汽车雨刷系统的PID控制

1、收稿日期 :2008-06-12基金项目 :平顶山学院高层次人才启动经费作者简介 :代克杰 (1980- , 男 , 河南省襄城县人 , 平顶山学院电气信息工程学院讲师 , 博士研究生 , 主要研究方向 :智能控制与计算机控制 .汽车雨刷系统的 P ID 控制代克杰1, 2, 杜豪杰 1, 赵志敏1(1. 平顶山学院 , 河南 平顶山 467000; 2. 武汉大学 , 湖北 武汉 430072摘 要 :雨刷器是汽车的重要部件之一 , 基于 P I D 控制的汽车智能雨刷系统 , 通过红外传感器感知雨量 的大小 , 运用单片机的 P WM 信号控制雨刷器工作在高速或低速状态 , 采样 P I

2、D 控制器能明显改善系统的稳态和 动态性能 , 实验证明 , 该系统性能可靠 、 控制效果良好 .关 键 词 :P I D 控制 ; 雨刷器 ; 雨水传感器 ; 单片机 ; P WM中图分类号 :TP273 文献标识码 :A :- -031 引言, 雨 、 雪和尘土等脏物 , 保证驾驶员的行车安全 .据统计 , 全世界雨天行车有 7%的事故是由于 驾驶员手动操作雨刷引起的 , 采用雨水感应式智能 雨刷控制系统使驾驶员免除手动操作雨刷的麻烦 , 有效地提高了雨天行车的安全性 , 国内外许多汽车 厂商研制了以雨水传感器为基础的智能雨刷控制 系统 , 来代替传统的机械结构雨刷器1.传统的机械结构雨刷

3、器虽然结构简单 、 性能稳 定可靠 , 但是存在一些明显的不足 , 例如 , 无法有效 克服负载参数的大范围变化和非线性因素对系统 造成的影响 , 因而不能满足高性能 、 高精度的要求 .基于 P I D 控制的汽车智能雨刷系统 , 采用红外 线雨水传感器感应落在挡风玻璃上雨水的大小 , 使 雨刷器自动工作在低速状态或高速状态 , 这样 , 在 雨天驾驶时 , 驾驶者就无需手动打开雨刷器 , 同时 , 采用 P I D 控制使雨刷匀速工作 , 使驾驶者集中精力 开车 , 同时保持良好的视线 , 可大大降低雨天行驶 的风险 , 减少交通事故的发生 . 2 系统的工作原理对于直流电动机的转速来说

4、, 当励磁恒定时 , 所以 , 只要调 节或改变直流电动机的电枢电压 , 就可达到控制转 速的目的 . 本系统通过改变单片机输出 P WM 脉宽 信号的占空比 , 来控制直流电动机的电枢电压 , 从 而改变雨刷电动机的转速 .笔者设计的雨刷器是采用具有高速和低速 2个挡位的雨刷电机来同时控制 2个雨刷 , 雨刷器不 工作时 , 2个雨刷都停在挡风玻璃的下端 , 用单片 机来控制整个系统 , 当单片机检测到红外线雨水传 感器的信号时 , 即有雨水落在挡风玻璃上 , 2个雨 刷就分别左右摆动 , 当小雨时 , 雨刷器工作在低速 挡 , 当大雨时 , 雨刷器工作在高速挡2.首先将红外线雨水传感器传递

5、的信号同单片 机内部储存的阈值比较 . 确定当前雨刷器工作的状 态 (高速 、 低速 ; 启动雨刷电机工作 , 利用霍尔传 感器实时检测当前雨刷所处的位置 , 计算雨刷当前 位置同它要到达的位置之间的偏差 , 同时计算相应 的积分和微分 , 送入 P I D 控制器计算响应的输出 , 更新 P WM 的占空比 , 从而控制雨刷器的运动 , 系 统的原理图如图 1所示3 .图 1 系统的工作原理第 23卷第 5期 2008年 10月 平顶山学院学报 Journal of Pingdingshan University Vol . 23No . 5Oct . 20083 P I D 控制原理P I

6、 D 控制器具有算法和结构简单 、 工作稳定 、 物理意义明确 、 鲁棒性强 、 系统无静差等优点 . 常规的 P I D 控制规律如下 :u (t =K p e (t + T i te (t d t +T dd t 采用一阶差分法离散化后 , 可以得到常规数字 P I D 控制位置式算法如下 :u (k =K p e (k T i ki =1e (i Te (k -e (k -1 采用增量式形式有 :u (k =u (k -1 +P e (k -e (1 + Ie (k +D e (k -2e (k -增量式 P I D 3个时刻 的偏差 , P I D 算法中极易产生的 较大的积累误差 .

