基于PID的汽车定速巡航控制系统的研究

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基于PID的汽车定速巡航控制系统的研究

摘要：随着汽车工业和公路运输业的发展，汽车会越来越普及，人们将需要更加

舒适、简便和安全的交通工具。汽车巡航控制系统是一种辅助驾驶系统，它不但

可以减轻驾驶员的负担，还可以提高驾车的舒适性。汽车巡航控制系统具有非线

性、时变不确定性，并受到外界扰动、复杂的运行工况等影响，采用传统PID控

制很难取得满意的效果，本文介绍了一种基于模糊PID控制算法的汽车巡航控制

系统。

本文首先阐述了汽车巡航控制系统的历史背景、在国内外的研究应用现状及

其发展趋势，并详细介绍了巡航控制系统的构成。通过对一种采用闭环控制的巡

航控制系统进行分析，阐述了巡航控制系统的控制原理。

然后，本文对汽巡航控制系统进行了简要的分析，将模糊PID控制方法作为

其控制方案，并设计出系统的模糊控制器。以轿车为对象，分析了汽车在行驶过

程中的驱动力及受到的各种阻力和干扰力，并建立起汽车纵向动力学模型。利用

MATLAB建立了系统的仿真模型，并对汽车巡航控制系统进行了仿真和分析。由仿

真结果可知，模糊PID控制方法能使系统相应的超调减小、反应速度加快、控制

效果良好，是一种适用于汽车巡航控制系统的控制方法。

论文的内容是基于传统的汽车巡航控制系统，对现有的PID控制进行完善

和优化。发挥模糊控制的优势对现有的汽车巡航控制系统进行改进，令控制过程

具有一定的智能水平。有助于提高巡航控制的效果，减少车速变化，最大限度节

省燃料，降低排气污染，提高发动机的使用效率，改善汽车动力性和乘坐舒适性。

最后利用MATLAB软件中的模糊逻辑工具箱对系统的设计进行仿真，验证系统设

计的可行性，观察模糊控制的效果，并对部分基础电路进行设计。通过仿真结果

分析得出平均巡航响应时间加快了15.9秒，响应超调量平均减小了15.02%。有

助于模糊控制在汽车巡航系统中应用的普及。

关键词: 巡航控制系统; MATLAB; 模糊PID; 仿真

基于PID的汽车定速巡航控制系统的研究

Research on Automobile Cruise Control System

Based on DSP

Abstract：With the development of automobile industry and carrying trade，

automobile will be more and more widespread．More comfortable，more convenient

and safer vehicle will be needed．Automobile cruise control system，which not only

could relieve the drivers’ burden but also could make the driving comfortable，is a

kind of accessorial driving system．Cruise control system has high nonlinearity and

non-determinacy with time changing．And CCS，which is effected by some factors

such as external load disturbers and complicated running modes，will not have a good

running effect with the traditional PID contr01．A kind of CCS which is based on

Fuzzy PID control is introduced in the thesis．

First，the background of cruise control system and its status and developing

trend is expatiated on in the dissertation．The composing of CCS is also introduced in

detail．The principium of CCS is described by analyzing a kind of closed loop

system．

After analyzing the cruise control system briefly, Fuzzy-PID is confirmed as the

control method of the system．Then the Fuzzy PID controller is designed．As the

object is a car, the thesis analyzes the resistances and disturbs while the car’s

running．And the automobile dynamics model is given．After setting up the model by

means of MATLAB，the result is analyzed．From the result，we may know that Fuzzy

PID control could make the overshoot smaller and the response time shorter．The

effect of Fuzzy PID method is given，SO it is a suitable method for CCS．

Paper is based on the traditional automobile cruise control system, improved and optimized the PID control. Play to the advantages of fuzzy control to improve the

existing vehicle cruise control system, so that the control process has some

intelligence. Cruise control will help to improve the effectiveness and reduce the

speed of change, the maximum fuel savings and reduce exhaust pollution, improve

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engine efficiency, improved vehicle power and comfort. Finally, use the Fuzzy Logic

Toolbox in MATLAB software to simulate the design of the system, to verify the feasibility of the system design, observe the effect of fuzzy control, and design some basic circuit. By analysis the simulation results, the average cruise speed up response

time of 15.9 seconds, average response overshoot reduced 15.02%. Help of fuzzy

control application in the automobile cruise control system in popularity.

