汽车ASR的模糊控制.doc

摘要本文研究的是对开路面驱动防滑系统，采用驱动轮制动力矩调节，也就是在发生打滑的驱动轮上施加制动力矩，使车轮转速降至最佳的滑转率范围内。探讨了基于PID控制和模糊PID控制这两种控制理论的ASR控制算法，使用MATALB/SIMULINK工具箱对这两种控制算法进行了仿真分析。本文主要分为以下四个部分：1介绍ASR的研究意义，国内外研究现状，工作原理以及目前常用的控制方式和控制算法。2车辆系统动力学仿真模型是汽车牵引力控制的仿真分析基础，同时也对其理论分析具有一定的指导意义。动力传动系模型可用来分析各子系统的响应规律，并为整车动特性分析提供必要的数值依据，它包括发动机模型、传动系模型和轮胎模型。本文建立了包括动力传动系模型和整车模型的车辆系统Simulink模型. 3. 从理论上探讨了PID和模糊PID两种控制理论下的ASR控制算法，并设计了它们在对开路面条件下的Simulink模型。4根据所建立的控制算法，进行了参数选择，并在MATALB/SIMULINK环境下，分别在0.1/0.5、0.3/0.5对开路面使用制动控制对所建立的两种控制算法进行仿真分析，并且在验证算法适应性的时候采用了路面附着系数改变的状况进行仿真。仿真结果表明汽车ASR系统能够改善车辆的牵引性、操纵性和稳定性，也验证了本文建立的基于PID控制和模糊PID控制两种控制理论的汽车牵引力控制算法正确。关键字：ASR系统，PID，模糊PID，仿真AbstractThis paper studies the Anti-Slip Regulation control system on-Split Road，use driving wheel braking torque regulation, it is imposed braking torque on the skid driving wheel, the speed of wheel lows to the best slip coefficient. This paper has discussed three control algorithms that is based on PID control and fuzzy PID control, simulated these two control algorithms with MATALB/SIMULINK, and compared the performance with the situation without ASR.This thesis mainly includes four parts:1. Introducing the significance of ASR system, the research status of domestic and overseas, the principle of the working and the usually control algorithm presently.2. Vehicle system dynamics simulation model is the basis of ASR system simulation and analysis. Automobile transmission model is used to analyze the response of each subsystems, it includes engine model, transmission line model and the tire model. This paper established the Simulink model of vehicle system.3. Theoretically discussed ASR control algorithm which under PID control and fuzzy PID control theory, and design their simulink model on -split road condition.4. The parameters in the algorithms are selected and