毕业设计（论文）-基于模糊PID控制的汽车巡航系统的设计.doc

盐城师范学院毕业论文(设计)基于模糊pid控制的汽车巡航系统的设计电子信息工程专业 指 导 教 师 【摘要】：随着社会经济的快速发展，人民生活水平的日益提高，私家车的数量也不断增多。汽车驾驶的舒适性和动力性，以及节能环保等方面的问题也成为了人们关注的焦点。作为一种安全性辅助驾驶系统，汽车巡航控制系统对于解决上述几个汽车工程领域问题有着积极的作用。论文的内容是基于传统的汽车巡航控制系统，对现有的pid控制进行完善和优化。发挥模糊控制的优势对现有的汽车巡航控制系统进行改进，令控制过程具有一定的智能水平。有助于提高巡航控制的效果，减少车速变化，最大限度节省燃料，降低排气污染，提高发动机的使用效率，改善汽车动力性和乘坐舒适性。最后利用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，观察模糊控制的效果，并对部分基础电路进行设计。通过仿真结果分析得出平均巡航响应时间加快了15.9秒，响应超调量平均减小了15.02%。有助于模糊控制在汽车巡航系统中应用的普及。【关 键 词】：汽车巡航控制系统 模糊控制 matlab 仿真1. 前言1.1 选题意义巡航控制系统(cruise control system，缩写为ccs)。在巡航控制期间，随着道路坡度的变化以及汽车行驶阻力变化，车辆自动变换节气门开度或自动进行档位转换，按照存储在微机内的最佳燃料经济性规律或动力性规律稳定行驶。汽车巡航控制系统可以减轻驾驶员的负担，减少不必要的车速变化，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，并可在一定程度上提高汽车的动力性能和乘坐的舒适性。在传统的pid控制中加入模糊控制对控制效果进行优化，对于汽车的智能化发展和自动化水平的提高有着积极的作用。1.2 系统概述ecu接受驾驶员控制开关信息和各钟传感器信号，通过运算处理，其输出信号经过补偿电路，执行部件，发动机和变速器后就可以变换驱动力。ccs ecu由专用的单片机和专用的ic等模块构成，单片机完成车速运算、记忆、比较、补偿、保持和故障诊断等信息的处理，专用的ic模块具有处理计算机的再启动、输入、输出与电源通断和自诊断等功能1。由于汽车巡航控制具有强非线性、时变不确定性、并受到外界扰动、复杂的运行工况等影响，传统的pid控制有时不能满足实际的需求。利用模糊控制的优势对现有的控制系统进行完善，从而得到更好的控制效果。最后利用matlab软件对所设计的模糊pid控制系统进行仿真，观察改进后系统对车速控制的效果。2. 汽车巡航控制系统的组成与工作原理ccs由信号输入装置、ccs ecu和执行器等组成，如图2.1所示。图2.1 ccs的组成figure 2.1 ccs composition2.1 ccs的组成部件2.1.1 操作开关操作开关用于设置巡航车速或将其重新设置为另一车速，以及取消巡航控制等，包括主开关、控制开关和退出巡航开关。1) 主开关主开关(main)是ccs的电源开关，采用按键方式。每次推入，系统电源接通或关闭。2) 控制开关手柄式控制开关有5种控制功能，即set(设置)、coast(减速)、res(恢复)、acc(加速)和cancel(取消)。set和coast共用一个开关，res和acc共用另一个开关。3) 退出巡航开关退出巡航开关包括取消开关、停车灯开关、驻车制动开关、离合器开关和空挡启动开关。任一开关接通时，自动取消巡航控制。当ccs取消的瞬间的车速不低于40 km/h时，该车速存储于ccs ecu中。当res接通时，自动恢复最后存储的车速。(1) 驻车制动开关。当拉起驻车制动操纵杆时，驻车制动开关接通，将取消信号传至ccs ecu。同时驻车制动指示灯亮。(2) 空挡启动开关。当自动变速器换挡杆设置在p挡或n挡时，空挡启动开关接通，将取消信号传至ccs ecu。(3) 离合器开关。当踩下离合器踏板时，离合器开关接通，将取消信号传至ccs ecu。(4) 停车灯开关。由两个开关组成。踩下制动踏板时，两个开关同时工作。开关a闭合，电流经其流过停车灯开关，使停车灯亮。同时，蓄电池电压经过停车灯开关施加在ccs ecu上，使其判断制动器处于工作状态，ecu取消ccs工作，开关b断开，执行器得不到ccs ecu的信号，停止工作。2.1.2 传感器1) vssvss提供一个与汽车实际车速成比例的交变振荡脉冲信号，ccs ecu将此信号进行处理，计算得出当前车速。