1模块：其参数设置如图3.3所示，Function栏填写min（缺省设置），Number of input ports栏填写2（缺省设置），则模块输入取两个输入中的小者。与此同时，该模块的图标以min表示。
5、Constant模块：设置制动力下限，Constant value栏填写-2000。
6、MinMax模块：在图3.3中，Function栏填写max，则模块取两个输入中的大者。与此同时，该模块的图标也以max表示。
7、Clock模块：为接受仿真时间数据t提供输入端口。
8、Fcn模块：实现空气阻力Fw（见式3-3），该模块的输入是[x`,t]构成的向量，所以，根据Fcn模块表达式必须遵循的第一个规则，在Expression栏中填写0.001*（u(1)+20*sin(0.01*u(2))）^2。
9、Fcn1模块：实现重力分量Fh（式3-4）。该模块的输入为位移标量x，输出是重力分量Fh，则在Expression栏中填写30*sin(0.0001*u)。
图3.3MinMax 模块参数设置
3.3 动态性能和稳态性能指标
在时域分析中，要考虑以下五个性能指标，包括上升时间r t 、峰值时间p t 、调节时间s t 、超调量%σ和稳态误差。通常，用r t 和p t 评价系统的响应速度，用%σ评价系统的阻尼程度，而s t 是同时反映响应速度和阻尼程度的综合性能指标，稳
态误差是系统控制精度或抗干扰能力的一种度量。
1．上升时间r t
指单位阶跃响应曲线从稳态值的10%上升到90%所需要的时间。系统的响应速度与n w 成正比；而当阻尼振荡频率n w 一定时，阻尼比越小，上升时间越短。
2．峰值时间p t
指单位阶跃响应曲线超过其稳态值达到第一个峰值所需要的时间。当阻尼比一定时，闭环极点离负实轴的距离越远，系统的峰值时间越短。
3．调节时间s t
响应曲线达到并不再超出该误差带的最小时间，称为调节时间。调节时间标志着过渡过程结束，系统响应进入稳态过程。
σ
4．超调量%
σ仅是指在响应过程中，超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比。超调量%
阻尼比ξ的函数，而与自然频率
w无关，阻尼比越大，超调量越小，反之亦然。
n
5．稳态误差的计算
稳态误差是系统控制精度的一种度量，在控制系统中，稳态误差是一项重要的技术指标。对于一个实际的控制系统，由于系统结构、输入作用的类型（控制量或扰动量）、输入函数的形式（阶跃、斜坡或加速度）不同，控制系统的稳态输出不可能在任何情况下都与输入一致或相当，也不可能在任何情况下都能准确地恢复到原来平衡位置。所以只有在规定要求下的稳态误差范围之内，所研究的系统才有意义。
4 PID控制器
4.1 PID控制简述
PID(Proportional lntegral Derivative)控制器是工业上广泛应用的一种实现自动控制的方法.在1939年，最早的PID控制器由Tayor Instrument公司的工程师们设计制造。在上世纪50年代，PID控制器从模拟气动方式转换到模拟电动方式，而最终在70年代微处理器发明后，发展成为微处理器数字控制器。
PID控制器在工业上的广泛应用有着以下几个原因:
l)结构简单:PID控制器的.简单结构使其在硬件软件上都易于实现。
2)应用广泛:在工业应用过程中，人们已经积累了安装和维护PID控制器的大量经验。PID算好更是为很多工程师熟记。
3)易于获取:在市TD上有大量商品PID控制器，极易得到。而PID控制器的广泛应用和工业制造商的支持保证了在未来PID控制器也是容易得到的。
4)适用性好:只要通过调节控制器的3个参数就可以使一个控制器应用到不同的被控过程并表现出色。而通过考察控制器的内部原理可以证明PID控制器适用大部分的被控过程。更重要的是，人们发现对于一个没有非线性单元的被控过程，无法使用更复杂的控制器来提高控制能力。PID控制器给出相同控制能力的最简单的控制机构。
5)鲁棒性好:PID控制器保证了很多控制系统保持好的性能.PID因为其很好鲁棒性使控制系统更加稳定。
具有PID特点的调节器既可以作为控制器，叫PID控制器；也可以作为校正器，叫PID校正器。它们都能发挥其独特的多项调节功能。PID校正是一种负反馈闭环控制。PID校正器通常与被控制对象串联连接，设置在负反馈闭环控制的前向通道上。
若校正器与系统的前向通道或者前向通道的一部分构成负反馈闭环连接，这种校正叫做反馈校正。
4.2 PID控制规律
图4.1为PID控制器原理图。在PID控制器调节作用下，对误差信号e（t）分别进行比例、积分、微分运算，三个作用分量之和作为控制信号输出给被控制
对象。图中信号为其对应量的拉氏变换。
图4.1 PID控制器原理图
PID控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。它是最广泛应用的一种控制器。PID控制器的数学模型可以用下式表示:
（4-1）其中:u(t)一控制器的输出
e(t)一控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号。
Kp一控制器的比例系数。
Ti一控制器的积分时间。
Td一控制器的微分时间。
尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是PID控制器基本组成部分只有三种：比例（P）部分、积分（I）部分和微分（D）部分。这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。如比例（P）控制、比例-积分（PI）控制、比例-积分-微分（PID）控制等。
比例（P）部分：比例调节器的特点是简单、快速，对于具有自平衡性的控制对象可能产生静差（自平衡性是指系统阶跃响应终值为一有限值);而对于带有滞后的系统，可能产生振荡，系统的动态特性也随之降低。