these algorithms are simulated with SIMULINK, using active brake control on 0.1/0.5,0.3/0.5 split- road surface respectively, and use the situation of road adhesion coefficient changed to demonstrate algorithm adaptability and effectiveness.The results of the simulation has shown that ASR system can effectively improve the vehicle traction、handling and stability. At the same time, it proves the control algorithms that are established are correct. Key words: ASR system; PID; fuzzy PID; simulation目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1ASR系统简介11.1.1 ASR系统概述11.1.2 ASR的发展历程及国内外研究现状11.1.3 ASR基本原理21.2本文研究的意义31.2.1过度滑转的危害31.2.2 ASR的作用41.3ASR系统的控制途径41.3.1发动机输出转矩调节41.3.2驱动轮制动力矩调节51.3.3离合器或变速器控制51.4 ASR系统的控制策略51.4.1 PID控制51.4.4模糊控制61.5本文研究的主要内容6第二章 驱动防滑控制系统的数学模型82.1引言82.2 ASR系统数学模型的建立82.2.1动力传动系模型82.2.2制动器数学模型112.3 本章小结11第三章 ASR系统的控制算法研究123.1引言123.2 PID控制算法123.3模糊PID控制算法133.3.1模糊控制系统概述133.3.2 Fuzzy PID控制器的结构组成143.3.3参数自整定思想153.3.4模糊控制规则的设计163.5小结21第四章 ASR系统的控制算法建模仿真224.1引言224.2 建立ASR系统Simulink模型224.2.1 发动机模型224.2.3 轮胎模型234.2.4 制动器模型234.3 ASR系统的控制算法仿真244.3.1无ASR控制直线加速仿真244.3.2基于PID算法的整车加速仿真254.3.3基于Fuzzy PID算法的整车加速仿真294.4控制算法的比较344.4.1两种算法在控制指标上的比较344.4.2控制算法的适应性比较35第五章 全文总结39参考文献40致谢41第一章 绪论“安全、环保、节能”是当今汽车发展的三大方向。提高汽车的安全性是各汽车厂商增强其产品竞争力的重要手段。随着制动防抱死系统的广泛应用，驱动防滑系统(ASR)也逐步被投入使用。目前，ASR已经成为汽车向电子化发展的一个重要方面【1】、【2】。1.1ASR系统简介1.1.1 ASR系统概述ASR(ACCELERATION SLIP REGULATION)，即驱动防滑系统，它是根据车辆行驶行为，运用数学算法和控制逻辑使车辆驱动轮在恶劣的路面或复杂输入条件下产生最佳纵向驱动力的主动安全系统。由于驱动防滑系统是通过调节驱动车轮的牵引力实现驱动车轮防滑转控制的，因此，也被称为牵引力控制系统，简称TCS(TRACTION CONTROL SYSTEM)。ASR的应用对于驱动时驱动轮的过度滑转起到了很好的抑制效果。汽车ASR系统是伴随着汽车制动防抱死系统(ABS)产品化而发展起来的，实质上它是ABS基本思想在驱动领域的发展和推广。汽车行驶时的车轮滑动包括两种情况，一种是汽车在制动时车轮抱死而产生的车轮滑移情况；另一种是车身不动，车轮转动，或者是汽车的速度低于转动车轮的轮速，简称滑转。ABS控制前一种情况，ASR控制后一种情况。或者说，ABS是减压防滑移的过程，ASR是加压防滑转的过程【1】、【2】。1.1.2 ASR的发展历程及国内外研究现状自二十世纪七十年代起，车轮滑转问题开始引起人们的重视，驱动防滑控制系统因此得到迅速发展。