《基于综合PID算法的汽车巡航控制系统》_自动控制理论课程设计报告.

1、?自动控制理论?课程设计报告题目：基于综合PID算法的 汽车巡航控制系统 姓名： 李 根 班级： 自1202 学号： 41251054 2021年7月基于综合PID算法的汽车巡航控制系统设计报告摘要：随着我国经济实力的不断增强，人们的生活水平也在不断提升，伴随着的汽车消费也进入了群众化阶段，人们对汽车驾驶的平安性和舒适性要求也越来越高。汽车巡航控制技术的不断革新正是这一现象的重要表达。本设计报告所研究的汽车巡航控制系统是一种闭环控制，综合采用位置式和增量式PID控制算法。由于位置式PID控制算法运算量大，对微处理器的性能要求高，增量式PID控制算法抗外界干扰能力弱，所以PID控制器的微分环节采

2、用位置式PID控制算法，积分和比例环节采用增量式PID控制算法，以此弃其缺乏，集其长处，综合两者以到达最正确的控制效果。关键词：巡航控制、位置式PID控制算法、增量式PID控制算法、仿真研究Abstract:With the growing of Chinas economic strength, peoples living standards are rising too.Along with the automobile consumption has also entered the popular phase.The vehicle driving safety and comfor

3、t were required higher and higher.The new innovation of vehicle cruise control technology is one of the important embodiment of this phenomenon.This design report study of vehicle cruise control system is a closed-loop control system.It is comprehensive used position type and incremental PID control

4、 algorithm. For the position type PID control algorithms computational is very large,it must be have high performance microprocessor.Incremental PID control algorithms ability of resist Outsider Interference is very weak.So,PID controllers differentiation element is utilized position type PID contro

5、l algorithm,its integral and proportional element is utilized incremental PID control algorithm.This method can abandon its disadvantage and set its strengths, Integrated both two in order to achieve the best control effect.Keywords:Cruise control,Position type PID control algorithm,Incremental PID

6、control algorithm,Simulation study1.引言汽车巡航控制系统，简称CCS。汽车巡航控制技术是指在一定的车速范围内，当汽车受到外力干扰时，允许驾驶员不用控制加速踏板，该系统通过自动调整节气门开度从而调整发动机的转矩，使汽车按设定的车速恒速行驶的控制技术。汽车巡航控制系统有如下优点：1，无论是上坡、下坡还是在平直的路面上行驶，或是受到诸如温度、湿度、风速、路面状况等外力的干扰，只要在发动机功率允许的范围内，车辆均可保持匀速行驶。2，可提高驾驶时的舒适性和平安性，减轻驾驶员的负担，对保证行车平安十分有利。3，汽车在以恒定车速行驶时，可使燃油消耗与发动机输出功率处于最正

7、确配合状态，既能降低燃油消耗，也能降低大气污染。随着我国高速公路网的迅速扩大和延伸，汽车巡航控制系统的优越性能也将更加表达出来，汽车巡航技术在我国具备广泛的开展和应用前景，其研究的意义也是非常重大的。2.课程背景汽车巡航控制技术是一项在不进步，不断革新的技术，它的应用可以说得上是汽车领域的一大里程碑。自上世纪50年代开始，汽车巡航控制技术开始逐渐的走进大家的视野，在其不断开展的历程中，大致经历了三个阶段：以模拟电路为根底的控制系统；以数字信号为主的控制系统；以智能化为核心的控制技术。汽车巡航控制技术是一项将来汽车行业必将瞩目的技术领域，但是就目前看来，我们国内的汽车巡航控制技术相对国外的兴旺国

8、家来讲还存在诸多缺乏之处，其控制精度和抗干扰能力等都存在明显的缺陷，所以我国的汽车巡航控制技术仍需不断的改良。3.理论根底常规PID控制系统原理图如下图：PID控制是一种线性控制，它是将给定值r(t)与实际值c(t)构成的控制偏差： 式1e(t)的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行线性组合构成控制量，将被控对象进行控制。其模拟表达式为：式2传递函数形式为：式3上式中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。PID控制器各环节的作用为：1，比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。2，积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度,

9、，积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之那么越强。3，微分环节：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中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。由于计算机控制为采样控制，需将式2中的积分相和微分相进行离散化处理，现以一系列采样时刻点代表连续时间t，以和式代表积分，增式代表微分，那么可根据式2进行如下变换：式4将式4带入式2中可得离散的PID表达式为：式5根据递推原理可得增量式PID控制算法表达式为：式6增量式PID控制系统示意图为：由式6可得位置式PID控制算法表达式为：式7位置式PID控制系统示意图为：通过比拟增量式PID控制

10、算法和位置式PID控制算法可以很明显的发现，位置式PID控制器的输出为全量输出，每次输出都要对e(k)进行累加，由此造成处理器工作量增大，由此对处理器的抗干扰能力和性能要求很高；而增量式PID控制器每次只需输出增量，由此外界对处理器造成的扰动所引起的误差大大减小。综合以上分析可知，将位置式、增量式算法结合起来，取长补短，组成PID综合控制算法。即控制器的微分环节采用位置式PID算法，对输出全量直接作衰减运算，所以不存在增量式PID算法的微分环节中所存在的输出方向相反的问题；控制器的比例环节和积分环节那么采用增量式PID算法，这样可防止位置式PID算法中积分环节的累加计算，以减少处理器运算工作量