增大比例系数KP，可以加快响应速度，减小系统稳态误差，从而有利于提高控制精度。然而KP取的过大，系统开环增益也随之加大，一般将导致系统稳定性降低甚至激烈震荡(也有一些系统，其稳定性随KP增大反而变好。此时，如果残差过大，则需要通过其它途径解决)。
减小比例系数KP，能使系统减少超调量，稳定裕度增大，却同时降低了系
统的调节精度，导致过度过程时间延长。
单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍。
积分（I）部分：积分部分数学表达式表示如下：
（4-2）从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断地积累，输出控制量以消除偏差。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。可是积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。积分时间Ti对积分部分的作用影响极大。当Ti 较大时，则积分作用较弱，这时，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生振荡。但是消除误差所需时间较长。当Ti较小时，则积分作用较强。这时系统过渡过程中有可能产生振荡，消除误差所需的时间较短。
微分（D）部分：微分部分数学表达式表示如下:
(4-3) 微分控制得出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但使系统抑制干扰的能力降低。微分部分的作用强弱由微分时间Td决定。Td越大，则它抑制e(t)变化的作用越强，Td越小，它反抗e(t)变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。在计算机直接数字控制系统中，控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。PID计算机直接数字控制系统大多数是采样数据控制系统。进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。在数字计算机中，PID 控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使 PID 算法离散化，将描述连续时间 PID算法的微分方程，变为描述离散时间 PID 算法的差分方程，即为数字PID 位置型控制算式。
比例积分（PI）控制：比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独
使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。
积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分控制。这样取二者之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力。因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。
比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。
比例微分（PD）控制：比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。所谓“时间滞后”指的是：当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，比如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。为此，人们设想：能否根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作呢？犹如有经验的操作人员，即可根据偏差的大小来改变阀门的开度（比例作用），又可根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制，“防患于未然”。这就是具有“超前”控制作用的微分控制规律。微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度。
比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。
比例积分微分（PID）控制：最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。
当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。
4.3 PID作用分析
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑，Kp、Ti、Td对系统的作用如下。
（1）比例系数Kp的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳定、Kp过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。
(2)积分系数Ti的作用是消除系统的稳态误差。Ti越大，系统的稳态误差消除越快，但Ti过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调;若Ti过小，将使系统稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。