Keywords:

cruise control system ; MATLAB ; Fuzzy PID; simulation

基于PID的汽车定速巡航控制系统的研究

目 录

1 绪 论 ........................................................... 1

1.1 引言 ........................................................ 1

1.2 汽车巡航控制系统的历史背景和研究现状 ........................ 1

1.2.1巡航控制系统的历史背景 .................................... 1

l.2.2巡航控制系统的国内外研究和应用现状 ........................ 2

1.3 巡航控制系统的发展趋势 ...................................... 3

1.4 课题来源及主要研究内容 ...................................... 4

2 巡航控制系统的组成和工作原理 .................................... 4

2.1 巡航控制系统简介 ........................................... 4

2.2 汽车巡航控制系统的组成与工作原理 ............................ 6

2.2.1 CCS的组成部件 ........................................... 7

2.2.3 CCS ECU................................................... 8

2.3 巡航控制原理 ................................................ 9

3 巡航控制系统的建模仿真 ......................................... 10

3.1 采用模糊控制的原因 ......................................... 10

3.2 模糊控制的特点 ............................................. 11

3.3 模糊控制对汽车巡航控制系统的积极作用 ....................... 12

3.4 模糊控制器的设计 ........................................... 13

3.4.1 定义输入语言变量......................................... 13

3.4.2 定义输出语言变量......................................... 14

3.4.3 提出模糊控制规则......................................... 14

3.4.4 规则表的建立............................................. 16

3.5 模糊PID控制系统的设计 ..................................... 17

3.6 模糊PID控制系统的软件仿真 ................................. 20

3.6.1 MATLAB软件简介 .......................................... 20

基于PID的汽车定速巡航控制系统的研究

3.6.2 SIMULINK简介 ............................................ 21

3.6.3 模糊逻辑仿真工具箱简介.................................. 21

3.7 仿真模型的建立 ........................................... 22

3.7.1 汽车动力仿真模型的建立 ................................. 22

3.7.2 PID控制器仿真模型的建立 ................................. 23

3.7.3 利用模糊逻辑工具箱建立模糊控制器......................... 24

3.7.4 仿真结果分析............................................. 30

结 论 ........................................................... 33

参考文献 ......................................................... 35

谢 词 ........................................... 错误！未定义书签。

基于PID的汽车定速巡航控制系统的研究

1 绪 论

1.1 引言

随着汽车工业和公路运输业的发展，汽车将走进千家万户，驾驶人员非职业

化的特点将突出，车辆驾驶的自动化己成为汽车发展的主要趋势。跨入二十一世