2) tpstps对ccs ecu提供一个与节气门位置成正比的电信号。3) 节气门控制摇臂传感器节气门控制摇臂传感器对ccs ecu提供节气门控制摇臂位置信号，目前采用较多的是滑线电位计式，当节气门控制摇臂转动时，电位计随之转动，便输出一个与控制摇臂位置成正比例且连续变化的电信号。2.1.3 ccs ecuccs ecu由处理器芯片、a/d、d/a、ic及输出重置驱动和保护电路等模块组成，ecu接收来自车速传感器和各种开关的信号，按照存储的程序进行处理，当车速偏离设定的巡航车速时，对执行器发出控制信号，控制执行器工作，使实际车速与设定车速相一致。ccs ecu的组成如图2.2所示。图2.2 ccs ecu组成框图figure 2.2 block diagram of ccs ecu2.1.4 执行器执行器将ecu输出的电流或电压信号转变为机械运动，进而控制节气门的开度，最终达到控制车速的目的。目前使用的执行器有两种类型，一种是真空驱动型，由负压操纵节气门；另一种是电动机驱动型，由电动机操纵节气门。这里介绍真空驱动型执行器。1) 真空驱动型执行器施加负压的方法有两种：一种是仅从发动机进气歧管施加负压；另一种是当进气歧管负压太低时，用真空泵提高负压，如图2.3所示。真空驱动型执行器主要由控制阀、释放阀、电磁线圈、膜片、回位弹簧和空气滤清器组成。(a) (b)图2.3 真空驱动型执行器控制方法(a)仅从发动机进气歧管施加负压；(b)用真空泵提高负压figure 2.3 vacuum-driven actuator control methods(a) exert negative pressure from the intake manifold; (b) improve negative pressure with a vacuum pump(1) 控制阀，如图2.4所示。用于将大气压状态下的空气或真空吸入执行器。当电磁线圈通电时，大气压状态下的空气通道关闭，进气歧管的真空通道打开，在执行器内部产生一负压，由于吸力大于回位弹簧弹力，膜片向左移动，使节气门开大，车速升高。当电磁线圈不通电时，大气压状态下的空气充满控制阀，回位弹簧将膜片推回，节气门关小，车速降低。ecu通过对控制阀电磁线圈的电流通断间隔进行控制，即可改变节气门开度，实现车速控制。(a) (b)图2.4 控制阀(a)电磁线圈通电；(b)电磁线圈不通电figure 2.4 control valve(a) electromagnetic coils energized; (b) electromagnetic coil is not energized(2) 释放阀，如图2.5所示。用于取消巡航控制时，使大气压状态下的空气进入执行器，以便在较短时间内关闭节气门。巡航系统工作时，释放阀电磁线圈有电流通过，大气压状态下的空气通道关闭；取消巡航控制时，释放阀电磁线圈停止供电，回位弹簧将膜片弹回，节气门关闭，此时控制阀供电停止，空气经过控制阀进入执行器。如果控制阀安装在真空引入位置，当发生故障时，释放阀相当于一个安全阀。控制阀将来自释放阀的大气引入执行器，使节气门关闭，降低初速，以确保安全。(a) (b)图2.5释放阀(a)结构；(b)工作特性figure 2.5 release valve(a) structure; (b) operating characteristics (3) 真空泵，如图2.6所示。由电动机、连杆、单向阀和膜片组成。由于进气室负压的作用，单向阀a通常保持打开，向执行器提供负压；当进气室负压低时，ecu发出信号接通真空泵，负压由单向阀b提供给执行器。(a) (b)图2.6真空泵(a)结构；(b)工作原理figure 2.6 vacuum pump(a) structure; (b) work (4) 真空控制开关用于检测进气室负压，当压力低于22.7 kpa或更低时，真空控制开关接通将信号送至ecu。2.2 巡航控制原理汽车巡航系统是一个典型的闭环负反馈控制系统，其原理如图2.7所示。26图2.7 汽车巡航控制原理图figure 2.7 schematic of cruise controlccs ecu的信号有2个，一是驾驶员根据行驶条件，通过巡航开关设定的巡航车速信号；二是车速传感器输入的实际车速反馈信号。当巡航设定车速信号和实际车速反馈信号输入ccs ecu后，ccs ecu经过比较运算可得速度偏差变化e和偏差变化率ec，经过处理后，再结合当前节气门的开度信号，可得到控制节气门开度大小的控制信号，ccs ecu将控制指令发送给执行机构，执行机构就可驱动节气门拉索调节发动机节气门开度的大小，将实际车速迅速调节到驾驶员设定的车速值，从而实现恒速控制。