(3)微分系数Td的作用是改善系统的动态特性。其作用要是能反应偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变的太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
Kp、Ti、Td与系统时间域性能指标之间的关系如表4-1所示。
表4-1 各参数对系统性能的影响
5 系统仿真及结果分析
5.1 SIMULINK简介
建模仿真可视化功能SIMULINK是MATLAB五大通用功能之一，是基于MATLAB语言环境下用来对动态系统进行建模、仿真和综合分析的集成软件包，它可以处理的系统包括：线性和非线性系统；连续和离散时间模型，或者是两者混合系统；单任务、多任务离散事件系统；并且系统还可以是多采样率的，比如系统的不同部分拥有不用的采样率，它的存在使MATLAB 的功能得到进一步扩展。SIMULINK中存储了大量系统模型，用户只要在模型库窗口上调出各个系统环节，并用连线连接起来，便可利用SIMULINK 提供的功能对系统进行仿真和分析。这种方框图式的建模方法很容易将一个复杂系统的数学模型输入到计算机中，大大简化了编程过程。
对于建模，SIMULINK提供了一个图形化的用户界面(GUI)，只要进行鼠标点击和拖拉模块的图标就可构造出复杂的仿真模型。它外表以方块形式呈现，且采用分层结构。从建模角度讲，这既适合自上而下的设计流程(概念、功能、系统、子系统、直至器件)，又适合自下而上逆程设计。从分析研究角度讲，这种SIMULINK模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间地信息交换，掌握各部分之间地交互影响。
5.2实验方案选择
5.2.1采用P控制
比例控制器的工作原理是：根据期望速度和实际速度之差产生指令驱动力Fc，其数学模型为：
Fc=Kp(X`c-X`) （5-1）式中Kp为比例系数，；X`c为汽车期望速度；X`为汽车实际速度。
“指令”驱动力Fc与实际驱动力Fe的差别在于：前者是理论上需要的计算力，后者是受物理限制后实际能提供的力。
由式5-1构建的比例控制器模型如图5.1所示。图中In1和In2分别是比例控制器模型的期望速度X`c与实际速度X`的输入端口模块，Out1是“指令”驱动力Fc的输出端口模块。
图5.1比例控制器模型
根据上文分析结果，将比例控制器模型和行驶汽车模型进行适当的连接，即可得到如图5.2所示的受控汽车的完整模型。
图5.2 P控制完整模型
图5.2中Slider Gain模块的功能是实现可变的汽车期望速度。用鼠标左键双击Slider Gain模块，打开图5.3所示的操作窗口，将Low（下限）设置为0，High（上限）设置为100，滑键所在位置为增益值（图中为60，
即汽车期望速度）。同时，该模块还需要“恒值”输入信号Constant的激励。
图5.3滑键增益模块操作窗口
为了方便观察比较，速度量还被送到Display（数值显示器）和Scope。在仿真过程中可以从数值显示器上看到汽车的实际车速。
先取比例系数Kp=10，然后将图 5.2模型窗口的仿真结束时间设置为10000。仿真前先分别打开Slider Gain操作窗口和示波器窗口，仿真结果如图5.4及图5.5所示。在仿真过程中，若在Slider Gain操作窗口移动滑键，可以从模型窗口的Slider Gain模块图标上看到变化的期望车速。与此同时还可以看到，Display模块所显示的实际车速在控制作用下不断翻动地向期望车速逼近。
图5.4 仿真结果
基于MATLAB的汽车运动控制系统设计仿真
课程设计 题目汽车运动控制系统仿真设计学院计算机科学与信息工程学院班级2010级自动化班 姜木北：2010133*** 小组成员 指导教师吴
2013 年12 月13 日 汽车运动控制系统仿真设计 10级自动化2班姜鹏 2010133234 目录 摘要 (3) 一、课设目的 (4) 二、控制对象分析 (4) 2.1、控制设计对象结构示意图 (4) 2.2、机构特征 (4) 三、课设设计要求 (4) 四、控制器设计过程和控制方案 (5) 4.1、系统建模 (5) 4.2、系统的开环阶跃响应 (5) 4.3、PID控制器的设计 (6) 4.3.1比例（P）控制器的设计 (7) 4.3.2比例积分（PI）控制器设计 (9) 4.3.3比例积分微分(PID)控制器设计 (10) 五、Simulink控制系统仿真设计及其PID参数整定 (11) 5.1利用Simulink对于传递函数的系统仿真 (11) 5.1.1 输入为600N时，KP=600、KI=100、KD=100 (12) 5.1.2输入为600N时，KP=700、KI=100、KD=100 (12) 5.2 PID参数整定的设计过程 (13) 5.2.1未加校正装置的系统阶跃响应： (13) 5.2.2 PID校正装置设计 (14) 六、收获和体会 (14) 参考文献 (15)
摘要 本课题以汽车运动控制系统的设计为应用背景，利用MATLAB语言对其进行设计与仿真.首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统模型，确定期望的静态指标稳态误差和动态指标搬调量和上升时间，最终应用MATLAB环境下的.m 文件来实现汽车运动控制系统的设计。其中.m文件用step函数语句来绘制阶跃响应曲线，根据曲线中指标的变化进行P、PI、PID校正；同时对其控制系统建立Simulink进行仿真且进行PID参数整定。仿真结果表明，参数PID控制能使系统达到满意的控制效果，对进一步应用研究具有参考价值，是汽车运动控制系统设计的优秀手段之一。 关键词：运动控制系统 PID仿真稳态误差最大超调量
控制系统仿真课程设计报告.
