基于模糊PID的汽车巡航控制系统设计

题目：基于模糊PID的汽车巡航控制系统设计基于模糊PID的汽车巡航控制系统设计摘要汽车巡航控制系统是一种辅助驾驶系统，它不但可以减轻驾驶员的负担，还可以提高驾车的舒适性。汽车巡航控制系统具有非线性、时变不确定性，并受到外界扰动、复杂的运行工况等影响。本文介绍了一种基于模糊PID控制算法的汽车巡航控制系统。本文对汽巡航控制系统进行了简要的分析，将模糊PID控制方法作为其控制方案，对现有的PID控制进行完善和优化，并设计出系统的模糊控制器。以轿车为对象，分析了汽车在行驶过程中的驱动力及受到的各种阻力和干扰力，并建立起汽车纵向动力学模型。利用MATLAB建立了系统的仿真模型，利用MATLAB软件中的模糊逻辑工具箱对系统的设计进行仿真，验证系统设计的可行性，并对汽车巡航控制系统进行了仿真和分析。由仿真结果可知，模糊PID控制方法能使系统的超调减小、反应速度加快、控制效果良好，是一种适用于汽车巡航控制系统的控制方法。关键词：定速巡航控制系统；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目录1绪论.................................................11.1课题的意义..............................................11.2汽车巡航控制系统发展状况................................11.3课题研究的主要内容......................................22巡航控制系统的简介和工作原理..........................42.1巡航控制系统简介........................................42.2汽车巡航控制原理........................................53模糊控制器的设计.....................................63.1模糊控制的特点..........................................63.2模糊控制器的设计步骤....................................63.2.1定义输入语言变量......................................63.4.2定义输出语言变量......................................73.2.3提出模糊控制规则......................................83.2.4规则表的建立..........................................83.3模糊PID控制系统的设计..................................94巡航系统的建模与仿真.................................64.1SIMULINK简介..........................................114.2模糊逻辑仿真工具箱简介.................................114.3仿真模型的建立.........................................114.3.1汽车动力仿真模型的建立...............................114.3.2PID控制器仿真模型的建立.............................134.3.3利用模糊逻辑工具箱建立模糊控制器.....................144.3.4巡航系统仿真模型.....................................145仿真结果及分析...........................................19结论...................................................22参考文献...............................................24致谢...................................................2411绪论1.1课题的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,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,性价比不断提高,为汽车的自动化提供了雄厚的物质基础,汽车实现智能化已不是梦想[1][3]。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必须解决的核心技术之一。此外随着我国高速公路网建设纵横迅速延伸,自动巡航控制也具备了广泛的发展和应用前景。科技的发展使相应电子技术在汽车上应用得越来越广泛,汽车电子化程度越来越高.特别是微控制器进入汽车控制领域后,给汽车发展带来了划时代的变化,汽车的动力性、操作稳定性、安全性、燃油经济性、对环境的友好性都得到了大幅提升。在大陆型国家,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[4][8]。汽车巡航控制系统CCS(CruiseControlSystem)是汽车电子技术新装置之一,它实际上就是一种辅助驾驶系统。采用了汽车巡航控制系统后,当车辆在高速公路上长时间行车时，驾驶员就不用再去控制油门踏板。这减轻了驾驶员的负担，从而减少或避免了交通事故的发生，同时减少了不必要的车速变化，使汽车的燃料供给与发动机之间处于最佳的配合状态，可以最大限度地节省燃料，降低排气污染，提高发动机的使用效率。采用汽车巡航控制系统是提高汽车的动力性能和乘坐的舒适性的主要方法之一[8]。1.2汽车巡航控制系统发展状况国内外研发汽车自动巡航控制系统起步很早，其发展过程主要经历了三个阶段：第一阶段是20世纪60-70年代中期，早期的汽车巡航控制系统主要是机械式和气动机械式巡航控制系统。日本丰田公司从1965年起就开始在车上装用机械式巡航控制系统。德国的VDO公司也研制出了气动机械式巡航控制系统。而1968年德国奔驰公司开发，晶体管控制的巡航控制系统，并在莫克利汽车上装用，这期间美国和只本相继出现了以模拟电路为基础的汽车巡航控制系统。第二阶段是20世纪70年代中后期-80年代中后期，以数字信号为主的控制系统。随着单片机技术的发展，特别是大规模集成电路及单片机的应用，出现了以数字技术为基础的巡航控制系统。如1974年美国鲁卡斯汽车研究中心研究出了性能完善的运用卫星雷达的数字车速、车距控制系统，该系统可以更好地适应路面状况的变化。日本日野公司于19852年投放市场一种基于燃油经济性的车速控制系统。其控制部分的核心是微处理器。美国摩托罗拉公司也研制了一种采用微处理器控制的巡航控制系统，这种系统的所有输入指令以数字形式直接存储和处理，微处理器根据指令车速、实际车速以及其他输入信号，按给定程序完成所有数据处理，并产生步进电动机的驱动信号输出，改变节气门开度，每种车型的最佳加速度和减速度由编程人员决定。从安全上考虑，将制动开关与节气门执行器直接相连，这样当踩下制动踏板时，在断开巡航控制系统的同时，将执行器的动力源断开，从而使节气门迅速脱离巡航控制系统的控制。与模拟技术相比，散字系统的突出特点是系统的信号量以数字表示，受工作温度和湿度的影响较小，因此数字控制系统具有更高的稳定性。对于汽车自动巡航控制系统可采用先进的大规模或超大规模集成电路技术做成专用模块，也可在微处理器上编程来实现。当汽车上其他系统已有控制微处理器时，只要修改一下程序便可将此功能附加上去，因而可节省昂贵的硬件开支。第三阶段是从20世纪90年代开始，国外又开始发展以智能化为核心的汽车自动巡航控制系统和以定距离控制为主的自适应巡航控制系统。1990年美国鲁卡斯公司研制出一种自动恒速智能控制系统，该系统采用了连续调频被雷达，通过雷达来探测前方车辆与本车的距离，通过处理单元计算出相对车速与距离，并将该信息提供给电子控制单元，通过执行器控制节气门来控制车速。之后，该公司又针对暴露的问题加以改进，在美洲虎牌轿车上安装了新的自动恒速控制系统，井对控制节气门与制动器的执行机构作了改进，微波雷达安装在前保险杠内，通过塑料车牌照发射微波探测信导。日前国内外很多专家都在研究自适应巡航控制系统。这种巡航控制系统主要由测速装置、转向角传感器、车速传感器、制动电子控制单元(ECU)和发动机ECU等组成。当道路情况良好时，该系统就是普通的巡航控制系统，可以按设定车速巡航行驶；当距另一辆车距离较近及相对车速较高时，通过巡航控制系统控制制动器减速。情况正常后将自动恢复原先的车速，如果前方车辆减速，ACCS便操纵制动器来维持一定的车距，从而避免了汽车的追尾。国内外很多专家开始了一种半自主式巡航控制系统的研究，此种巡航控制系统能够很快地应用于公路上，能够保持人工操纵和自适应巡航控制系统的共存。研究的理论结果表明，此种控制系统具有更高的控制精度。综合利用仿真、分析