1972年，日本首次登记了通过停止发动机点火控制车轮滑转的牵引力控制系统。1978年德国注册了一种以减少气缸供油来实现汽车驱动防滑控制的装置。1981年，日本又注册了一种以调节离合器接合程度来限制汽车驱动轮过度滑转的汽车驱动防滑控制专利。1985年由瑞典VOLVO汽车公司试制生产的汽车电子驱动防滑装置安装在Volvo760 Turbo汽车上，该系统被称为ETC（电子牵引力控制），是通过调节燃油供给量来调节发动机输出扭矩，从而控制驱动轮滑转率，产生最佳驱动力的。此后，ASR技术日益发展并逐渐成熟，进入上世纪90年代后，得到了迅速普及。国外ASR的发展十分成熟，已实现产业化，将ASR统作为标准或选装装备批量装车。国外的一些高级轿车如：宝马、凌志、皇冠、克尔维特、卡迪拉克等已将牵引力控制系统作为标准或选装装备，其中包括一些性能优良的牵引力控制系统，如：BOSCH ABS/ASR 2U，装备于卡迪拉克多种型号的轿车上；宝马ABS/ASC+T，装备于BMW 850i轿车上；丰田ABS/TRAC，装备于LEXUS300、LEXUS 400轿车上；TEVES MK IV，装备于福特、别克、卡迪拉克、克莱斯勒等多种型号的汽车上。由于牵引力控制系统能提高汽车的动力性、主动安全性，因而也受到了军队的重视。如：美军在M998、M1043、M1045、M1097等“Hummer”系列军用越野汽车上装备了牵引力控制系统；卡迪拉克公司的Escalade越野汽车装备的StabiliTrak牵引力控制系统可使该车060mph的加速时间降低到8.5秒，最大拖曳力达到8500磅。国内对ASR的研究，约始于20世纪90年代。一些科研单位如清华大学、吉林大学、北京理工大学、同济大学、上海交通大学、济南重汽技术中心等对ASR技术的发展进行跟踪、研究并取得了阶段性进展。目前，我国科研人员主要针对ASR控制系统的控制策略和控制算法、逻辑等关键环节进行研究。由于受电控发动机的限制，我国ASR系统的控制理论方面大多侧重于采用以制动控制为主、发动机控制为辅的控制方法。距离产品化研究还有一定的差距。目前国内尚无自主研发的ABS/ASR防滑控制系统产品【2】。1.1.3 ASR基本原理车轮相对于路面的运动状态与附着力有重要关系，特别是在弱附着路面上更为明显。车轮在路面上的纵向运动分为滚动和滑动两种形式，人们引入了车轮滑动率S的概念来表征车轮纵向运动中滑动成分所占的比例。滑转率S定义为： 式中，Vv为车速；Vw为轮速。前轮发生滑转可能使汽车丧失转向能力，而后轮发生过度滑转则会使汽车发生侧滑而丧失方向稳定性。ASR系统就是通过防止驱动轮过度滑转，在车辆起动和加速时，根据路面和轮速情况控制驱动轮的附着能力，而提高车辆的操纵稳定性和通过性。汽车在路面上行驶，其驱动力取决于发动机输出扭矩，但要受到路面附着条件的限制。轮胎与路面的附着系数与轮胎结构、路面状况、天气情况、车速等因素有关，是一个不确定量，大量试验表明轮胎与地面之间的附着系数与滑转率S有直接关系。图1-1是典型路面上附着系数与滑转率的关系图。由图可知，当滑转率从0开始增加时，纵向附着系数也随之增大，当滑转率达到S0时，附着系数达到最大值h（称为峰值附着系数）。此后，随着滑转率的继续增加，附着系数反而下降；当滑转率达到1时，即车轮发生纯滑转时，其滑动附着系数要远小于h。在滑转率0与纵向峰值附着系数所对应的滑转率S0之间，即曲线的上升段为稳定区，在该区可以保证稳定驱动，在峰值附着系数所对应的滑转率S0与纯滑转之间，即曲线的下降段为非稳定区。所以从牵引性上考虑，驱动轮的纵向滑转率最好在S0处。同时考虑到轮胎与路面之间的侧向附着系数随纵向滑转率的关系（图1-1中虚线所示），随纵向滑转率的增大，侧向附着系数急剧减小，所以从侧向稳定性上考虑，车轮纵向滑转率越小越好。由此可见，驱动轮的纵向滑转率最好控制在略小于S0的一个小区域内（图1-1中阴影区域），以便充分发挥驱动轮的牵引能力，同时又能保证车辆一定的侧向稳定。若以驱动轮的纵向滑转率S0作为被控目标变量，那么控制汽车驱动轮过度滑转实质上就是调节驱动轮实际纵向滑转率与目标纵向滑转率（阴影区域）之间的差值，并使之趋近于0。