控制系统仿真课程设计 （2011级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2014年6月
控制系统仿真课程设计一 ———交流异步电机动态仿真 一 设计目的 1．了解交流异步电机的原理，组成及各主要单元部件的原理。 2. 设计交流异步电机动态结构系统； 3．掌握交流异步电机调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。 二 设计及Matlab 仿真过程 异步电机工作在额定电压和额定频率下，仿真异步电机在空载启动和加载过程中的转速和电流变化过程。仿真电动机参数如下： 1.85, 2.658,0.2941,0.2898,0.2838s r s r m R R L H L H L H =Ω=Ω===， 20.1284Nm s ,2,380,50Hz p N N J n U V f =?===，此外，中间需要计算的参数如下： 21m s r L L L σ=-，r r r L T R =，22 2 s r r m t r R L R L R L +=，10N m TL =?。αβ坐标系状态方程： 其中，状态变量： 输入变量： 电磁转矩： 2p m p s r s L r d ()d n L n i i T t JL J βααωψψβ=--r m r r s r r d 1d L i t T T ααβαψψωψ=--+r m r r s r r d 1d L i t T T ββαβψψωψ=-++22s s r r m m m s r r s s 2r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ααβαα σψωψ+=+-+22 s s r r m m m s r r s s 2 r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ββαββ σψωψ+=--+[ ] T r r s s X i i αβαβωψψ=[ ] T s s L U u u T αβ=()p m e s s s s r n L T i i L βααβ ψψ=-
实验七-对汽车控制系统的设计与仿真
实验七 对汽车控制系统的设计与仿真 一、实验目的： 通过实验对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程，熟悉用Matlab 和Simulink 进行系统仿真的基本方法。 二、实验学时：4 个人计算机，Matlab 软件。 三、实验原理： 本实验是对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，其方法是先对汽车运动控制系统进行建摸，然后对其进行PID 控制器的设计，建立了汽车运动控制系统的模型后，可采用Matlab 和Simulink 对控制系统进行仿真设计。 注意：设计系统的控制器之前要观察该系统的开环阶跃响应，采用阶跃响应函数step( )来实现，如果系统不能满足所要求达到的设计性能指标，需要加上合适的控制器。然后再按照仿真结果进行PID 控制器参数的调整，使控制器能够满足系统设计所要求达到的性能指标。 1. 问题的描述 如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。 根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为： ? ??==+v y u bv v m & 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ， 比例系数b =50 N ·s/m ， 汽车的驱动力u =500 N 。 根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为： 上升时间：t r <5s ； 最大超调量：σ％<10％； 稳态误差：e ssp <2％。 2、系统的模型表示
汽车智能照明控制系统设计
毕业设计（论文） 汽车智能照明控制系统 学生姓名： 学号： 所在系部： 专业班级： 指导教师： 日期：二〇一七年五月
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密□，在年解密后适用本授权书。 2、不保密□。 （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名：年月日 导师签名：年月日
摘要 在当今社会，人们生活得到了极大的提高，汽车拥有量也在不断增加。汽车作为快捷方便的交通工具，给我们的生活带来了诸多方便，同时也带来不少的交通安全问题。汽车照明系统作为现代汽车的必备安全系统之一，在安全性方面有很多值得改进的地方。大部分的汽车的照明系统目前还是以传统手动操作为主，因此，实现汽车照明的智能控制是非常有必要的。 本文首先对汽车智能照明控制系统的研究背景和国内外概况作了简要介绍，给出了设计任务要求和总体设计方案，并根据实际情况做了硬件设计。硬件设计部分包括主控部分、电源设计部分、数据采集部分和模拟车灯控制部分。本设计是通过STM32单片机对传感器采集到的数据进行分析后对模拟车灯进行控制，控制的具体步骤通过软件编程实现。本文还对实物模型的制作流程作了简单介绍，并给出了实物图。最后对现阶段的研究进行总结并得出了结论，最终结论表明该系统在实际应用中是可行的。 关键词：汽车车灯;STM32F103C8T6;传感器
汽车ABS系统的建模与仿真设计
基于Matlab/Simulink的汽车建模与仿真 摘要 本文所研究的是基于Matlab/Simulink的汽车防抱死刹车系统（ABS）的仿真方法，本方法是利用了Simulink所提供的模块建立了整车的动力学模型，轮胎模型，制动系统的模型和滑移率的计算模型，采用的控制方法是PID控制器，对建立的ABS的数学模型进行了仿真研究，得到了仿真的曲线，将仿真曲线与与没有安装ABS系统的制动效果进行对比。根据建立的数学模型分析，得到ABS系统可靠，能达到预期的效果。 关键词 ABS 仿真建模防抱死系统PID
