【正文】 PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)速度誤差絕對(duì)值|E|和速度誤差變化率絕對(duì)值|EC|加到模糊控制器的輸入端，模糊化過(guò)程將其轉(zhuǎn)化對(duì)應(yīng)論域上的模糊集合，根據(jù)模糊推理規(guī)則推導(dǎo)出模糊輸出量，最后經(jīng)過(guò)解模糊過(guò)程輸出精確的控制量Kp、Ti和Td，它們的值被歸一化到0~1之間。所以在設(shè)計(jì)汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的模糊規(guī)則時(shí)就要考慮到：當(dāng)車(chē)速誤差較小時(shí)，應(yīng)減弱積分環(huán)節(jié)的作用、加大比例環(huán)節(jié)的作用，允許系統(tǒng)有一定的誤差。 模糊控制器的設(shè)計(jì) 定義輸入語(yǔ)言變量將巡航控制系統(tǒng)的速度誤差絕對(duì)值|E|和速度誤差變化率絕對(duì)值|EC|作為模糊控制器的輸入語(yǔ)言變量。而微分部分則起預(yù)估作用。4. 模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)PID控制在巡航控制中的運(yùn)用PID控制，即比例—積分—微分控制，根據(jù)實(shí)際車(chē)速與設(shè)定車(chē)速的偏差，考慮過(guò)去、現(xiàn)在、將來(lái)的情況，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)不變參數(shù)的巡航控制。3) 模糊控制系統(tǒng)依賴(lài)于行為規(guī)則庫(kù)，更接近人的思維方法和推理習(xí)慣。在新的控制理論的支持下，模糊控制受到了人們普遍的重視，發(fā)展迅速。人們注意到對(duì)于很多復(fù)雜的、多因素影響的生產(chǎn)過(guò)程，即使不知道該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員也能夠根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐觀察和操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效的控制，而采用傳統(tǒng)的自動(dòng)控制方法效果并不理想。4) 減少磨損延長(zhǎng)壽命。2) 提高了汽車(chē)行駛的安全性。[26] 汽車(chē)巡航控制原理圖Figure Schematic of Cruise ControlCCS ECU的信號(hào)有2個(gè)，一是駕駛員根據(jù)行駛條件，通過(guò)巡航開(kāi)關(guān)設(shè)定的巡航車(chē)速信號(hào)；二是車(chē)速傳感器輸入的實(shí)際車(chē)速反饋信號(hào)。由于進(jìn)氣室負(fù)壓的作用，單向閥A通常保持打開(kāi)，向執(zhí)行器提供負(fù)壓；當(dāng)進(jìn)氣室負(fù)壓低時(shí)，ECU發(fā)出信號(hào)接通真空泵，負(fù)壓由單向閥B提供給執(zhí)行器?？刂崎y將來(lái)自釋放閥的大氣引入執(zhí)行器，使節(jié)氣門(mén)關(guān)閉，降低初速，以確保安全。 (b) Electromagnetic coil is not energized(2) 釋放閥。當(dāng)電磁線(xiàn)圈通電時(shí)，大氣壓狀態(tài)下的空氣通道關(guān)閉，進(jìn)氣歧管的真空通道打開(kāi)，在執(zhí)行器內(nèi)部產(chǎn)生一負(fù)壓，由于吸力大于回位彈簧彈力，膜片向左移動(dòng)，使節(jié)氣門(mén)開(kāi)大，車(chē)速升高。真空驅(qū)動(dòng)型執(zhí)行器主要由控制閥、釋放閥、電磁線(xiàn)圈、膜片、回位彈簧和空氣濾清器組成。 CCS ECU組成框圖Figure Block diagram of CCS ECU 執(zhí)行器執(zhí)行器將ECU輸出的電流或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度，最終達(dá)到控制車(chē)速的目的。2) TPSTPS對(duì)CCS ECU提供一個(gè)與節(jié)氣門(mén)位置成正比的電信號(hào)。踩下制動(dòng)踏板時(shí)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)工作。(3) 離合器開(kāi)關(guān)。當(dāng)拉起駐車(chē)制動(dòng)操縱桿時(shí)，駐車(chē)制動(dòng)開(kāi)關(guān)接通，將取消信號(hào)傳至CCS ECU。任一開(kāi)關(guān)接通時(shí)，自動(dòng)取消巡航控制。每次推入，系統(tǒng)電源接通或關(guān)閉。最后利用MATLAB軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的模糊PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，觀察改進(jìn)后系統(tǒng)對(duì)車(chē)速控制的效果。 