驱动防滑系统ASR通过监测车轮运动状态，根据驱动轮打滑情况调节减小控制施加到其上的驱动力矩，从而将驱动车轮滑转率控制在最佳范围之内，在得到良好的纵向附着系数的同时也得到较大的侧向附着系数，保证车辆在任何路面上都能获得最佳的牵引通过性和行驶稳定性【4】、【5】。1.2本文研究的意义1.2.1过度滑转的危害驱动滑转与制动防抱死的机理类似，危害也类似。只不过制动过程往往与交通事故联系比较紧密，给人的印象较深，驱动滑转的危害不太被人认识。一方面驱动轮过度滑转会降低汽车起步和加速能力。车轮完全滑转时的附着系数小于峰值附着系数，尤其在比较光滑的路面上，相差比较大，因此驱动轮会影响汽车在冰雪路面上的起步或加速能力。另一方面驱动轮过度滑转会破坏汽车行使时的方向稳定性。对于前轮驱动的汽车，驱动轮的滑转会使汽车丧失转向能力，对于后轮驱动的汽车，驱动轮的滑转，在一定条件下会使汽车侧滑、甩尾，严重的会产生急转，甚至翻车。当汽车以较高的车速在光滑或潮湿的路面上转弯行驶时，如果后轮驱动力过大，造成车轮滑转，则汽车在离心力的作用下就会侧滑，侧滑的结果与离心力构成正反馈，形成恶性循环。因此汽车后轮滑转为不稳定工况，危害很大。当汽车行驶在对开路面时，两驱动轮的附着系数不同，有时甚至相差过大。除了影响起步加速能力外，汽车行驶时的方向稳定性更加不容易控制。这就要求我们采用适当的方式来加以控制。1.2.2 ASR的作用ASR在汽车驱动加速时发挥作用，以获得尽可能高的加速度，使驱动轮的驱动力不超过轮胎与地面的附着力，以防止车轮滑转，从而改善汽车的操纵稳定性及加速性能，提高汽车的行驶平顺性。有专家认为在一定的范围内ASR等装置有取替4轮驱动的可能。例如轿车，过去人们认为提高轿车行驶性能最好是采用4轮驱动，可是与4轮驱动相比，ASR等装置更适合轿车。这是因为4轮驱动结构复杂成本高，增加车重而且耗油，而ASR等装置结构简单安装方便，在一般城镇道路上使用效果并不差。另外，装备有驱动防滑转系统的汽车在对开路面上行使时，可以对处于低附着系数路面的驱动车轮施加一定的制动力矩，使处于高附着系数路面的驱动车轮产生更大的驱动力。1.3ASR系统的控制途径如何将驱动轮在弱附着系数路面上滑转率控制在最佳范围内，以保证汽车的起步加速性及行驶稳定性，从控制手段上看，汽车驱动防滑控制主要有三种控制方式。1.3.1发动机输出转矩调节汽车根据其驱动车轮的滑转率，即车轮转速传感器，把信号送到ECU，由此控制其油门开度、点火正时、混合气浓度与数量来控制其发动机输出转矩，进而控制其车轮转矩，从而使车轮滑动率得到控制，并完成驱动轮的正确牵引力分配。主要调节方式有：控制燃油喷射、点火时间及对节气门的调节控制等。发动机输出力矩调节是最早应用的驱动防滑控制方式，它在附着系数较小的冰雪路面上或在高速下，驱动轮发生过度滑转时，该控制方式十分有效。而它的响应较慢，而且只能同时对所有驱动轮的驱动力矩进行调节，主要用于提高汽车行驶方向的稳定性，对加速或爬坡中提高牵引力效果不大。另外，仅依靠调节发动机输出力矩不能解决汽车在对开路面上起步加速问题。1.3.2驱动轮制动力矩调节驱动轮制动力矩调节就是在发生打滑的驱动轮上施加制动力矩，使车轮转速降至最佳的滑转率范围内。制动力矩调节一般与发动机输出力矩调节结合起来应用，即干预制动后要紧接着调节发动机输出力矩，否则可能出现制动力矩之间无意义平衡引起的功率损耗。制动力矩调节的主要功能是部分控制差速器作用。当两车轮处在对开路面上时，普通轮间差速器由于平均分配转矩的特点，使处在好路面上车轮的附着力不能充分发挥，从而导致牵引力不足。此时，可以对滑转车轮施加制动力矩，以增加好路面上车轮的牵引力，从而提高车辆的牵引性。因制动力矩直接作用在驱动轮上，所以驱动轮制动力矩调节的响应时间较短，但作用时间不宜过长，以免摩擦片过热。考虑到舒适性，制动力矩变化率不宜过大。1.3.3离合器或变速器控制离合器控制是指当发现汽车驱动轮发生过度滑转时，减弱离合器的结合程度，使离合器主、从动盘出现部分相对滑转，从而减小传输到半轴的发动机输出力矩；变速器控制是指通过减小传动比的办法来调节驱动轮的驱动力矩，从而减小驱动轮滑转程度的一种驱动防滑控制方式。由于离合器和变速器控制反应较慢，变化突然，所以一般不作为单独的控制方式，而且由于压力和磨损等问题，其应用也受到很大的限制【3】、【5】、【6】。