2.3 汽车巡航控制系统的优点1) 提高了汽车行驶的稳定性和舒适性。巡航控制系统保证了汽车在有利车速下恒速行驶，大大提高了其稳定性和舒适性。2) 提高了汽车行驶的安全性。巡航控制系统实现了自动驾驶，尤其是在上坡，下坡或平路行驶，司机只要掌握好转向盘，不用踩加速踏板和换档就能等速稳定运行，减轻司机劳动强度，可使精力集中确保行车安全。3) 可降低油耗和排气污染。巡航控制系统选择在最有利的车速和发动机转速下运行，可平均节省燃油15%，并使燃烧安全，热效率高，排气中的co、nox、ch 大量减少，有利于环保。4) 减少磨损延长寿命。稳定恒速行驶使额外惯性力减少，所以机件磨损少使寿命增加，故障减少。273. 引入模糊控制的必要性3.1 模糊控制的产生背景模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。随着科学技术的迅猛发展，目前研究的控制系统更多地涉及多变量、非线性、时变的大系统，建立数学模型是非常困难的，或者是根本不可能的，系统的复杂性与控制系统的精确性形成了尖锐的矛盾。人们注意到对于很多复杂的、多因素影响的生产过程，即使不知道该过程的数学模型，有经验的操作人员也能够根据长期的实践观察和操作经验进行有效的控制，而采用传统的自动控制方法效果并不理想。人的经验参与控制过程的成功，激发了人们对控制原理的深入研究。1965年美国加利福尼亚大学的自动控制教授l.a.zadeh首次提出“模糊集合”的概念，使人的经验参与控制过程成为可能。1973年l.a.zadeh进一步研究了模糊语言处理，给出了模糊推理的理论基础。在新的控制理论的支持下，模糊控制受到了人们普遍的重视，发展迅速。这样的控制系统避免了那种精密、反复、有错误倾向的模型建造过程，又避免了精密地估计模型方程中各参数的过程。23.2 模糊控制的特点1) 模糊工程的计算方法虽然是运用模糊集合理论进行的模糊算法，但最后得到的控制规律是确定性的、定量的条件语句。2) 不需要根据机理与分析建立被控对象的数学模型。3) 模糊控制系统依赖于行为规则库，更接近人的思维方法和推理习惯。4) 模糊控制与计算机密切相关。3.3 模糊控制对汽车巡航控制系统的积极作用汽车的巡航控制系统本身就是一个多变量、非线性、时变的系统，而且受到车辆行驶时各种复杂情况的影响，传统的控制方法不能适应复杂的变化。驾驶员对车速的控制就是一个典型的模糊控制过程，模糊控制可以在一定程度上满足巡航控制的特性，从而得到更好的恒速控制效果。4. 模糊pid控制系统的设计4.1 传统pid控制在巡航控制中的运用pid控制，即比例积分微分控制，根据实际车速与设定车速的偏差，考虑过去、现在、将来的情况，实现汽车不变参数的巡航控制。在汽车行驶过程中，驾驶员设定一个车速给控制器，同时车速传感器测得的实际车速也输入控制器，产生实际车速和设定车速的偏差设为。控制器的比例部分根据偏差的大小输出相应的控制量以控制节气门的开度，使车速迅速趋近设定车速。考虑到偏差一直存在，控制器的积分部分就把偏差积累起来加大控制量以减小偏差，使车速保持恒定。而微分部分则起预估作用。当0 ，表示偏差在加大，就及时增加控制量，使减小；当0，表示偏差在减小，则减小控制量，以避免当趋近于零时又反方向发展而引起震荡。8pid控制具有结构简单、参数整定方便的优点，在许多场合下都能获得令人满意的控制效果。但是对于被控对象的特性比较复杂、具有非线性或时变性的过程，应用常规pid控制，若参数调整不当，会使系统不停的振荡，控制效果不甚理想。4.2 模糊控制器的设计4.2.1 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。5它们的变化范围定义为模糊集上的域论：|e|=0，1，2，3，4，5|ec|=0，1，2，3，4，5它们的模糊子集为： |e|=零(z)，小(s)，中(m)，大(b) |ec|=零(z)，小(s)，中(m)，大(b)其隶属函数如图4.1所示：图4.1 输入语言变量隶属函数figure 4.1 membership function of input linguistic variables4.2.2 定义输出语言变量定义3个输出语言变量：(1) kp比例系数修正参数 (2) ti 积分系数修正参数 (3) td微分系数修正参数并分别定义它们的模糊子集为： 