系統(tǒng)概述ECU接受駕駛員控制開(kāi)關(guān)信息和各鐘傳感器信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算處理，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電路，執(zhí)行部件，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器后就可以變換驅(qū)動(dòng)力?！娟P(guān) 鍵 詞】：汽車(chē)巡航控制系統(tǒng) 模糊控制 MATLAB 仿真1. 前言 選題意義巡航控制系統(tǒng)(CRUISE CONTROL SYSTEM，縮寫(xiě)為CCS)。有助于提高巡航控制的效果，減少車(chē)速變化，最大限度節(jié)省燃料，降低排氣污染，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率，改善汽車(chē)動(dòng)力性和乘坐舒適性。汽車(chē)駕駛的舒適性和動(dòng)力性，以及節(jié)能環(huán)保等方面的問(wèn)題也成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。作為一種安全性輔助駕駛系統(tǒng)，汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)對(duì)于解決上述幾個(gè)汽車(chē)工程領(lǐng)域問(wèn)題有著積極的作用。最后利用MATLAB軟件中的模糊邏輯工具箱對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，觀察模糊控制的效果，并對(duì)部分基礎(chǔ)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。在巡航控制期間，隨著道路坡度的變化以及汽車(chē)行駛阻力變化，車(chē)輛自動(dòng)變換節(jié)氣門(mén)開(kāi)度或自動(dòng)進(jìn)行檔位轉(zhuǎn)換，按照存儲(chǔ)在微機(jī)內(nèi)的最佳燃料經(jīng)濟(jì)性規(guī)律或動(dòng)力性規(guī)律穩(wěn)定行駛。CCS ECU由專(zhuān)用的單片機(jī)和專(zhuān)用的IC等模塊構(gòu)成，單片機(jī)完成車(chē)速運(yùn)算、記憶、比較、補(bǔ)償、保持和故障診斷等信息的處理，專(zhuān)用的IC模塊具有處理計(jì)算機(jī)的再啟動(dòng)、輸入、輸出與電源通斷和自診斷等功能[1]。2. 汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的組成與工作原理CCS由信號(hào)輸入裝置、CCS ECU和執(zhí)行器等組成。2) 控制開(kāi)關(guān)手柄式控制開(kāi)關(guān)有5種控制功能，即SET(設(shè)置)、COAST(減速)、RES(恢復(fù))、ACC(加速)和CANCEL(取消)。當(dāng)CCS取消的瞬間的車(chē)速不低于40 km/h時(shí)，該車(chē)速存儲(chǔ)于CCS ECU中。同時(shí)駐車(chē)制動(dòng)指示燈亮。當(dāng)踩下離合器踏板時(shí)，離合器開(kāi)關(guān)接通，將取消信號(hào)傳至CCS ECU。開(kāi)關(guān)A閉合，電流經(jīng)其流過(guò)停車(chē)燈開(kāi)關(guān)，使停車(chē)燈亮。3) 節(jié)氣門(mén)控制搖臂傳感器節(jié)氣門(mén)控制搖臂傳感器對(duì)CCS ECU提供節(jié)氣門(mén)控制搖臂位置信號(hào)，目前采用較多的是滑線(xiàn)電位計(jì)式，當(dāng)節(jié)氣門(mén)控制搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電位計(jì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，便輸出一個(gè)與控制搖臂位置成正比例且連續(xù)變化的電信號(hào)。目前使用的執(zhí)行器有兩種類(lèi)型，一種是真空驅(qū)動(dòng)型，由負(fù)壓操縱節(jié)氣門(mén)；另一種是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型，由電動(dòng)機(jī)操縱節(jié)氣門(mén)。(a) (b) 真空驅(qū)動(dòng)型執(zhí)行器控制方法(a)僅從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管施加負(fù)壓；(b)用真空泵提高負(fù)壓Figure Vacuumdriven actuator control methods(a) Exert negative pressure from the intake manifold。當(dāng)電磁線(xiàn)圈不通電時(shí)，大氣壓狀態(tài)下的空氣充滿(mǎn)控制閥，回位彈簧將膜片推回，節(jié)氣門(mén)關(guān)小，車(chē)速降低。用于取消巡航控制時(shí)，使大氣壓狀態(tài)下的空氣進(jìn)入執(zhí)行器，以便在較短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉節(jié)氣門(mén)。(a) (b)(a)結(jié)構(gòu)；(b)工作特性Figure release valve(a) Structure。(a) (b)(a)結(jié)構(gòu)；(b)工作原理Figure Vacuum Pump(a) Structure。