纪，人们需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快捷的生活节奏，因此

对汽车的智能化要求更加迫切，随着计算机和电子技术的不断发展，性价比不断

提高，为汽车的自动化提供了雄厚的物质基础，汽车实现智能化已不是梦想。车

辆自动变速器及其控制技术是智能汽车非常重要的内容。是汽车辅助驾驶系统和

自动驾驶系统的基础，是目前我国智能汽车发展必须解决的核心技术之一。

此外，随着我国高速公路网建设纵横迅速延伸，自动巡航控制也具备了广泛

的发展和应用前景。科技的发展使相应电子技术在汽车上应用得越来越广泛，汽

车电子化程度越来越高，特别是微控制器进入汽车控制领域后，给汽车发展带来

了划时代的变化，汽车的动力性、操作稳定性、安全性、燃油经济性、对环境的

友好性都得到了大幅提升。在大陆型国家，驾驶汽车长途行驶的机会较多，而且

在高速公路上行驶时变换车速的频率及范围都较少，能以较稳定的车速行驶。

汽车巡航控制系统CCS(Cruise Control System)是汽车电子技术新装置之

一，它实际上就是一种辅助驾驶系统。采用汽车巡航控制系统后，当车辆在高速

公路上长时间行车时，驾驶员就不用再去控制油门踏板，这减轻了驾驶员的负担，

从而减少或避免了交通事故的发生；同时减少了不必要的车速变化，使汽车的燃

料供给与发动机之间处于最佳的配合状态，可以最大限度地节省燃料，降低排气

污染，提高发动机的使用效率。采用汽车巡航控制系统是提高汽车的动力性能和

乘坐的舒适性的主要方法之一。本文主要采用节气门的方法来研究汽车的定速巡

航控制系统。

1.2 汽车巡航控制系统的历史背景和研究现状

1.2.1 巡航控制系统的历史背景

汽车巡航控制系统发展至今已有四十多年的历史，它经历了机械控制系统、

晶体管控制系统、模拟集成电路控制系统和微机控制系统等几个过程。

与模拟技术相比，数字系统的突出特点是系统的信号量以数字表示，受工作

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温度和湿度的影响较小，因此数字控制具有更高的稳定性。汽车巡航电子控制器

采用先进的大规模或超大规模集成电路技术做成专用模块，也可在微机上编程实

现。当汽车上其它系统已有微机控制时，只要修改一下程序便可将此功能附加上

去，因而可节省昂贵的系统硬件开支。

l.2.2 巡航控制系统的国内外研究和应用现状

目前国外很多专家都在研究自适应巡航控制系统(ACC：Adaptive Cruise

System),也称智能巡航控制系统(ICC：Intelligent Cruise Control System)。

自适应控制系统属主动安全技术，它是传统的速度巡航控制系统的发展和改进。

这种巡航控制系统主要由探测器/传感器、控制器、执行机构、人机接口、失效

保险装墨五个子系统组成，其拓扑结构如图1.2所示

图1-1 自适应巡航控制系统的拓扑结构

它将汽车自动巡航控制系统和车辆前向撞击报警系统(FCWS：Forward

Collision Warning System)有机地结合起来，既有自动巡航功能，又有防止前

向撞击功能。当道路情况良好时，该系统就是普通的巡航控制系统，可以按设定

车速巡航行驶；当另一辆车进入到装置的自动测量范围时，系统根据雷达传感器

探测到与前方车辆的相对距离和速度，控制车辆的油门和刹车，从而使本车与前

方车辆保持一定的距离。如果前方车辆从测量范围内消失，ACC将自动恢复原来

的车速。该系统可降低62％的追尾事故，采用该系统可有效地提高驾驶员的舒适

性，减少因长时间驾驶带来的疲劳的负担。

基于自适应巡航控制系统，国外很多专家开始了一种半自主式巡航控制系统

的研究。此种巡航控制系统能够很快地应用于公路上，同时能够保持人工操纵和

自适应巡航控制系统的共存。其研究的理论结果表明，此种控制具有更高的控制

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精度和更强的控制鲁棒性。综合利用仿真、分析和实验结果对人工驾驶和具有自适应控制系统的汽车进行了比较，从而得到的数据和信息可以知道，具有巡航控制系统的汽车能对驾驶员提供重要的辅助作用，对行驶安全性提供了一种主动安全技术。

目前我国的自动巡航控制装置仍处于研制阶段，具有自主知识产权的产品还未见报道。由于国内汽车研究起步较晚，技术相对落后，并且就目前我国公路状况和实际应用来说，对汽车巡航控制系统的研究应用主要是以单车定速控制为主。目前，模拟汽车定速控制器在我国已经投入生产和使用。该系统是一种机电式汽车巡航控制系统，由于其自动对发动机的油门进行控制，使发动机自动变速，能节省燃油5％以上，并使驾驶员在驾驶时不用踩油门，减轻了驾驶员的驾驶疲劳度。然而该机电式巡航控制装置虽然结构简单，却有控制精度不高，稳定性不强等特点。本文章设计的是局部自动的定速巡航控制系统。

1.3 巡航控制系统的发展趋势

自20世纪70年代起，各大汽车厂家都争相研制汽车巡航控制系统并将其装在较高级的轿车上。到了20世纪80年代中末期，由于微处理器在汽车上的广泛应用和高速公路建设的迅速发展，使得它更加完善。从上世纪末起，包括目前展出的21世纪汽车，该系统真可谓日臻完善，系统电路集成化水平提高，控制模块体积精巧，多路传输系统日渐成熟，自检系统更准确有效。