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)其隶属函数如图4.2所示：图4.2 输出语言变量隶属函数figure 4.2 the output linguistic variable membership functions4.2.3 提出模糊控制规则从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面考虑提出以下三条控制规则：(1) 当|e|较大时，系统响应具有较快的响应速度，应取较大的kp；为防止出现较大的超调，避免开始时|e|的瞬间变大可能引起的微分过饱和，则应取较大的ti和较小的td；(2) 当|e|和|ec|处于中等大时，为了使系统具有较小的超调，应取较小的kp；为了避免对动态稳定性造成影响，应取适中的ti；由于此时的调节特性对td 的变化敏感，因此td 应取得大一些；(3) 当|e|较小时，为使系统具有较好的稳态性能，减小系统静态误差，增加系统对扰动的抑制能力，应增大kp，减小ti和td。对实际的汽车巡航控制系统来说，误差为零时容易产生游车，使驾驶员感到不适。从而车速误差不能为零，而要将其保持在一定的误差范围内。所以在设计汽车巡航控制系统的模糊规则时就要考虑到：当车速误差较小时，应减弱积分环节的作用、加大比例环节的作用，允许系统有一定的误差。4.2.4 规则表的建立自此模糊控制器有两个输入语言变量|e|和|ec|，三个输出语言变量kp、ti和td，归纳出的模糊控制规则如表4-1、表4-2、表4-3所示。表4-1 kp 的规则表table 4-1 rule table of kp|e|ec|zsmbzsbbbsbbbbmmmmsbbbbb表4-2 ti的规则表table 4-2 rule table of ti|e|ec|zsmbzsmmmsbmmmmbmmsbbbbb表4-3 td的规则表table 4-3 rule table of td|e|ec|zsmbzzzzzszmmsmbbssbbmbb将隶属函数与参数调节规则输入matlab的模糊逻辑工具箱中，完成模糊控制器的设计，可得到pid参数的模糊矩阵表。系统在线运行时，控制系统通过对模糊规则的结果处理、查表和运算，完成对pid参数的修正。4.3 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对应论域上的模糊集合，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，它们的值被归一化到01之间。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4.3所示。图4.3 模糊pid控制原理图figure 4.3 schematic of fuzzy pid control5. 模糊pid控制系统的软件仿真5.1 仿真工具简介5.1.1 matlab软件简介matlab是matrix laboratory的缩写，1984年由美国mathworks公司推向市场，由于matlab以矩阵作为基本编程单元，提供了各种矩阵的运算与操作，因此早期主要用于现代控制中复杂的矩阵、向量的各种运算。并且matlab还有很强的绘图功能，因此很多专家在自己擅长的领域用它编写了许多专门的matlab工具包，如控制系统工具包；系统辨识工具包；信号处理工具包；鲁棒控制工具包；最优化工具包等等。matlab历经十几年的发展，现己集科学计算、图像处理、声音处理于一身，是一个高度集成的系统，成为国际公认的最优秀的科技应用软件。该软件具有功能强大、界面友善、语言自然、开放性强等特点，使它获得对应用学科极强的适应力，在线性代数、矩阵分析、数值计算及优化、数理统计和随机信号分析、信号和图象处理、控制理论分析和系统设计、过程控制、建模和仿真、通信系统等众多领域的理论研究和过程设计中得到广泛应用。matlab系统的强大功能是由其核心内容(语言系统、开发环境、图形系统、数学函数库、应用程序接口等)和辅助工具箱(符号计算、图象处理、优化、统计和控制等工具箱)两大部分构成。55.1.2 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，smulink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smulink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。