1.4 ASR系统的控制策略1.4.1 PID控制PID（比例、微分、积分）控制是连续系统中技术成熟，应用广泛的一种控制方法。其最大优点是不需了解被控对象的数学模型，只要根据经验进行调节器参数在线整定，即可取得满意的结果。实际控制中，可将实际车轮滑转率与理想的车轮滑转率构成的误差，由PID控制器算法算出控制牵引力值并反馈给发动机或制动器，从而调节发动机输出扭矩或者制动器制动力，使车轮滑转率接近或等于理想滑转率。这种方法的不足之处是对被控对象参数变化比较敏感。1.4.4模糊控制模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法。模糊控制的基础是模糊数学，实现手段是计算机。美国加州大学电气工程系L.A.Zadeh教授在1965年发表的Fuzzy Set论文中首次提出了表达事物模糊性的重要概念隶属函数，突破了经典集合理论的局限性，奠定了模糊理论的数学基础。1966年，P.N.Marinos发表了模糊逻辑的研究报告，这一报告真正标志着模糊逻辑的诞生，为计算机模仿人的思维方式来处理普遍存在的语言信息提供了可能。1973年L.A.Zadeh又提出了用模糊语言进行系统描述的方法，给出了模糊推理的理论基础，为模糊控制提供了有效的手段。1974年，英国的E.H.Mamdani和他的学生在Queen Mary学院首次用模糊逻辑和模糊推理实现了蒸汽发动机的模糊控制实验，宣告了模糊控制的问世。模糊逻辑最重要的性质之一，就是静态模糊系统同启发式规则相结合，从而具备了解决不确定问题的能力。它首先将精确的数字量转换成模糊集合的隶属函数，然后根据控制器制定的模糊控制规则，进行模糊逻辑推理，得到一个模糊输出隶属函数，最后根据推理得到的隶属函数，用不同的方法找出一个具有代表性的精确值作为控制量，加到执行器上实现控制【7】。1.5本文研究的主要内容控制理论目前已越来越多的在汽车领域得到应用，ASR系统就是其中一个典型的例子。由于ASR系统对于汽车行驶性能方面有着显著的作用，因此，国内外很多科研机构都对这一系统的控制问题展开了研究。本文将参照国内外在这一领域的一些先进技术，提出自己的研究方案。这里主要是针对汽车在平直对开路面起步和直线加速阶段，从以下几个方面作以研究：（1）研究ASR系统的工作实质，即ASR系统是如何通过控制滑转率来优化汽车的起步和防止汽车行驶中出现滑转现象。选取仿真环境为左右轮分别为高附着和低附着的对开路面直线驱动，这个时候，由于未对车轮的加速进行控制，因此理论上会出现车轮滑转率偏大、汽车行驶方向偏移的情况，得出未加入ASR各种调节方式时的车轮实际速度、车轮目标速度、车轮滑转率、汽车偏移角度等仿真曲线图。（2）研究ASR系统的驱动轮制动控制控制调节方式，建立驱动轮制动控制系统的Simulink数学模型。设计对开路面的选通控制逻辑，即在起步加速阶段，当某一驱动轮或两个驱动轮发生滑转时，ASR制动控制系统根据两个轮各自的附着系数情况加入适当的制动力，保证车辆获得尽可能高的加速度。（3）选取左右附着系数不同的对开路面直线驱动为仿真环境，应用PID、模糊控制等控制算法建立相应控制器对驱动轮制动系统进行调节，分别得出加入制动控制调节方式之后的车轮实际速度、目标速度和滑转率，与未加入控制器时的仿真曲线作出比较，分析加入控制器之后对汽车的驱动效果所产生的影响。并通过对比两种不同的控制算法的仿真曲线，总结出两个控制算法的优劣。第二章 驱动防滑控制系统的数学模型2.1引言汽车系统是一个复杂的机械系统，很难准确建立汽车驱动过程的数学模型，但可以通过对汽车驱动过程的进行机理辨识，受力分析，建立合理的近似数学模型，辨识系统的特性。通过计算机仿真系统模拟汽车的特性，进行仿真研究。 本文所包含的模型有动力传动系模型、制动器模型，其中动力传动系模型又包括发动机模型、传动系模型、轮胎模型【8】。2.2 ASR系统数学模型的建立2.2.1动力传动系模型汽车动力传动系包括发动机、离合器、变速箱、分动器、传动轴、主减速器、半轴和轮胎等，为了尽可能简化系统的数学模型，而有能反映出系统的运动特性，对动力传动系做如下假设：（1）各部件均以集中质量形式存在；（2）不考虑各相关件的弹性阻尼；（3）忽略扭振、摆振等振动的影响；（4）离合器、变速箱、传动轴和半轴只起传递扭矩的作用；发动机为柴油发动机，差速器为对称式锥齿轮差速器。