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基于智能车先进PID智能控制陈强（1西华大学交通与汽车工程学院，四川成都610039；2********）摘要：目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。PID控制器是控制系统中技术比较成熟，而且应用最广泛的一种控制器。它的结构简单，参数容易调整，因此在工业的各个领域中都有应用。PID最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟PID控制器是通过硬件（电子元件、气动和液压元件）来实现它的功能的。随着计算机的出现，把它移植到计算机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软件代替，从而形成数字PID控制器，其算法则称为数字PID算法。经过不断的发展，PID控制算法可以分为位置型控制算法和增量型控制算法两大类，其中又不断衍生出积分分离PID、抗饱和PID、模糊PID等各种先进PID算法。本文以全国大学生“飞思卡尔”智能汽车竞赛[1]中的直流步进电机540速度控制为研究对象进行PID智能控制算法的研究。关键词：先进PID；智能控制；智能车；直流电机中图分类号：TP273文献标识码：AAdvancedPIDIntelligentcontrolbasedonDCmotorChenqiang(1SchoolofTransportationandAutomotiveEngineering，Chengdu，Sichuan610039;2********)Abstract:Atpresenttheindustrialautomationlevelhasbecomeanimportantsymboltothelevelofmodernizationofallwalksoflife.Atypicalexampleofintelligentcontrolisfuzzyautomaticwashingmachineetc....Theautomaticcontrolsystemcanbedividedintoopenloopandclosed-loopcontrolsystems.PIDcontrolleristhecontrolsystemtechnologyismoremature,andacontrolleristhemostwidelyused.Ithastheadvantagesofsimplestructure,easytoadjustparameters,therefore,areusedinvariousindustrialfieldsin.PIDfirstappearedintheanalogcontrolsystem,simulationofthetraditionalPIDcontrollerwithhardware(electroniccomponent,pneumaticandhydrauliccomponents)torealizeitsfunction.Withtheadventofcomputers，portingittothecomputercontrolsystemtorealizethefunctionoftheoriginalhardwarewithsoftwaretoreplace,thusformingadigitalPIDcontroller,thealgorithmiscalleddigitalPIDalgorithm.Throughcontinuousdevelopment,PIDcontrolalgorithmcanbedividedintothealgorithmandincrementalcontrolalgorithmintwocategoriesforthepositioncontrol,whichalsokeepderiveintegralseparationPID,antisaturationPID,fuzzyPIDandotheradvancedPIDalgorithm.Inthispaper,basedontheNationalUndergraduatefreescalesmartcarcontestin540astheobjectofstudyofPIDmotorintelligentcontrolalgorithm.Keywords:AdvancedPID;Intelligentcontrol;Intelligentvehicle;DCmotor1传统模拟PID控制将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器[2]。1.1模拟PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。为了说明控制器的工作原理，先看一个例子。如图1－1所示是一个小功率直流电机的调速原理图。给定速度与实际转速进行比较，其差值，经过PID控制器调整后输出电压控制信号，经过功率放大后，驱动直流电动机改变其转速。常规的模拟PID控制系统原理框图如图1－2所示。该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图中，是给定值，是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)。e(t)=r(t)−y(t)（式1－1）e(t)作为PID控制的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟PID控制器的控制规律为其中：――控制器的比例系数Kp－－控制器的积分时间，也称积分系数Ti――控制器的微分时间，也称微分系数1.2比例部分比例部分的数学式表示是：Kp*e(t)。在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差[3]小而又稳定的效果。1.3积分部分从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加；只有在偏差e(t)＝0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当Ti较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti。1.4微分部分实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。微分部分的作用由微分时间常数Td决定。Td越大时，则它抑制偏差e(t)变化的作用越强；Td越小时，则它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。适当地选择微分常数Td，可以使微分作用达到最优。由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模拟PID控制规律引入到计算机中来。对式1－2的PID控制规律进行适当的变换，就可以用软件实现PID控制，即数字PID控制[4]。2现代数字PID控制数字式PID控制算法可以分为位置式PID和增量式PID控制算法。数字PID调节是连续系统控制中广泛应用的一种控制方法。由于它结构改变灵活，所以，可根据系统的要求，在常规PID调节的基础上进行多种PID变型控制，如PI、PD控制，比例PID控制，不完全微分控制，带死区[5]的PID控制等等。特别是PID控制不需控制对象的精确的数学模型，这对大多数很难得到或根本得不到精确的数学模型的工业控制对象来说，无疑更适合应用PID控制。因此，PID控制技术在工业过程控制中应用的非常广泛。数字PID控制系统是时间的离散系统[6]，计算机对生产过程的控制是断续的过程。即在每一个采样周期内，传感器将所测数据转换成统一的标准信号后输入给调节器，在调节器中与设定值进行比较得出偏差值，经PID运算得出本次的控制量，输出到执行器后才完成了本次的调节任务.在PID调节中，由于PID算式选择的不同会得到不同的控制效果，特别是当算法中某些参数选择的不妥时，会引起控制系统的超调或振荡，这对某些生产过程是十分有害的。为了避免这种有害现象的发生，分析和研究PID算法，确定合理的PID参数是必要的，同时对PID控制技术的广泛应用具有重要的意义。2.1位置式PID算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量量，进行连续控制。由于这一特点（式1－2）中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以T作为采样周期，作为采样序号，则离散采样时间对应着连续时间，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可作如下近似变换：（式2－1）上式中，为了表示的方便，将类似于e(kT)简化成ek等。将（式2－1）代入（式1－2），就可以得到离散的PID表达式为（式2－2）其中k――采样序号，k＝0，1，2，……；uk――第k次采样时刻的计算机输出值；ek――第k次采样时刻输入的偏差值；ek－1――第k－1次采样时刻输入的偏差值；Ki――积分系数，Ki=Kd*T/Ti;Kd--微分系数，Kd=Kp*Kd/T;如果采样周期足够小，则（式2－2）或（式2－3）的近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。（式2－2）或（式2－3）表示的控制算法式直接按（式1－2）所给出的PID控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式PID控制算法。这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对ek进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的uk对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的uk将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实生产际中是不允许的。增量式PID控制算法可以避免着重现象发生。2.2增量式PID算法所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量∆uk。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。增量式PID控制算法可以通过（式2－2）推导出。由（式2－2）可以得到控制器的第k－1个采样时刻的输出值为所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量∆uk。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。增量式PID控制算法可以通过（式2－2）推导出。由（式2－2）可以得到控制器的第k－1个采样时刻的输出值为：（式2－4）将（式2－2）与（式2－4）相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为：由（式2－5）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由（式2－5）求出控制量。增量式PID控制算法与位置式PID算法（式2－2）相