5.1.3 模糊逻辑仿真工具箱简介matlab的模糊逻辑工具箱有5个基本工具箱用于建立、编辑和观察模糊推理系统(fls)，它们分别是：模糊推理系统编辑器、隶属度函数编辑器、规则编辑器、规则观察器和曲面观察器。这些工具箱是动态链接的，修改其中任一个都将影响其他己打开的工具箱的显示结果。mat l a b的模糊逻辑工具箱拓展了matlab对模糊逻辑系统的设计能力，己经成为运用模糊手段解决工程问题的重要工具。模糊逻辑工具箱使得工程设计人员可以采用多种途径生成和编辑模糊推理系统，如手工、通过交互式图形工具、通过命令行函数或基于模糊聚类或自适应神经模糊技术自动实现。5.2 仿真模型的建立5.2.1 汽车动力仿真模型的建立依据牛顿第二运动定律，汽车的运动方程为： (51)式中： ：驱动力(n)； ：行驶阻力(n)，其公式为： (52) ：空气阻力(n)，其公式为： (53) ：坡度阻力(n)，其公式为： (54)：汽车水平位移(m)；：汽车行驶速度(m/s)；：汽车行驶时间(s)； ：汽车质量(kg)，我们取一般小汽车的质量为1500kg； ：计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车质量转换系数，取=1.05；利用matlab软件中smulink建立汽车动力仿真模型如图5.1所示。图中：max brake：最大制动力；max thrust：最大驱动力；：行驶阻力函数模块，expression1500*9.8*0.014*(1+u/19440)；：空气阻力函数模块，expression0.01*(u1+20*sin(0.01*u2)2；：坡度阻力函数模块，expression1500*9.8*0.01*sin(0.0001*u)；图5.1 汽车动力仿真模型figure 5.1 dynamic simulation model of automobile5.2.2 pid控制器仿真模型的建立依据比例积分微分控制的基本原理，我们利用matlab软件中smulink建立一个简单的pid控制器模型，利用这个模型在模糊控制过程中对pid控制参数进行在线的实时调整，以达到改善和优化控制效果的作用。建立的pid控制器仿真模型如图5.2所示。图5.2 pid控制器仿真模型figure 5.2 pid controller simulation model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。5.2.3 利用模糊逻辑工具箱建立模糊控制器5.2.3.1 添加输入输出语言变量运行matlab软件，在command window窗口中输入fuzzy，并回车。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控制系数的在线修正参数kp、ti、td。在模糊逻辑编辑器窗口中添加输入输出语言变量，并修改各自的名称2。多输入多输出的模糊逻辑控制系统结构如图5.3所示。图5.3 模糊逻辑系统结构figure 5.3 structure of fuzzy logic system5.2.3.2 编辑隶属度函数依据已定义的输入输出语言变量，以及他们的论域和模糊子集，完成各语言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；为了简化系统的设计，我们采用三角隶属度函数。最后修改各模糊子集的名称。编辑结果如图5.4所示。图5.4 隶属度函数编辑窗口figure 5.4 membership function editor window5.2.3.3 编辑控制规则依据归纳出的模糊控制规则表，我们列出16条控制语句如下：if |e| is z and |ec| is z then kp is s and ti is s and td is z.if |e| is z and |ec| is s then kp is b and ti is m and td is z.if |e| is z and |ec| is m then kp is b and ti is m and td is z.if |e| is z and |ec| is b then kp is b and ti is m and td is z.if |e| is s and |ec| is z then kp is b and ti is b and td is z.if |e| is s and |ec| is s then kp is b and ti is m and