11、。采用综合PID控制算法的控制系统，势必能够大大地改善控制器的动态品质，在汽车巡航的实际应用中也能够在很短的时间内将车速很好的控制在预先设定的速度值上。4.对象模型建立对行驶在坡路上的汽车受力分析，其受力情况如下：其中：m为汽车的质量；为坡路与水平轴面x的夹角；Fe为汽车引擎产生的牵引力；Fr为汽车所受到的阻力空气阻力和摩擦力：式8Fh为汽车的重力分量：式9整体来看，行驶在坡路上的汽车所受到的外力大致如上所述。汽车巡航控制系统的控制原理图大致如下所示：汽车巡航控制器采用速度偏差，即预先设定的巡航车速与车辆实际车速之差做为输入参量，控制器的输出控制量为节气门开度，然后将得到的节气门开度输入到汽车

12、的纵向控制系统模型中，以获得车辆的实际车速，将车速通过车速传感器输出，实现巡航系统闭环反应控制。5.PID设计与仿真根据上述位置式和增量式PID控制算法的组合以及对象模型的分析，利用Matlab中的Simulink软件对建立的对象模型进行了设计。汽车的受力模型设计图如下：根据实际情况，其中相关参数的预设如下：1，汽车的最大驱动力预设为1000N；2，最大制动力预设为-2500N；3，输入端1为来自PID控制器的输入信号；4，增益Gain的值预设为0.01；5，空气阻力的具体函数为N；6，重力分量和摩擦力之和预设为862.3N；7，输出端1为实际速度输出信号。PID控制器模型设计图如下：其中相关

13、参数的预设如下：1，输出端2将处理过的速度输入到汽车的受力模型模块中；2，输入端2为来自实际速度的信号；3，零阶保持器所在的比例环节的比例系数暂设为105,；4，离散时间积分器所在的积分环节的积分系数暂设为0.5；5，微分环节的微分系数暂设为30；6，最左端的巡航车速输入端可以自行调节。将汽车的受力模型和PID控制器模型两个模块连接起来就构成了位置式和增量式PID汽车巡航控制系统的仿真模型，根据预设可知，该PID控制器的相关参数为：；。仿真模型如下：通过调节最左端的预设巡航车速即可实现较优的一定范围内的巡航车速调节，当巡航车速发生大幅的变化时，可以再次调节上述仿真模型的相关参数以到达最正确的效

14、果。将巡航车速设定为60km/h时，其仿真情况如下：从上图的仿真结果可以看出，巡航车速为60km/h时，调节时间大致在30s之后便能以60km/h的速度匀速前行。将巡航车速设定为70km/h时，其仿真情况如下：从上图的仿真结果可以看出，巡航车速为70km/h时，其调节时间大致在50s以内，之后车辆便以70km/h的速度匀速前行。将巡航车速设定为80km/h时，其仿真情况如下：从上图的仿真结果可以看出，调节时间大致在60s时车速已经接近巡航车速为80km/h，之后车速慢慢向80km/h靠拢，并以此速度匀速前行。6.结论本文的基于位置式和增量式PID控制算法的汽车巡航控制系统设计报告是建立在目前国

15、内一些先进的科学文献根底上的。经过本人的亲自实践，主要完成了以下几个方面的工作：1，搜索、查阅并研究了前人做出的汽车巡航控制技术研究成果的根底上，并从从大量的文献资料中提取了汽车受力模型和PID控制模型。2，根据汽车的受力模型，认真的分析了汽车行驶过程中受到的驱动力和阻力，建立了汽车巡航控制系统的仿真模型；并在逐一的试验中根本上确定了各个模块的参数适宜范围。3，设计了基于位置式和增量式PID控制算法的控制器，采用取长补短的方法，综合了两者的优点，结构相对简单，使得在不同车速下的控制效果最优。4，用 MATLAB中的Simulink 软件建立了整个系统的仿真模型，通过不断调节，最终做出了巡航车速

16、分别为80km/h、70km/h、60km/h的仿真结果，且调节效果较为理想。总的来说，基于位置式和增量式PID控制算法的汽车巡航控制系统较其他单一PID算法的控制系统有着很大的优越性，能够实现较高要求的巡航控制条件。7.参考文献1 薛玲.基于PIC16F873的汽车巡航控制系统的仿真与设计D.哈尔滨理工大学.2005(03).2 仇成群.刘成林.沈法华.等.基于Matlab和模糊PID的汽车巡航控制系统设计J.农业工程学报.2021.28(6):197-202.3 付锐.秦加合.王党青.郭明华.汽车巡航控制系统的定速控制方法的仿真研究A.汽车运输平安保障技术交通行业重点实验室.陕西西安.2021(06).4 齐志鹏.许洪军.汽车巡航控制系统中双闭环反应的应用A.中国人民解放军军事交通学院电气教研室.天津.2001(04):300161.5 吴宏鑫.沈少萍.PID控制的应用与理论依据A.北京控制工程研究所.北京.2003(10).6 陈学文.李萍.汽车巡航控制方法及Simulink仿真J.辽宁工程技术大学学报.辽宁工业大学.2021(02).7 胡克非.定速巡航系统的设计D.武汉理工大学.2021(05).8 苏明.陈伦军.林浩.模糊PID控制及其MATLAB仿真A.贵州省机电研究设计院.2004(05).书是我们时代的生命别林斯基书