总的来说，汽车巡航控制系统的发展主要以下面几个方向为主：

1．新控制理论的应用 车辆的行驶状况受到成员的多少、发动机输出的变化因素等影响。驾驶者需要更平顺的驾驶感觉和更自然的速度控制，以传统的控制理论为基础，又引入了新的控制理论。目前，模糊控制等新理论已不断得到应用。

2．联动控制、复合控制 目前，巡航控制装置是独立式的，要求在控制中提高灵敏感度、响应性和精度。为此，需要发动机控制用计算机、变速控制用计算机进行联动控制，使这些计算机形成一体化的复合控制。

3．小型化、智能化 计算机、执行组件更趋小型化、一体化，并向智能型发展。

4．追踪行驶控制 现在巡航稳定行驶装置分别利用加速、减速、恢复车速、

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消除等开关自由控制车速，但往往在道路交通混杂的情况下，当车辆接近时不便于进行减速，而车辆拉开距离时又不便于加速。为了解决这一问题，向前方车辆发射毫米波(30～300GSz)，利用雷达测定与前方车辆之间的距离，并隔开一定的距离追踪行驶。车载雷达不仅可以利用毫米波雷达，而且还可以利用激光。目前，已对此提出方案，即目前国外很多专家在研究的自适应巡航控制系统。

5．走停控制 现在对巡航控制系统的研制和开发主要针对的是在高速公路上高速行驶的车辆，而不适用于在城市中低速、高车流密度情况下使用，走停控制正是系统针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展，这要求巡航控制系统不但具有更好的近距离探测能力，更快的信号处理功能和更迅速的系统反应，同时还向系统提出了增加车辆自动起步的功能。这样即使在堵车的情况下也无须驾驶员参与，只需操纵车辆的转向即可。驾驶员可以完全从繁琐的驾驶操作中解放出来。

1.4 课题来源及主要研究内容

尽管世界上对汽车巡航控制系统的研究和开发已有几十年的历史，也取得了很多研究成果，但是巡航控制系统是一个控制难度较大的系统。要取得更好的控制效果，使装有巡航控制系统车辆具有更好的性能，还需要对其控制方法和技术进行深入地研究。鉴于目前国内汽车巡航控制系统的研究现状，本课题的主要研究内容是：

1．研究并掌握汽车巡航控制系统的原理，对其可行性和必要性进行分析，并对巡航控制系统进行总体设计。

2．根据巡航控制系统的功能和原理，确定汽车巡航控制方案。建立出汽车动力仿真模型，进行系统仿真并对仿真结果进行分析。

3．设计出汽车巡航控制系统的硬件电路，并根据系统的实际运行情况、系统的控制方法及硬件等条件设计出系统的软件。

4．搭建巡航控制系统实验平台，在所设计软件和硬件的基础上对系统进行调试，并对实验结果进行分析。从而通过实验验证系统的合理性、可靠性和实用性等。

2 巡航控制系统的组成和工作原理

2.1 巡航控制系统简介

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汽车巡航控制系统，根据其特点又被称为巡航行驶装置、速度控制(Speed Contr01)系统、自动驾驶(Auto-Drive)系统等。目前，汽车巡航控制系统分为巡航控制和自适应巡航控制两大类，后者是前者功能的延伸和扩展。

汽车巡航控制系统是最早开发的汽车电子控制系统之一，其作用是：在按下驾驶员所要求的速度闭合开关之后，不用踩油门踏板就可以自动地保持车速，使车辆以固定的速度行驶。在汽车行驶的过程中，驾驶员只要把住方向盘就可以了。在巡航控制期间，随着道路坡度的变化以及汽车行驶中所可能遇到的阻力，车辆自动变换油门开度或自动进行挡位转换，以按存储在微机内的最佳燃料经济性规律或动力性规律稳定行驶。

巡航控制系统在飞机上的应用显示出了其无可比拟的的优点。上个世纪50年代末开始在汽车上应用，并很快受到青睐。目前在美、日、德、法、意等汽车大国发展、普及很快，尤其是近几年来世界各国高速公路的通车里程增多，扩大了汽车巡航控制系统大显身手的空间。汽车巡航控制系统在大陆型国家更具有使用价值。