td is m.if |e| is s and |ec| is m then kp is b and ti is m and td is m.if |e| is s and |ec| is b then kp is b and ti is m and td is s.if |e| is m and |ec| is z then kp is m and ti is b and td is b.if |e| is m and |ec| is s then kp is m and ti is m and td is b.if |e| is m and |ec| is m then kp is m and ti is m and td is s.if |e| is m and |ec| is b then kp is s and ti is s and td is s.if |e| is b and |ec| is z then kp is b and ti is b and td is b.if |e| is b and |ec| is s then kp is b and ti is b and td is m.if |e| is b and |ec| is m then kp is b and ti is b and td is b.if |e| is b and |ec| is b then kp is b and ti is b and td is b.将控制语句输入规则编辑器，如图5.5所示。图5.5 规则编辑器窗口figure 5.5 rule editor window5.2.3.4 绘制输出变量的控制表编辑好控制规则后，打开规则观察器，如图5.6所示。图5.6 规则观察器figure 5.6 rule viewer输入语言变量取不同的值时，系统依据重心法求出各输出语言变量的控制量。得出的控制表如表5-1、表5-2、表5-3所示。表5-1 kp的控制表table 5-1 control table of kp|e|ec|01234500.3300.5750.8730.8830.8640.88310.5750.5750.8730.8730.8640.87320.7370.7370.7370.7370.5600.57530.6600.6600.6600.6600.4950.33040.7020.7020.7020.7020.5380.51050.8830.8730.8730.8830.8640.883表5-2 ti的控制表table 5-2 control table of ti|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5-3 td的控制表table 5-3 control table of td|e|ec|01234500.1070.1170.1170.1070.1260.10710.1170.5340.5340.5340.4740.31120.3990.5540.5600.5400.4950.33030.8830.8730.5750.3300.3300.33040.8640.7020.5700.5100.5100.51050.8830.6790.6790.8830.8640.8835.2.3.5 观察各变量的控制曲面打开曲面观察器，观察3个输出语言变量的控制曲面。如图5.7、图5.8、图5.9所示。图5.7 kp的控制曲面figure 5.7 control surfaces of kp图5.8 ti的控制曲面figure 5.8 control surfaces of ti图5.9 td的控制曲面figure 5.9 control surfaces of td输出语言变量的控制曲面都成非线性，这说明模糊控制本身是非线性的。最后将建立起来的模糊控制系统保存到工作目录中。5.2.4 模糊pid控制器仿真模型的建立我们利用建立的模糊控制器对pid控制的3个参数进行在线修正，从而将模糊控制与pid控制有效地结合起来。建立的模糊pid仿真模型如图5.10所示。图5.10 模糊pid控制器仿真模型figure 5.10 simulation model of fuzzy pid controller5.3 仿真结果分析我们将汽车动力仿真模型和模糊pid控制器仿真模型，以及pid控制器仿真模型制作成子系统，做最后的仿真连接，得到总的仿真模型如图5.11所示。