Modeling and Simulation of ABS System of Automobiles Based on Matlab/Simulink Abstract A method for building a Simulator of ABS base on Matlab/Simulink is presented in this paper.The single wheel vehicle model was adopted as a research object in the paper. Mathematical models for an entire car, a bilinear tire model, a hydraulic brake model and a slip ratio calculation model were established in the Matlab/Simulink environment. The PID controller was designed. The established ABS mathematical model was simulated and researched and the simulation curves were obtained. The simulation results were compared with the results without ABS. The results show that established models were reliable and could achieve desirable brake control effects. Key words ABS; control; modeling; simulation；Anti-lock Braking System; PID
运动控制系统双闭环直流调速系统仿真
运动控制系统双闭环直流调速系统仿真 TYYGROUP system office room 【TYYUA16H-TYY-TYYYUA8Q8-
本科生课程论文课程名称运动控制系统 学院机自学院 专业电气工程及其自动化学号 1212XXXX 学生姓名翟自协 指导教师杨影 分数
题目： 双闭环直流调速系统仿真 对例题设计的双闭环系统进行设计和仿真分析，仿真时间10s 。具体要求如下： 在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为： P P =60kW ， P P =220V ， P P =308 A ， P P =1000 r/min ， 电动势系数 P P = V ·min/r ，主回路总电阻 R =Ω，变换器的放大倍数 P P =35。电磁时间常数 P P =，机电时间常数 P P =，电流反馈滤波时间常数 P PP =，转速反馈滤波时间常数 P PP =。额定转速时的给定电压(P P ?)P =10V ，调节器ASR ，ACR 饱和输出电压P PP ?= 8V ， P PP =。 系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量 ≤5% ，空载起动到额定转速时的转速超调量 ≤10%。试求： （1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在 以内)和转速反馈系数α。 （2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR 。 （3）在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。 （4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn 。并与仿真结果进行对比分析。
控制系统仿真课程设计
控制系统仿真课程设计 （2010级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2013年7月
控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 1.2 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。 常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。 图1-1 锅炉汽水系统图
在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 ()111()()(1)K H S G S W S s T s ==+ （1.1） （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ （1.2） 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。
汽车直线制动仿真计算与优化
传统制动系统的建模及仿真优化 1.1 汽车直线制动仿真计算理论基础 汽车直线制动时，对两轮接地点分别取距（图1-1），可得地面法向反作用力为 1()g z G b zh F L += （1-1） 2()g z G a zh F L -= （1-2） 式中，j z g =，1z F 、2z F 分别为路面对前后车轮的法向作用力；G 为汽车重量；a 、b 分别为质心至前后轴的距离；j 为汽车减速度；g h 为汽车质心高度；L 为汽车的轴距。 汽车理论制动力分配关系为 1(2)2r f g Gb F F h =+ （1-3） 式中，r F 为汽车后轴制动力；f F 为汽车前轴制动力。 1.1.1 制动力分配比 制动力分配比β为 f f r F F F β=+ （1-4） 1.1.2 直线制动的最佳制动力分配 设汽车前轮刚要抱死或者汽车前、后轮同时刚要抱死的减速度为du zg dt =，则 1u G du F Gz g dt ββ== 式中，z 为制动强度。 根据汽车理论，可知前、后轴的利用附着系数为 1()f g z b zh L β?=+ （1-5） (1)1()r g z a zh L β?-=- （1-6） 前后轴的附着效率为 f f g b L E h L ?β= - （1-7）