汽车巡航控制系统一般设有如下功能：

基本功能：

（1)车速设定功能

当车辆在高速公路上行驶时，如果路面质量好，没有人流、分道行车，无逆向行车，适宜以较长时间稳定运行时，驾驶员可通过巡航系统设定一个稳定行驶的车速，使其不用控制节气门和换挡，汽车就能一直以这一车速稳定行驶。

（2)恢复功能

当司机处理好情况后，根据路面车流情况在判断出又可稳定运行后，可使汽车自动按着上一次设定的车速恒速行驶，驾驶员也可重新设定巡航车速。

（3)取消功能

当踩下制动踏板或者按下“取消"键时，则立即退出巡航状态。但是，如果其行驶速度大于最小设定车速，则退出之前设置的速度继续保存，供巡航控制系统随时调用。

（4）加速、减速功能

车辆处于巡航行驶状态时，可对设定车速进行加速和减速的操作，从而改变其

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巡航车速。

故障保险功能：

1)低速自动消除功能

当车速低于低速极限(一般为40km／h)时，巡航控制不起作用，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。

2)有关开关消除功能

除了踩制动踏板有消除功能外，当按住车制动开关、离合器控制开关或者变速器挡位开关时，巡航车辆都将自动地消除巡航控制功能。

综合汽车巡航控制系统的功能和作用，其具有以下几个优点：

1)提高汽车行驶的稳定性、安全性和舒适性

巡航控制系统保证了汽车无论是在上坡、下坡、平路上行驶，或是在风速变化的情况下行驶，只要在发动机功率允许的范围内，速度都可保持不变。特别是在郊外或者高速公路上行驶时，这种优越性更为显著。另外，当汽车以定速行驶时，驾驶员只要掌握好方向盘，不用踩踏板和换挡就能使车辆定速稳定运行，这减轻了司机的劳动强度，可使驾驶员精力集中以确保行车安全。

2)减少磨损，延长寿命

汽车稳定定速行驶使其额外惯力减少，所以机件磨损减少，使车辆的寿命增加，故障减少。

3)具有一定的经济性和环保性

在同样的行驶条件下，对于一个有经验的司机来说，在使用巡航控制系统后可以节省15％左右的燃料。这是因为在使用了这一速度稳定器后，可使汽车的燃料供给与发动机功率之间处于最佳的配合状态，减少了CO、CH、NOx等有害气体的排放，有利于环保。

2.2 汽车巡航控制系统的组成与工作原理

CCS由信号输入装置、CCS ECU和执行器等组成，如图2-1所示。

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图2-1 CCS的组成

2.2.1 CCS的组成部件

（1）操作开关

操作开关用于设置巡航车速或将其重新设置为另一车速，以及取消巡航控制等，包括主开关、控制开关和退出巡航开关。

(2) 主开关

主开关(MAIN)是CCS的电源开关，采用按键方式。每次推入，系统电源接通或关闭。

(3) 控制开关

手柄式控制开关有5种控制功能，即SET(设置)、COAST(减速)、RES(恢复)、ACC(加速)和CANCEL(取消)。SET和COAST共享一个开关，RES和ACC共享另一个开关。

(4) 退出巡航开关

退出巡航开关包括取消开关、停车灯开关、驻车制动开关、离合器开关和空挡启动开关。任一开关接通时，自动取消巡航控制。当CCS取消的

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瞬间的车速不低于40 km/h时，该车速存储于CCS ECU中。当RES接通时，自动恢复最后存储的车速。

(5) 驻车制动开关。当拉起驻车制动操纵杆时，驻车制动开关接通，将取消信号传至CCS ECU。同时驻车制动指示灯亮。

(6) 空挡启动开关。当自动变速器换挡杆设置在P挡或N挡时，空挡启动开关接通，将取消信号传至CCS ECU。

(7) 离合器开关。当踩下离合器踏板时，离合器开关接通，将取消信号传至CCS ECU。

(8) 停车灯开关。由两个开关组成。踩下制动踏板时，两个开关同时工作。开关A闭合，电流经其流过停车灯开关，使停车灯亮。同时，蓄电池电压经过停车灯开关施加在CCS ECU上，使其判断制动器处于工作状态，ECU取消CCS工作，开关B断开，执行器得不到CCS ECU的信号，停止工作。