當(dāng)巡航設(shè)定車(chē)速信號(hào)和實(shí)際車(chē)速反饋信號(hào)輸入CCS ECU后，CCS ECU經(jīng)過(guò)比較運(yùn)算可得速度偏差變化E和偏差變化率EC，經(jīng)過(guò)處理后，再結(jié)合當(dāng)前節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度信號(hào)，可得到控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度大小的控制信號(hào)，CCS ECU將控制指令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)就可驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門(mén)拉索調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的大小，將實(shí)際車(chē)速迅速調(diào)節(jié)到駕駛員設(shè)定的車(chē)速值，從而實(shí)現(xiàn)恒速控制。巡航控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛，尤其是在上坡，下坡或平路行駛，司機(jī)只要掌握好轉(zhuǎn)向盤(pán)，不用踩加速踏板和換檔就能等速穩(wěn)定運(yùn)行，減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，可使精力集中確保行車(chē)安全。穩(wěn)定恒速行駛使額外慣性力減少，所以機(jī)件磨損少使壽命增加，故障減少。人的經(jīng)驗(yàn)參與控制過(guò)程的成功，激發(fā)了人們對(duì)控制原理的深入研究。這樣的控制系統(tǒng)避免了那種精密、反復(fù)、有錯(cuò)誤傾向的模型建造過(guò)程，又避免了精密地估計(jì)模型方程中各參數(shù)的過(guò)程。4) 模糊控制與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)。在汽車(chē)行駛過(guò)程中，駕駛員設(shè)定一個(gè)車(chē)速給控制器，同時(shí)車(chē)速傳感器測(cè)得的實(shí)際車(chē)速也輸入控制器，產(chǎn)生實(shí)際車(chē)速和設(shè)定車(chē)速的偏差設(shè)為。當(dāng)0 ，表示偏差在加大，就及時(shí)增加控制量，使減??；當(dāng)0，表示偏差在減小，則減小控制量，以避免當(dāng)趨近于零時(shí)又反方向發(fā)展而引起震蕩。[5]它們的變化范圍定義為模糊集上的域論：|E|={0，1，2，3，4，5}|EC|={0，1，2，3，4，5}它們的模糊子集為： |E|={零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)} |EC|={零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)}： 輸入語(yǔ)言變量隸屬函數(shù)Figure Membership function of input linguistic variables 定義輸出語(yǔ)言變量定義3個(gè)輸出語(yǔ)言變量：(1) Kp′比例系數(shù)修正參數(shù) (2) Ti′ 積分系數(shù)修正參數(shù) (3) Td′微分系數(shù)修正參數(shù)并分別定義它們的模糊子集為： 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)}： 輸出語(yǔ)言變量隸屬函數(shù)Figure The output linguistic variable membership functions 提出模糊控制規(guī)則從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面考慮提出以下三條控制規(guī)則：(1) 當(dāng)|E|較大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)具有較快的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp；為防止出現(xiàn)較大的超調(diào)，避免開(kāi)始時(shí)|E|的瞬間變大可能引起的微分過(guò)飽和，則應(yīng)取較大的Ti和較小的Td；(2) 當(dāng)|E|和|EC|處于中等大時(shí)，為了使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取較小的Kp；為了避免對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性造成影響，應(yīng)取適中的Ti；由于此時(shí)的調(diào)節(jié)特性對(duì)Td 的變化敏感，因此Td 應(yīng)取得大一些；(3) 當(dāng)|E|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，減小系統(tǒng)靜態(tài)誤差，增加系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力，應(yīng)增大Kp，減小Ti和Td。 規(guī)則表的建立自此模糊控制器有兩個(gè)輸入語(yǔ)言變量|E|和|EC|，三個(gè)輸出語(yǔ)言變量Kp′、Ti′和Td′，歸納出的模糊控制規(guī)則如表4表4表43所示。在實(shí)際PID控制器的應(yīng)