图5.11 系统总仿真模型figure 5.11 total system simulation model我们分别设定巡航车速为40m/h、60km/h、80km/h和100km/h，对整个仿真系统做必要的设置后点击运行按钮，得出仿真结果曲线。仿真结果如图5.12、图5.13、图5.14、图5.15所示。图5.12 巡航车速40km/h仿真结果figure 5.12 smulation results in cruise speed of 40km / h图5.13 巡航车速60km/h仿真结果figure 5.13 smulation results in cruise speed of 60 km / h图5.14 巡航车速80km/h仿真结果figure 5.14 smulation results in cruise speed of 80 km / h图5.15 巡航车速100km/h仿真结果figure 5.15 smulation results in cruise speed of 100 km / h通过四组仿真曲线我们看到，传统pid控制和模糊pid控制的曲线有着相类似的形状，大致走势相同。但我们也发现了明显的区别，当巡航车速设定为40m/h、60km/h和80km/h时，模糊pid控制曲线的响应时间快于单一的pid控制，且超调量小，或几乎没有超调，稳定性好。但当设定的巡航车速继续增大到100km/h时，两者的响应时间基本一致，但模糊pid控制仍具有良好的稳定性，超调量小。通过对不同巡航车速的仿真结果分析，得出了相类似的结论。模糊pid控制减小了超调，适当加快了响应时间，具有较好的稳定性。此次设计基本达到了利用模糊控制改善pid控制的目的。6. 模糊单片机实现模糊控制美国neuralogix公司生产的模糊单片机nlx230模糊推理速度每秒达3000万条规则。它采用mamdani法的极小极大合成运算进行推理，是一种有固定推理方式的模糊单片机。6.1 nlx230的引脚及功能nlx230是40引脚的双列直插式集成芯片，如图6.1所示。2图6.1 nlx230引脚figure 6.1 nlx230 pin各引脚功能简要说明如下：di0di7：8位数据输入端，由ma0ma2控制输入选择器选择，由选通信号stb进行同步。do0do7：8位数据输出端，输出寄存器由ma0ma2选择并由stb同步。stb：选通信号，它和ma0ma2结合，用于选通输入和输出数据。ma0ma2：多路地址信号。sk：串行时钟。cs：片选信号，低电平有效，用于启动eeprom进行数据串行读写。m/s：主从方式设置端，m/s=1时，处于主方式；m/s=0时，处于从方式。r/w：在从方式中，用做读写信号输入端，r/w=1时，表示读；r/w=0时，表示写。主方式中无效。xi：石英振荡器信号输入端。xo：石英振荡器信号输出端。clk：内部振荡器的缓冲器输出。rst：复位信号输入端，低电平有效。vdd：+5v电源。vss：电源地。nc：无用端，通常接地。6.2 nlx230的工作原理及隶属函数的表示方法设y(k+1)是第k+1时刻的输出，x(k+1)是k+1时刻的输入，r是输入输出关系，其推理过程可用关系方程式表示如下： (61)当不考虑单片机内部的反馈信号时，则有： (62)在nlx230中，模糊量的隶属函数用项寄存器存放，每个项寄存器有2个字节，第一个字节存放隶属函数的中心值，第二个字节存放输入端选择信号和隶属函数的底宽。6.3 巡航控制规则和隶属函数的程序表达在设计过程中，利用软件输入控制规则和隶属函数，其程序表达如下：nlx230termse is z 0 1.5 ine is s 1.5 1.5 ine is m 3 2 ine is b 5 2 inec is z 0 0.3 inec is s 0.33 0.33 inec is m 0.66 0.33 inec is b 0.99 0.33 inoutputskp 0 im /* compressor control */ if e is z and ec is z then s if e is z and ec is s then b . . if e is b and ec is m then b if e is b and ec is b then boutputsti 0 im /* compressor control */ if e is z and ec is z then s if e is z and ec is s then m . . if e is b and ec is m then b if e is b and ec is b then boutputstd 0 im /* compressor control */ if e is z and ec is z then z if e is z and ec is s then z . . if e is b and ec is m then b if e is b and ec is b then b7. 