2.2.2 传感器

(1) VSS

VSS提供一个与汽车实际车速成比例的交变振荡脉冲信号，CCS ECU将此信号进行处理，计算得出当前车速。

(2) TPS

TPS对CCS ECU提供一个与节气门位置成正比的电信号。

(3) 节气门控制摇臂传感器

节气门控制摇臂传感器对CCS ECU提供节气门控制摇臂位置信号，目前采用较多的是滑线电位计式，当节气门控制摇臂转动时，电位计随之转动，便输出一个与控制摇臂位置成正比例且连续变化的电信号。

2.2.3 CCS ECU

CCS ECU由处理器芯片、A/D、D/A、IC及输出重置驱动和保护电路等模块组成，ECU接收来自车速传感器和各种开关的信号，按照存储的程序进行处理，当车速偏离设定的巡航车速时，对执行器发出控制信号，控制执行器工作，使实际车速与设定车速相一致。CCS ECU的组成如图2-2所示。

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图2-2 CCS ECU组成框图

2.3 巡航控制原理

汽车巡航系统是一个典型的闭环负反馈控制系统，其原理如图2-3所示

图2-3 汽车巡航控制原理图

CCS ECU的信号有2个，一是驾驶员根据行驶条件，通过巡航开关设定的巡航车速信号；二是车速传感器输入的实际车速反馈信号。当巡航设定车速信号和实际车速反馈信号输入CCS ECU后，CCS ECU经过比较运算可得速度偏差变化E和偏差变化率EC，经过处理后，再结合当前节气门的开度信号，可得到控制节气门开度大小的控制信号，CCS ECU将控制指令发送给执行机

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构，执行机构就可驱动节气门拉索调节发动机节气门开度的大小，将实际车速迅速调节到驾驶员设定的车速值，从而实现恒速控制。

3 巡航控制系统的建模仿真

3.1 采用模糊控制的原因

模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。

随着科学技术的迅猛发展，目前研究的控制系统更多地涉及多变量、非线性、时变的大系统，建立数学模型是非常困难的，或者是根本不可能的，系统的复杂性与控制系统的精确性形成了尖锐的矛盾。人们注意到对于很多复杂的、多因素影响的生产过程，即使不知道该过程的数学模型，有经验的操作人员也能够根据长期的实践观察和操作经验进行有效的控制，而采用传统的自动控制方法效果并不理想。人的经验参与控制过程的成功，激发了人们对控制原理的深入研究。

1965年美国加利福尼亚大学的自动控制教授L.A.Zadeh首次提出“模糊集合”的概念，使人的经验参与控制过程成为可能。1973年L.A.Zadeh进一步研究了模糊语言处理，给出了模糊推理的理论基础。不少车辆，特别是中高级轿车已经把巡航控制系统作为配属设备或被选设备。例如：日本的皇冠(CRWON)、凌志(LEXUS)、佳美(CAMN)、陆地巡洋舰、美国的纽约人(NEW YORKER)、别克(BUICK)、凯迪拉克(CADILLAC)、福特天((TEMPO)、德国的奔驰(BENZ)、宝马(BMW)以及我国的红旗轿车等均装有巡航控制系统。

由于国内汽车工业起步较晚，技术相对落后，并且就目前我国公路状况和实际应用来说，对汽车巡航控制系统的研究应该主要是以单车定速控制为主。目前，模拟汽车恒速控制器在我国已经投入生产和使用。例如，由江苏省仪征式巡航设备厂生产的XD-I型汽车定速系统是一种机电式汽车巡航控制系统。该系统用汽车发动机工作时产生的真空度做动力，通过系统简单的机电结构来稳定发动机的转速，使其产生的真空度保持最小的变化。由于其自动对发动机的油门进行控制，使驾驶员在驾驶时不用踩油门，换档减速时发动机自动变速，能节省燃油5%以上，减轻驾驶员驾驶疲劳度。然而该机电式巡航控制装置虽然结构简单，却有控制精度不高，稳定性不强等缺点。

