汽车车速巡航模糊控制

汽 车 技 术 汽车车速巡航模糊控制 游道华 邵冬明 朱晓宏 （武汉科技大学） 【摘要】汽车巡航控制系统是一种汽车辅助驾驶系统，可以在 !"#$"" %& ’ ( 的车速范围内，启动该系统，人为设 定一个车速，驾驶员将不需再操控油门，系统即可自动控制汽车恒速行驶。由于汽车巡航控制系统的强非线性，以及 受外界负荷的扰动、复杂的运行工况等因素影响，该系统较适合采用模糊自整定 )*+ 控制方法，以保证系统具有良 好的动态稳定性。 主题词：车速控制装置 模糊技术 控制 仿真 中图分类号：,!-./00 文献标识码：1 文章编号：2"""3.4".（$"".）"53""2$3"! !"##$ %&’()&* &+ (,- ."(&/&(01- %)"020’3 45--6 678 +97(89:;(97 +7<=&><=:?(8 @>97(7<= （A8(9< ,<>BCDE>FG 7H ;I>CBC ID8>EC I7E 9< 98F7&7F>BC 9EE>EF><= JD>B><= EGEFC&:M(>I( I9< NC EF9DFCJ 9F F(C EOCCJ D9<=C 7H !"#$"" %& ’ ( 9I9LLG I7BC F7 D8< 9F F(C ECF EOCCJ M>F(78F JD>BCD 7OCD9F><= F(C 9IICLCD9F><= OCJ9L/K(C EGEFC& I9< I7ILC D8<<><= >< 9 I7I9LLG/PCI98EC 7H F(C EFD7<= <7BC ID8>EC I7EF8DNE 9I9FCJ D8<<><= &7JCE:F(C H8RRG ECLH39JS8EF><= )*+ I7E 9OOL>CJ >< F(C EGEFC& F7 9EE8DC >FE MCLL JG<9&>I EF9N>L>FG/ :-$ ;&)62：<-*&90($ 9&’()&* "’0(，!"##$ 9&’()&* (-9,’&*&3$，%&’()&*，40/"*8(0&’ 汽车巡航控制系统［2:$］（TD8>EC T7 模糊控制简介 >?= 模糊逻辑控制器（!"##$ @&309 %&’()&**-)，简 称 !@%） 现代工业对控制过程不仅要求控制的精确性， 还要求控制的鲁棒性、实时性、容错性及对控制参数 的自适应性。传统控制存在的局限性使之不能从根 本上同时解决上述这些问题。模糊控制由于具有不 需要建立精确的数学模型、易于实现、抗干扰能力 强、鲁棒性较好等优点，因而在控制领域中的应用越 来越受到重视。 >?> 模糊自整定 ABC控制器［DEF］ 在汽车的行驶过程中，由于外界负荷的扰动、汽 车质量和传动系效率的不确定性、被控对象的强非 线性等因素的影响，采用传统的 )*+ 控制方法难以 保证在不同的条件下都取得令人满意的控制效果。 )*+ 控制器结构简单、鲁棒性较强，但在静态和 动态性能之间、跟踪设定值与抑制扰动能力之间存 在着矛盾，通常采用折衷处理的方法，使系统不能获 得最佳的控制效果。)*+ 控制存在的上述问题并不 是 )*+ 本身引起的，而是 )*+ 控制中 )（比例）、*（积 分）、+（微分）的线性组合、系统特性变化与控制量 之间线性映射关系造成的。 在计算机控制系统中，使用的是数字 )*+ 控制 器，数字 )*+算法表达式为： !（"）U#$%（"）&#’ " ( U " !%（(）V#) %（"）*%（"32" #） （2） ·

设计

领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计

·计算·研究· 2$— — !""#年 第 $期 式中，! 为采样序号，!%"，&，!⋯；"（!）为第 ! 次采样 时刻的计算机输出值；#（!）为第 ! 次采样时刻输入 的偏差值；#（!’&）为第 !’& 次采样时刻输入的偏差 值；$% 为比例系数；$& 为积分系数，$&%$%’ (’&；$( 为微分系数，$()$%’( * ’。 )*+ 控制中比例增益、积分增益和微分增益均 为常数，一旦控制器设计好以后，在控制过程中不再 改变，因此 )*+控制属于线性定常控制。 随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的 方法将操作人员的调整经验作为知识存人计算机 中，计算机能根据现场实际情况，自动调整 )*+ 参 数，这样就出现了智能 )*+ 控制器。