7、本系统中采用的 P I D 算法是增量式计算 、 位置 式输出的算法 , 表示如下 .u i =u i -1+u i该算法只要在单片机内存中随时更新寄存前 一时刻的位置式输出 ui -1的单元 , 同当前 P I D 调节增量 ui相加 , 就得到了当前时刻 P I D 位置式输出 u i .4 P I D 参数对系统性能的影响增大比例系数 KP将加快系统的响应速度 , 在 有静差系统中有利于减小静差 , 但加大比例系数能 减小静差 , 却不能从根本上消除静差 . 使调节时间 加长 , 并使系统稳定性变坏或使系统变得不稳定 ,对本系统而言 , 增大 KP不能从根本上解决雨刷运 动时不能精确定位

8、的问题 , 这主要是因为带动雨刷 的直流电机从根本上来说是有差系统 , 它可以缩小 雨刷运动时由于自身原因造成的定位不准确性 . 但 不能消除这种不精确性 , 同时造成运动过程调节时 间拉长 , 使雨刷难以工作在高速状态 .积分控制通常与比例控制或比例微分控制联合使用 , 构成 P I 或 P I D 控制 , 增大积分时间常数 T i (积分变弱 有利于减小超调 , 减小振荡 , 使系统更稳定 , 但同时要延长系统消除静差的时间 . 对本系 统而言 , 如果要想消除雨刷运动的精确定位问题 , 可以加入积分控制 , 但同时导致雨刷调节时间拉 长 , 也造成雨刷难以工作在高速状态 , 特别是在雨

9、 量比较大的时候难以发挥雨刷的作用 , 无法体现智 能雨刷的特点 .增大微分时间 Td有利于加快系统响应 , 使超 调量减小 , 稳定性增加 , 但系统对扰动的抑制能力 减弱 , 对扰动有较敏感的响应 . 对本系统而言 , 微分 控制可以提高雨刷运动的快速性 , 但它会在大雾或 , 作出 “ 误刷 ” 的动作 . 33个参 , 、 积分 、 微分 3种控制方式进 .5 雨刷电机的建模和实验分析系统选用 50W 的 2极 NdFe B 永磁电机作为雨刷电机 , PN=50W , U N =12V , n N (高 =2610r/min, n N (低 =1450r/min . 首先我们让系统处于

10、高速挡开 环状态 , 测定系统的数学模型 , 给定系统直流电压 , 测得雨刷输出位置信号为图 2 .每一横格代表 100m s, 测试时间总长为 1s, 纵坐标每 格为 900r/min, 稳定时的转速为 2610r/min图 2 雨刷电机开环状态下的运行曲线从图 2中我们可以看出 , 雨刷电机可以简化为 一个惯性延迟系统 , 采用最小二乘法辨识模型可以 简化为 :0. 17s +1e -0. 02P I D 参数的整定可采用稳定边界法 . 稳定边界 法首先将系统处于比例控制下 , 逐步增大比例增益 k p 值 , 直至系统出现临界振荡 ,记录此时的临界振荡增益 k pl 和振荡周期 T, 按

11、照表 1的经验公式和校 正类型整定相应的 P I D 参数4.表 1 稳定边界法计算公式控制规律k k k P I 0. 455k pl0. 535k pl /T 0. 6k 1. 2k /T0. 075k T 依据上面计算公式取 P I D 控制器的 3个参数k p 、 k i , k d , 将它们加入系统中进行实际验证 , 最终可以取得合适的 P I D 控制器 , 控制效果如下 :从图 3中可以看到 , 采用 P I D 控制器之后 . 系统的调节时 间大为缩短 , 超调也比较小 , 这组参数可以适合汽 车在大雨的情况下 , 雨刷处于高速挡时雨刷的控 制 ; 的参数. 每一横格为 10

12、0m s, 总长为 1s, 纵坐标每格为 1600r/min, 稳定时的转速为 2610r/min图 3 运用 P I D 控制后雨刷电机的运行曲线 雨刷电机在运行过程中会根据雨量的大小来 自动切换工作状态 , 切换的依据主要是利用安装在 系统中的红外雨水传感器测定的雨水量 , 红外雨水 传感器将雨量实时检测出来 , 这个值同单片机内部事先设定的阈值进行比较 , 如果大于阈值则电机工 作在高速挡状态 , 反之则工作在低速挡状态 , 阈值 的设定主要是利用经验来人为设定 . 6 结论运用 P I D 控制器可以提高控制精度 , 具有良好 的动态特性 , , , 系统成本 , 有非常好的市场前 参

13、考文献 :1德 玛瑞克 J, 特拉汉 H P . 汽车传感器 M.北京 :化学工业出版社 , 2004.2赵 岩 , 王哈力 . 汽车智能雨刷系统的设计 J . 电子科技 , 2007(2 :70-72.3刘海陵 . 红外感雨器的设计与实现 D.南京 :南京信息工程大学 , 2005:32-33.4白 金 , 韩俊伟 . 基于 MAT LAB /Sim ulink 环境下的 P I D参数整定 J .哈尔滨商业大学学报 :自然科学版 , 2007(12 :673-676.Con trolli n g the W i n dscreen W i per System of the Autom o

14、b ile by Usi n g P I DDA I Ke -jie1, 2, DU Hao -jie 1, ZHAO Zhi -m in1(1. Pingdingshan University, Pingdingshan, Henan 467000, China;2. W uhan University,W uhan, Hubei 430072, China Abstract:The windscreen wi per is an i m portant part of the aut omobile, and the intelligent windscreen wi per syste

15、m of the aut omobile is based on the P I D contr oller . This syste m senses the a mount of rainfall by the infrared rain sens or and thus makes the windscreen wi per aut omatically work either at a high s peed or at a l ow s peed state by the P WM signal of the MCU. It can obvi ously devel ope the static state and dyna m