下边分别建立发动机模型、传动系模型和轮胎模型【9】。1 发动机数学模型发动机模型是由发动机MAP曲线确定的，与驱动系统有关的MAP曲线是发动机的输出扭矩，通常是由点火提前角，发动机转速及进气压力计算出来的。为了简化，采用进气节流阀开度和发动机转速作为决定发动机输出扭矩的参数。这样便于实际测试数据，用函数表达为式中:Me发动机输出力矩；n发动机转速；a发动机节气门开度。由于这一函数关系很难建立准确的物理模型，而且不同发动机的输出数据关系相差较大。一般是采用试验的方法测量Me，n，a数据。根据节气门开度a的变化，可以采用数据拟合方式将这些数据拟合成一组组一维多项式表达，例如:式中:Mi某一节气门开度的输出力矩;a0，a1，a2，a3方程拟合系数。发动机的瞬态输出力矩，可以采用插值的方式来决定，根据试验数据求出Mi拟合方程，再由插值确定节气门开度所利用的方程，这样就确定出最终的输出力矩。2传动系数学模型半轴作用于驱动轮的转矩是发动机转矩经传动系传递作用于驱动车轮上的转矩。汽车加速时，发动机的旋转质量(主要指飞轮)也相应有一角加速度，与驱动轮角加速度之间的关系可由下式来决定：式中: 变速器传动比；主减速器传动比。显然：式中：飞轮的转动惯量；发动机转矩。所以：所以作用在驱动轮上的实际驱动力为：3轮胎数学模型轮胎与地面之间的相互作用力与滑转状态、侧偏角、垂直载荷、轮胎刚度以及地面种类有关，轮胎模型则以数学函数描述了地面对轮胎的作用力。硬地面上一般采用理论模型或经验公式计算轮胎附着力【10】。本文研究的是对开路面情况下的仿真分析，而硬地面转向驱动汽车轨迹则由地面与轮胎纵向和侧向附着力决定，选择GIM轮胎模型。轮胎与地面的静摩擦特性特征值： 驱动轮 非驱动轮式中：为车轮纵向滑转率取100时，车轮与地面间沿车轮动坐标系轴方向的纵向附着系数；为车轮与路面的静摩擦系数。车轮沿车轮坐标系轴方向的纵向滑转率： 驱动轮 非驱动轮 车轮沿车轮坐标系轴方向的侧向滑转率： 驱动轮 非驱动轮轮胎与地面的联合附着系数： 驱动轮 非驱动轮轮胎与地面间沿轴、轴方向的纵向和侧向附着系数分别为：令轮胎与地面接触区的滚动和转动的临界点为： 驱动轮 非驱动轮GIM理论轮胎模型中间变量：则轮胎与地面间沿轴纵向附着力： 上面两式为驱动轮，下式为非驱动轮：轮胎与地面间沿轴侧向附着力：2.2.2制动器数学模型制动器模型用于计算汽车各个车轮在一定条件下所输出的制动力矩。制动器制动力矩可由如下公式算出：式中：分泵气压管路压力(Mpa)；：推出制动蹄使之于制动鼓接触的压力损失(推出压耗)(Mpa)；：分泵效率；R：制动鼓半径(m)；i：左驱动轮和右驱动轮。由于鼓式制动器的推出压耗一般为管路压力的几十分之一，可以忽略不计，则上式可以写成：其中为一常数，对于常规制动，气压管路压力为：上式中：踏板力（）；：踏板机构传动比；：踏板杆系至总泵的效率；：总泵工作面积()【11】。2.3 本章小结本章建立了驱动防滑系统中的所用数学模型为后面建立驱动防滑系统的Simulink仿真模型打下基础。第三章 ASR系统的控制算法研究3.1引言由第一章1.1.3节所示，ASR系统的核心控制思想就是控制打滑车轮的滑转率S，以便充分发挥驱动轮的牵引力，同时又能保证车辆一定的侧向稳定，若以驱动轮的实际滑转率作为被控目标变量，那么控制汽车驱动轮过度滑转实质上就是调节驱动轮实际滑转率与目标滑转率0.1之间的差值，并使之趋近于0。本章针对汽车驱动防滑（ASR）系统采用PID及Fuzzy PID控制方法进行控制算法研究。3.2 PID控制算法PID控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自20世纪30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它具有结构简单、参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。在应用计算机实现控制的系统中，PID控制很容易通过计算机语言编写程序实现，由于软件系统的灵活性，PID控制算法可以得到修正和完善，从而使数字PID控制具有很大的实用性。PID控制主要是基于系统的误差,它的控制性能依赖于PID控器的三个参数以及对系统模型的数学模型的精确性。