(1)r r g a L E h L ?β=-+ （1-8） 由于后轮先抱死容易发生后轴侧滑，是一种不稳定工况，故r f ψ??≤≤，由式（1-5）和式（1-6）可以得出制动力分配比的极限关系为 min min 1g g h h a b L Iz L Iz ??β??????+-≤≤+ ? ????? （1-9） 式中，min z 为整车应达到的最小制动强度。 利用不等式（1-9），可以确定0.2()0.8?≤≤湿滑路面（干燥路面） 的极限条件下，满载工况制动力分配比的允许范围。 1.2 优化设计 1.2.1 设计变量 将制动力分配比β作为设计变量，根据车辆制动系统设计经验可以取初值为00.4x =。 1.2.2 目标函数 附着系数在制动强度（z=0.2~0.8）范围内，应尽可能接近防止车轮抱死需要的附着系数，此时地面的附着条件发挥得越充分，汽车轴间制动力分配越好。在实际设计时，可以分别在满载与空载的利用附着系数与制动强度的差值平方和前乘以相应的权值。所以，当制动强度z 在0.2~0.8范围变化时，根据汽车满载时前轴和后轴的实际附着系数，利用曲线与理想曲线间差值平方和为最小建立目标函数，即 0.8220.2min ()()()f r z F z z β??=??= -+-??∑ （6-10） 1.2.3 约束条件 由于汽车在任何载荷情况下都要满足ECE 制动法规要求，根据ECE 制动法规和GB 12676—1999《汽车制动系统 结构、性能和试验方法》，对汽车制动力分配要求如下所述。 对于?=0.2~0.8之间的各种车辆，要求制动强度为 z ≥0.1+0.85(?-0.2) 当z>0.2时，有 10.070.85f z c ?+??=- ??? 当0.3 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 控制系统设计与仿真上机实验报告 学院：自动化学院 班级：自动化 姓名： 学号： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 一、第一次上机任务 1、熟悉matlab软件的运行环境，包括命令窗体，workspace等，熟悉绘图命令。 2、采用四阶龙格库塔法求如下二阶系统的在幅值为1脉宽为1刺激 下响应的数值解。 2?，??n10?0.5,??(s)G n22?????2ss nn3、采用四阶龙格库塔法求高阶系统阶单位跃响应曲线的数值解。 2?，，??5T?n100.5,???Gs)( n22???1)?s(?2s)(Ts?nn4、自学OED45指令用法，并求解题2中二阶系统的单位阶跃响应。 程序代码如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 ;曲线如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 二、第二次上机任务 试用simulink方法解微分方程，并封装模块，输出为。得到各、1x i 状态变量的时间序列，以及相平面上的吸引子。 ?x?x??xx?3121? ??xx?x???322 ??xx?xx??x??32321参数入口为的值以及的初值。（其中，以及??????x28?10,?8/,,3,?i1模块输入是输出量的微分。）初值分别为提示：0.001xxx?0,?0,?312s:Simulink 南京工程学院 课程设计说明书 题目汽车运动控制系统的 / 设计与仿真 课程名称MATLAB 的控制系统 院（系、部、中心） 专业） 班级 学生姓名 学号 设计时间 ? 设计地点基础实验楼B114 指导教师 \ 2012年1月南京 目录 一、课设目的 (3) ^ 二、控制对象分析 (3) 、控制设计对象结构示意图 (3) 、机构特征 (3) 三、课设设计要求 (4) 四、控制器设计过程和控制方案 (4) 、系统建模 (4) 、PID控制器的设计 (4) 五、控制系统仿真结构图 (5) — 六、仿真结果及指标 (6) 对于二阶传递函数的系统仿真 (6) 输入为500N时，K P=700、K I=100、K D=100。 (6) 输入为50N时，K P=700、K I=100、K D=100 (7) PID校正的设计过程 (7) 未加校正装置的系统阶跃响应： (7) PID校正装置设计 (8) 七、收获和体会 (9) > Matlab 与控制系统仿真设计 一、课设目的 针对具体的设计对象进行数学建模，然后运用经典控制理论知 识 设计控制器，并应用Matlab 进行仿真分析。通过本次课程设计，建立理论知识与实体对象之间的联系，加深和巩固所学的控制理论知识，增加工程实践能力。 二、控制对象分析 、控制设计对象结构示意图 ： 图1. 汽车运动示意图 、机构特征 汽车运动控制系统如图1所示。忽略车轮的转动惯量，且假定汽 车受到的摩擦阻力大小与运动速度成正比，方向与汽车运动方向相反。 根据牛顿运动定律，该系统的模型表示为： ?? ?==+v y u bv v m （1） 其中，u 为汽车驱动力（系统输入），m 为汽车质量，b 为摩擦阻 力与运动速度之间的比例系数，v 为汽车速度（系统输出），v 为汽车加速度。 假定kg m 1000=，m s N b /50?=，N u 500=。 汽车智能制动系统的数学建模与MATLAB仿真 摘要 本文主要以汽车制动为研究对象，通过分析车辆动力学模型、轮胎模型、制动系统模型和控制系统模型，从而获得汽车的智能制动系统的数学模型，然后在Matlab/Simulink中建立各个模型的子系统，并将他们组装成汽车的智能制动系统的Simulink仿真模型。本文中汽车智能制动系统的控制方法采用了模糊神经网络优化的PID控制，没有选用传统的逻辑门限方法。本文利用汽车智能制动系统的Simulink仿真模型，研究了在不同路面上智能制动系统对汽车制动性能的影响。 关键词：智能制动系统；Simulink仿真；控制方法；滑移率；模糊神经网络 Abstract: Key: 绪论 汽车安全系统主要分为两个方面，一是主动安全系统，另外一方面是被动安全系统。所谓主动安全，就是避免事故的发生，主动安全性的好坏决定了汽车发生事故的概率；而被动安全则是在发生事故时汽车对车内成员的保护或对被撞车辆或行人的保护，被动安全性的好坏主要决定了事故后车内成员的受伤严重程度。汽车制动系统就是汽车行驶的一个非常重要的主动安全系统，其性能的好坏对汽车的行驶安全有着重要的影响。 汽车的制动性是指汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。汽车的制动性主要由制动效能、制动效能的恒定性和制动时汽车的方向稳定性三方面来评价。汽车防抱制动系统(ABS)是一种主动安全装置，它从防止制动过程中车轮抱死的角度出发，避免车辆后轮侧滑和前轮丧失转向能力，提高车辆对地面附着能力的利用率，从而达到改善车辆制动稳定性、操纵性和缩短制动距离等目的。 目前，ABS开发模式有传统实车开发和基于计算机仿真两种。