汽车巡航控制系统基本电路设计7.1 电源电路电源系统是任何汽车系统设计中最重要的子系统之一。电源系统设计的好坏影响系统的正常工作。本设计采用西门子公司生产的电源芯片tle4264。电机驱动芯片的电压是12v，微控制器的电压是5v。tle4264的应用电路如图7.1所示。图7.1 tle4264应用电路figure 7.1 tle4264 application circuit7.2 车速传感器电路为了简化设计，用直流电机的转速代替车速，开关霍尔元件固定在直流电机转轴上，开关霍尔传感器选用allegro公司的a3144。其输出电压根据电机转速的不同，输出占空比也不同，是幅值为0.7的方波信号。微控制器识别的高电平为5v，低电平为0v。传感器输出的方波信号要经过放大滤波电路才能送入微控制器，放大滤波电路如图7.2所示。图7.2 放大滤波电路figure 7.2 amplifying and filtering circuits输出幅值5v的方波信号，然后采用频率法测量车速。在一定时间内，根据脉冲的个数来计算脉冲的频率。电机的转速就可以计算出来。7.3 开关量的采集在巡航控制系统中很多控制量只需要用开关量来表示，微控制器识别它们产生的高低电平，依据这些信号来进行控制输出。手制动开关的信号处理电路如图7.3所示。图7.3 手制动开关信号处理电路figure 7.3 hand brake switch signal processing circuit脚制动开关的信号处理电路如图7.4所示。图7.4 脚制动开关信号处理电路figure 7.4 foot brake switch signal processing circuit设定键、加速键、减速减、取消键的信号处理电路如图7.5所示。图7.5 设定键、加速键、减速键、取消键信号处理电路figure 7.5 set key、stop button、accelerator、slow keys 、resume key signals processing circuit7.4 节气门电压信号采集电路节气门位置传感器相当于一个电位器，如果正负两端加上5v电压，测得滑动端输出电压范围为0.96v4.78v，当节气门打开一定的开度，输出端将输出一个与节气门开度成正比的电压量，这个电压经过滤波电路进入微控制器的模拟通道引脚，滤波电路如图7.6所示。图7.6 节气门滤波电路figure 7.6 throttle filter circuit经过a/d转换可以把这个模拟电压量转换为数字量。a/d转换器把0.96v4.78v电压a转换成0000h-03ffh的数字量d，这个数字量存放进微控制器中，经计算得出节气门开度。计算公式为： (71)7.5 驱动电路设计7.5.1 离合器驱动电路离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内，驾驶员通过踩下或松开离合器踏板，使发动机与变速箱分离和接合，以切断或传递发动机向变速箱输入的动力。离合器的驱动电路如图7.7所示。图7.7 离合器驱动电路figure 7.7 clutch drive circuit当输入信号vi高电平时，三极管导通，n沟道的mosfet不导通，二极管左端为高电平，离合器不工作；反之则离合器闭合。7.5.2 执行机构驱动电路节气门执行机构内部为直流电机，驱动直流电机的芯片选用西门子公司生产的tle5205。其引脚与功能如表7-1所示。表7-1 tle5205引脚及功能table 7-1 tle5205 pin and function引脚号符号功能7out1输出端口1，短路保护，二极管续流8ef错误标志位9in1输入端口11，10，11，20gnd接地12in2输入端口26，15vss电源14out2输出端口2，短路保护，二极管续流2，3，4，5，6，17，18，19nc不连接执行机构驱动电路如图7.8所示。图7.8 执行机构驱动电路figure 7.8 actuator drive circuittle5205逻辑真值表如表7-2所示。表7-2 tle5205逻辑真值表table 7-