PID控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统的给定值r与实际输出值y构成的控制偏差e =r -y的比例、积分、微分，通过线形组合构成控制量（如图31所示），所以简称P（比例）I（积分）D（微分）控制器。图3-1 PID控制算法原理框图连续控制系统中的模拟PID控制规律为： 式中，为控制器的输出，为系统给定量与输出量的偏差，为比例系数, 为积分时间常数，为微分时间常数。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，比例调节器、积分调节器和微分调节器的作用如下：1比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，比例调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数可以减小静差，但过大，会使系统得动态特性变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。2比例积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调解。积分调节具有累加成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数大，则积分作用弱，反之强。增大将减慢消除静差的过程，但可以减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。3比例积分微分调节器：为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋势进行调节，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定【12】。3.3模糊PID控制算法3.3.1模糊控制系统概述1模糊控制基本思想：模糊控制是模糊集合理论中的一个重要方面，是以模糊集合化、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，从线性控制到非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴。模糊控制是建立在人类思维模糊性基础上的一种控制方式，模糊逻辑控制技术模仿人的思考方式接受不精确不完全信息来进行逻辑推理，用直觉经验和启发式思维进行工作，是能涵盖基于模型系统的技术。它不需用精确的公式来表示传递函数或状态方程，而是利用具有模糊性的语言控制规则来描述控制过程。控制规则通常是根据专家的经验得出的，所以模糊控制的基本思想就是利用计算机实现人的控制经验。2模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理框图如图3-2所示.图3-2 模糊控制基本原理框图模糊控制器是控制部分的核心，如图3-2线框中所示，其控制规律由计算机的程序实现。控制算法的过程为计算机经过采样获得控制量的参数精确值，然后将此量与给定值比较得到误差E，把误差信号E进行模糊化处理变成模糊量。误差E的模糊语言集合的一个子集为（模糊矢量），再由和模糊控制规则（模糊算子）根据模糊决策，得到模糊控制量。为了被控对象的精确控制，需要将模糊量转换为精确量，经输出接口转换为模拟量送给执行机构，实现了被控对象的模糊控制。模糊控制算法的处理过程为：根据本次采样得到系统的输入量；将输入变量的精确值变为模糊量；根据输入模糊量和模糊控制规则，进行模糊判断计算输出模糊量；将得到的模糊量经过计算得到执行机构的控制量。模糊控制器的设计内容主要包括：确定控制器的输入变量和输出变量；设计模糊控制器的控制规则；确定模糊化和非模糊化的计算方法；选择模糊控制器的输入/输出变量的值域并确定控制器的参数;编制模糊控制算法的应用程序并进行调试等。3.3.2 Fuzzy PID控制器的结构组成PID控制虽然算法简单，可靠性高，但缺乏自适应性，由于汽车行驶始终处于变化的路面条件下，恒定的PID控制参数难以满足全工况下系统性能要求，从而影响了其控制效果的进一步提高。