在传统ABS开发模式中，ABS 控制规律依靠大量实车道路试验，不但需要大量人力、物力、而且开发周期较长。通常确定的控制参数只适用于某一具体车型，互换性不好，开发出的ABS产品在装到其他车型上时，需要再次进行道路试验，延长了开发周期、增加了成本。但是随着计算机技术的快速发展，利用计算机仿真模拟车辆制动过程，探索控制方法，已成为可能。基于计算机仿真的ABS开发，把实车实验安排到开发最后阶段，绝大部分工作通过计算机仿真完成，缩短了开发时间， 制动系统建模、仿真及A B S控制器设计 目录 1. 动力学建模........................................................................................ - 0 - 2. 分段线性的轮胎模型 ....................................................................... - 0 - 3. 控制算法............................................................................................ - 1 - 4. 仿真流程及参数输入 ....................................................................... - 1 - 5. 实例分析............................................................................................ - 2 - 6. MATLAB 仿真过程.......................................................................... - 3 - 6.1.逻辑门限值控制器................................................................... - 3 - 6.2.模糊控制器............................................................................... - 7 - 6.2.1模糊控制器设计............................................................. - 7 - 6.2.2模糊控制matlab仿真过程 ............................................ - 8 - 6.3.PID控制器 ............................................................................. - 13 - MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级：测控技术与仪器1301班 姓名：吴凯 学号：1306070127 指导教师：杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid 一、摘要 2 二、课程设计任务 3 1．问题描述 3 2．设计要求 3 三、课程设计内容 4 1、系统的模型表示 4 2、利用Matlab进行仿真设计 4 3、利用Simulink进行仿真设计 9 总结与体会 10 参考文献 10 本课题以汽车运动控制系统的设计为应用背景，利用MATLAB语言对其进行设计与仿真.首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统模型，确定期望的静态指标稳态误差和动态指标搬调量和上升时间，最终应用MATLAB环境下的.m文件来实现汽车运动控制系统的设计。其中.m文件用step函数语句来绘制阶跃响应曲线，根据曲线中指标的变化进行P、PI、PID校正；同时对其控制系统建立Simulink进行仿真且进行PID参数整定。仿真结果表明，参数PID控制能使系统达到满意的控制效果，对进一步应用研究具有参考价值，是汽车运动控制系统设计的优秀手段之一。 关键词：运动控制系统 PID仿真稳态误差最大超调量 一、课程设计任务 1. 问题描述 如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。 根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为： ???==+v y u bv v m 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ， 比例系数b =50 N ·s/m ， 汽车的驱动力u =500 N 。 根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为： 上升时间：t r <5s ； 最大超调量：σ％<10％； 稳态误差：e ssp <2％。 2.设计要求 1．写出控制系统的数学模型。 2．求系统的开环阶跃响应。 3．PID 控制器的设计 （1）比例（P ）控制器的设计 （2）比例积分（PI ）控制器的设计 （3）比例积分微分（PID ）控制器的设计 利用Simulink 进行仿真设计。 二、课程设计内容 1.系统的模型表示 目录 1. 动力学建模....................................................................................... - 1 - 2. 分段线性的轮胎模型 ...................................................................... - 1 - 3. 控制算法........................................................................................... - 2 - 4. 仿真流程及参数输入 ...................................................................... - 2 - 5. 