它无需精确确 定对象模型，只需将操作人员（专家）长期实践积累 的经验知识运用控制规则模型化，然后运用推理便 可对 )*+参数实现最佳调整。 由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各 种信号量以及评价指标不易定量表示，所以人们运 用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作 用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信 息（如评价指标、初始 )*+ 参数等）作为知识存人计 算机中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况 （即专家系统的输入条件），运用模糊推理，即可自动 实现对 )*+参数的最佳调整［,］。 由于模糊控制方法具有不依赖被控对象精确的 数学模型的优点，对非线性系统具有良好的控制效 果和鲁棒性能，因此本文确定以模糊自整定 )*+ 控 制器来进行车速巡航控制。 另外，为了避免提供给定值时微分作用过强引 起系统过分剧烈的震荡，该车速巡航控制系统采用 微分先行 )*+ 控制算法，其特点是只对输出量进行 微分，而对给定值不作微分。由于被控量的变化通常 比较缓和，这样可以明显地改善系统的动态特性。 ! 车速巡航模糊自整定 "#$控制 !%& 控制原理 车速巡航模糊自整定 )*+ 是在 )*+ 算法（这里 采用微分先行 )*+ 控制算法）的基础上，通过计算 当前系统误差 #（目标车速和实际车速的差值，以下 用 + 表示）和误差变化率#,（下面用 +- 表示），利用 模糊规则进行模糊推理，从而进行参数调整的。车速 巡航模糊自整定 )*+控制原理如图 !所示。 !%’ 控制器参数自整定要求 主要应用模糊集合理论建立参数 $%、$&与$(同 偏差绝对值-+-和偏差变化绝对值-+--间的二元连续 函数关系 $%).&（-+ / 0 /+- -）、$&).!（-+ / 0 /+- -）与 $() . #（-+/0/+-/），并根据不同的/+/、/+-/在线自整定参数 $%、$&与 $(。 图 ! 车速巡航模糊自整定 )*+ 控制原理 一般情况下，在不同的-+/、/+-/下被控过程对参 数 $%、$&与 $(的自整定要求可归纳为［.］： /0 当-+/较大时，为使系统具有较好的跟踪性 能，应取较大的 $%与较小的 $(，同时为避免系统响 应出现较大的超调，应对积分作用加以限制。 10 当/+/处于中等大小时，为使系统响应具有 较小的超调，$%应取得小些；在这种情况下，$(的取 值对系统响应的影响较大。 20 当/+/较小时，为使系统具有较好的稳态性 能，$%与 $&均应取得较大。 积分环节 $&用来将车速误差降为零，而对于车 速巡航控制系统来说，实际上并不能真正降低到零， 而是要保持在一定的误差范围内。巡航控制的车速 调节误差一般是34 56 ( 7，之所以设计成为有差系 统，主要是防止8游车8现象出现。因为当车速误差为 零时，行驶阻力的微小变化都将引起油门开度的变 化，容易发生车速时快时慢的现象。“游车”现象会使 乘员感到不适，并增加机件磨损和燃油消耗。所以， 车速巡航控制系统在设计模糊规则时就必须要考虑 到这一点。当车速误差较小时减弱积分环节的作用， 加大比例环节的作用，允许系统响应有一定的误差。 !%! 控制器的()*+),实现 #0#0& 建立模糊推理系统 在 9/:;/1 模糊逻辑工具箱中，建立模糊推理系 统。其中输入端为/+/和/+-/。输出端为参数自整定 )*+模糊控制器各环节的修正系数 $%、$&与 $(。 推理方法采用了最常用的 9/6 推理方法， 其模糊推理过程为：首先在同一规则中取输入量隶 属度最小值作为条件部的匹配度，然后与结论部的 隶属度进行最小运算得出各规则的结论，并对所有 规则的结论做最大运算，最终得出模糊推理的结果。 由于模糊推理得出的结论是模糊量，不能作为 控制量直接用于系统控制中，所以，必须先对模糊量 ·设计·计算·研究· &#— — 汽 车 技 术 进行解模糊过程从而得到用于控制的精确值，解模 糊方法采用了常用的重心法。 !"!"# 输入、输出的模糊化 车速巡航模糊控制器选择!"!及!"#!为其输入语 言变量，选择 $%、$&与 $’为输出语言变量。$"$与$"#$ 的语言值为“大（%）”、“中（&）”、“小（’）”!种。各隶属 度函数可以根据实际情况进行适当调整。在 ()*+)% 中，可以利用隶属度函数编辑器（(,-./*）方便地输 入各隶属度函数。 !"!"! 设立模糊规则 根据前述的参数自整定要求，向模糊推理系统 添加模糊规则，这里共有 0条规则： 1, （$2$ /’ 2%）*3-4 （56 /’ 56%）)4. （5/ /’ 5/&） )4.（5. /’ 5.’） 1, （$2 $ /’ 2&）)4. （$27 $ /’ 27’） *3-4 （56 /’ 56&）)4.（5/ /’ 5/%）)4.（5. /’ 5.’） 1, （$2 $ /’ 2&）)4. （$27 $ /’ 27&） *3-4 （56 /’ 56&）)4.（5/ /’ 5/&）)4.（5. /’ 5.&） 1,（$2$ /’ 2&）)4.（$27$ /’ 27%）*3-4 （56 /’ 56’） )4.（5/ /’ 5/&）)4.（5. /’ 5.&） 1, （$2$ /’ 2’）)4. （$27$ /’ 27’）*3-4 （56 /’ 56%） )4.（5/ /’ 5/&）)4.（5. /’ 5.’） 1, （$2 $ /’ 2’）)4. （$27 $ /’ 27&） *3-4 （56 /’ 56&）)4.（5/ /’ 5/&）)4.（5. /’ 5.&） 1,（$2$ /’ 2’）)4.（$27$ /’ 27%）*3-4 （56 /’ 56&） )4.（5/ /’ 5/’）)4.（5. /’ 5.%） 按上述步骤所设计的模糊控制器的控制曲面如 图 !所示。由图 !可见，在车速偏差大和小且偏差变 化率小时，修正系数 $%比较大，这样既可加快系统 响应速度又可减小系统静差；在偏差中等时，$& 较 大从而加快系统响应速度；在偏差较小时 $&中等， 同时和限幅环节配合尽量保留允许范围内的调节静 差以避免游车现象。$’在偏差变化率较大时较大， 这样可以减小超调量。 （)） （%） （8） 图 ! 模糊控制器关于各参数修正因子的控制曲面 !"!"9 模糊控制器 :1;参数的获取 首先，根据数字 :1; 调节器参数整定方法确定 $%(、$&(与 $’<（这里采用扩充临界比例法确定并给 以一定修正［9］），再由模糊推理、解模糊得到 $%、$&、 $’的修正系数 $%、$&、$’，两者相乘就得到 :1; 调 节器参数 $%、$&、$’。 ! 车速巡航模糊控制器的 "#$%&#’(仿真 在 =/&>+/4? 中建立车速巡航模糊控制系统仿 真模型@ 汽车模型以东风 2ABCDC 载货汽车为仿真 对象。汽车行驶状况受到阵风和路面起伏的影响，这 里作为干扰因素加以考虑。 !)* 汽车满载遇阶跃力激励时模糊控制仿真结果 运用上述模糊控制系统仿真模型进行汽车行驶 仿真，当汽车满载遇阶跃力激励时的仿真结果见 图 9。由图可见，当遇到阶跃力激励时车速几乎没有 变化，油门开度信号经瞬时的振动变化后趋于稳定。 还应注意的是局部放大图（图 9%）中可以看到车速 响应始终有着很小的调节静差，这可以有效地避免 “游车”现象的发生。 （)）车速响应仿真曲线 ·设计·计算·研究· B9— — !""#年 第 $期 （%）车速响应仿真曲线局部放大图 （&）油门控制信号 （’）阶跃力激励曲线 图 ( 汽车满载遇阶跃力激励时模糊控制仿真结果 !"# 汽车满载遇随机力激励时模糊控制仿真结果 图 )表示了汽车满载行驶遇随机力激励时模糊 控制的仿真结果。同样，遇随机力激励时车速几乎没 有变化。 （*）车速响应仿真曲线 （%）车速响应仿真曲线局部放大图 （&）油门控制信号 （’）随机力激励曲线 图 ) 汽车满载遇随机力激励时模糊控制仿真结果 $ 结语 汽车巡航控制系统的强非线性、外界负荷的扰 动、复杂的运行工况等因素要求控制系统具有良好 的动态稳定性，由上面仿真结果可见，采用模糊 +,- 控制方法是达到预期控制效果的有效途径之一。 参 考 文 献 . 汪立亮等编著/现代汽车电子巡航控制系统原理与检修 / 北京：电子工业出版社，!"""/ ! 汪立亮/汽车巡航控制系统 001 的发展与现状/轿车情报， .223（..） # 曹建云 /模糊控制及其研究动向 /南通工学院学报，!""" （.!） ( 何克忠/计算机控制系统/北京：清华大学出版社，.22$/ ) 李士勇/模糊控制·神经控制和智能控制论/哈尔滨：哈尔 滨工业大学出版社，.224/ 4 陶永华等编著/新型 +,- 控制及其应用/北京：机械工业出 版社，.22$/ 3 王耀南/智能控制系统/长沙：湖南大学出版社，.224/ （责任编辑 郝旭辉） 原稿收到日期为 !""# 年 . 月 3 日。 ·设计·计算·研究· .)— —