而模糊控制可以充分利用人的经验知识，对PID控制参数实时的进行整定，结合二者优点。控制结构图如下：图3-3 模糊PID控制框图这里采用二维模糊控制器，设滑转率误差为e=S0-S其中S0为目标滑转率，S为实际滑转率；滑转率误差变化率为ec，则模糊控制器的输入语言变量是滑转率误差E和其误差的变化率Ec，模糊控制器输出的参数不是直接作为PID控制器的KP、KI和KD，而是作为修正量对原有PID控制器的模型进行在线调节，以适应多变的路面状态。定义KP、KI和KD参数调整算式如下：式中、是PID控制器的参数，、是、的初始参数，它们通过常规方法得到。在线运行过程中，通过微机测控系统不断的检测系统的输出响应值，并实时的计算出偏差和偏差变化率，然后将它们模糊化得到E和EC，通过查询Fuzzy调整矩阵即可得到、三个参数的调整量、，完成对控制器参数的调整【13】。3.3.3参数自整定思想模糊自整定PID控制首先选择三个参数的初始值、，接下来找出比例系数、积分系数和微分系数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数的增量进行在线修改，以满足在不同e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象具有良好的动、静态性能。一般来说，PID控制器的结构和算法已经确定，控制品质的好坏主要取决于控制参数选择是否合理。通常，不同的偏差e和偏差变化率ec，对PID控制参数、的整定要求不同：（1）当e较大时，为了加快系统的响应速度，取较大的，但为了避免由于开始时的偏差e的瞬时变大可能出现的微分饱和而使控制作用超出许可的范围，应取较小的；同时为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，要求取小值，一般取0。（2）当e和ec为中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，应取较小值，取值要适中，在这种情况下的取值对系统的影响较大，取值要大小适中以保证系统的响应速度。（3）当e较小时，为使系统保持良好的稳态性能，应增大、的值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，当ec较小时，可取值大些；当ec较大时，应取值小些【14】。3.3.4模糊控制规则的设计模糊控制规则实质上是人们对于一个受控对象实施控制过程的经验总结。其输入量e、ec是人们所观察到的受控对象对于某种物理量的偏差、偏差变化率的大小的模糊量。输出量是人们根据输入量的大小，以往经验的总结所给予受控对象的干预量大小。1 模糊集合、量化与比例因子、论域的确定：（1）根据输入变量e、ec和、的取值范围和系统的要求，把ec、模糊化为7个等级，它们的模糊集均为：NB ,NM ,NS ,ZO ,PS ,PM ,PB为了提高稳态精度，滑转率偏差e模糊化为8个等级，其模糊集为：NB ,NM ,NS ,NO ,PO ,PS ,PM ,PB（2）输入输出变量的变化范围和变量论域不是同一概念，而量化与比例因子分别是是它们之间转换的桥梁，将实际变化范围内的输入输出值转换成为论域范围内的有关等级值，这一过程叫做模糊化与反模糊化过程。量化与比例因子的选取对于控制系统非常重要，它将直接影响控制系统的性能，根据输入输出变量的变化范围和控制系统的性能适当选取量化与比例因子。（3）取e、ec的论域为，控制量、的论域为，并通过量化与比例因子的转换将e、ec、的变化范围转到各自的模糊论域上。2确定模糊变量的赋值表及其隶属度与函数模糊变量误差E、误差变化EC及控制量、的模糊集和论域确定后，须对模糊语言变量确定隶属度函数，即所谓对模糊变量赋值，就是确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。模糊变量E、及EC及、的赋值分别如表3-1、3-2及3-3所示，它们是根据不同对象的实际情况具体确定的。表3-1 模糊变量误差E的赋值表ue-6-5-4-3-2-1-0+0+1+2+3+4+5+6EPB00000000000.10.40.71.0PM000000000.10.40.71.00.70.4PS000000000.51.00.5000PO