实例分析........................................................................................... - 3 - 6. MATLAB 仿真过程......................................................................... - 3 - 6.1.逻辑门限值控制器 ................................................................... - 3 - 6.2.模糊控制器 ............................................................................... - 7 - 6.2.1模糊控制器设计 .............................................................. - 7 - 6.2.2模糊控制matlab仿真过程 ............................................. - 8 - 6.3.PID控制器.............................................................................. - 12 - 银河航空航天大学 课程设计 （论文） 题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿 真 班级 学号 学生姓名 指导教师 目录 0. 前言 (1) 1. 总体方案设计 (2) 2. 三种系统结构和原理 (3) 2.1 串级控制系统 (3) 2.2 前馈控制系统 (3) 2.3 解耦控制系统 (4) 3. 建立Simulink模型 (5) 3.1 串级 (5) 3.2 前馈 (5) 3.3 解耦 (7) 4. 课设小结及进一步思想 (15) 参考文献 (15) 附录设备清单 (16) 复杂过程控制系统设计与Simulink仿真 姬晓龙银河航空航天大学自动化分校 摘要：本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。建立Simulink模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。 关键字：串级；前馈；解耦；建模；Simulink。 0.前言 单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。但随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。从结构上看，这些控制系统由两个以上的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或特殊的控制任务。这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。通过对过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。过程控制系统计算机仿真，为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。同时作为对先进控制策略的一种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。随着系统规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink，这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。 对汽车控制系统建模与仿真 摘要：PID 控制是生产过程中广泛使用的一种最基本的控制方法，本文分别采用用简单的比例控制法和用PID控制来控制车速，并用MATLAB对系统进行了动态仿真，具有一定的通用性和实用性。 关键词：MATLAB 仿真；比例控制；PID 控制 1 MATLAB和PID概述 MATLAB是matrix和laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 2车辆行驶过程车速的数学模型 对行驶在斜坡上的汽车的车速进行动态研究，可以分析车辆的性能，指导车辆的设计。MATLAB软件下的SIMULILNK模块是功能强大的系统建模和动态仿真的软件，为车辆行驶过程车速控制分析提供了一种有效的手段。 汽车行驶如图7.4.1所示的斜坡上，通过受力分析可知在平行于斜面的方向上有三个力作用于汽车上：发动机的力、空气阻力和重力沿斜面的分量下滑力。 电动汽车控制系统设计设计 摘要 在当前全球汽车工业面临金融危机和能源环境问题的巨大挑战的情况下，发展电动汽车，利用无污染的绿色能源，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成了广泛共识。 本课题以电动汽车他励电机控制器为例，以实现电动汽车的加、减速，起、制动等基本功能以及一些特殊情况下的处理。以开发出高可靠性、高性能指标、低成本并且具有自主知识产权的电动汽车电机驱动控制系统为目的。主要包括硬件电路板的设计，以及驱动系统的软件部分的仿真调试。 在驱动系统硬件设计中，这里主控制芯片采用ATMEL公司的ATmega64芯片。功率模块采用多MOSFET并联的方 37 式，有效的节约了成本。电源模块采用基于UC3842的开关电源电路。选用IR 公司的IR2110作为驱动芯片，高端输出驱动电流可到1．9A，低端输出驱动电流可到2.3A，能够提供7个MOSFET并联时驱动电流。对于电流检测模块，本文没有采用电流传感器或者是康铜丝,而是采用了一种基于MOSFET管压降的电流检测电路，这种方式即节约了成本也保证了检测精度。 驱动系统的软件设计中，主要实现的功能为：开关量的检测处理，故障检测，串口通讯，励磁、电枢控制，报警功能等。针对他励电机电动汽车的控制特性，提出了节能控制算法和最大转矩控制算法，用于提高电动汽车的续航里程和加速性能。 他励直流电动机驱动系统能够很 37 好的运行在电动汽车上，性能可靠、结构简 单，并且节约了成本，使电动汽车的性价比大大提高，有利于电动汽车的普及。 关键词：电动汽车，ATmega64，他励直流电机，PID模糊控制 37控制系统设计与仿真实验报告
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