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国内也开始了对电子式巡航控制装置的研究。例如，北京理工大学应用PID控制对汽车巡航控制进行了细致的研究，结果表明，由于车速变化的非线性，此种控制方法难以满足不同车速时的控制要求。由清华大学王俊敏等人研制的汽车数字式巡航控制系统，采用了变参数的比例一积分(PI)控制算法，可根据系统识别的汽车行驶状况和目标车速与实际车速之间的偏差大小，通过查表来调整控制参数。这一控制方法的缺点是：每一组特定的PID参数都是对应于某一段范围内的特征车速，因此对于不断变化的车速来说，其控制特性仍然不很理想。

国内也有人将模糊控制算法应用于巡航控制系统，其前提是认为司机对汽车的控制，从本质上来说是一个模糊控制的过程。驾驶员驾驶汽车时，根据目标车速与实际车速之间的偏差及路面情况，利用自己的经验，决定加速踏板的变动量，从而使汽车车速趋近于目标车速。模仿这一过程的模糊控制原理图，用于汽车巡航控制的模糊控制器的输入量一般可选择设定车速和实际车速的偏差以及偏差的变化率。

模糊控制不依赖系统的精确数学模型，因而对系统的参数变化不太敏感，具有很强的鲁棒性。其不足之处是模糊控制规则的获取和模糊隶属函数形状的确定是一项费力的工作。且系统一旦确定，其规则和隶属函数就确定了，不能随外界和车辆参数变化进行调整。在新的控制理论的支持下，模糊控制受到了人们普遍的重视，发展迅速。这样的控制系统避免了那种精密、反复、有错误倾向的模型建造过程，又避免了精密地估计模型方程中各参数的过程。

3.2 模糊控制的特点

(1)模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。

(2)由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

(3)基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。

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(4)模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。

(5)模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。

（6）本文主要采用模糊PID控制，模糊PID控制是根据PID控制器的三个参数与偏差e和偏差的变化ec之间的模糊关系，在运行时不断检测e及ec，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的三个参数，让PID参数可自整定。就我的理解而言，它最终还是一个PID控制器，但是因为参数可自动调整的缘故，所以也能解决不少一般的非线性问题，但是假如系统的非线性、不确定性很严重时，那模糊PID的控制效果就会不理想啦。而且模糊PID控制的规则还是较复杂的，隶属度函数的选定也得靠经验。优点就是可以自动调整PID的参数，对于一般的不确定系统，可以使用。

3.3 模糊控制对汽车巡航控制系统的积极作用

汽车的巡航控制系统本身就是一个多变量、非线性、时变的系统，而且受到车辆行驶时各种复杂情况的影响，传统的控制方法不能适应复杂的变化。驾驶员对车速的控制就是一个典型的模糊控制过程，模糊控制可以在一定程度上满足巡航控制的特性，从而得到更好的恒速控制效果。

模糊控制一直被认为是解决复杂非线性系统建模和控制问题的一种行之有效的方法。基于不同的模糊模型研究非线性系统的稳定性与控制器设计一直是模糊控制领域所关注的问题之一。特别地,由于模糊系统具有万能逼近特性,不确定非线性系统的自适应模糊控制已经成为国际自动控制领域近年来一个活跃的研究方向。随着相关学科的发展,利用模糊控制的优点解决过去用常规方法难于解决的问题具有重要的理论意义。本文利用模糊逻辑系统,建立了汽车定速巡航控制系统的模型,从而对难以建立精确数学模型的不确定非线性系统提供了新的系统分析与设计方法。本文主要工作如下:针对一类不确定非线性纯反馈单输入单输出系统,提出一种自适应模糊控制方法。与已有的方法相比较,这个方法的主要优点一是只用一个模糊系统去逼近系统的未知函数,二是改善了闭环系统的鲁棒性。基于Lyapunov稳定性分析方法,提出的方法保证了闭环系统所有信号是一致有界的并且跟踪误差估计值收敛到一个小的零邻域内。仿真结果表明了该算法的

基于PID的汽车定速巡航控制系统的研究

有效性和可行性。具有未知互连函数的非线性多输入多输出系统是一类复杂的系统。由于互连函数存在于每一个子系统的每一个方程中并且输入增益系数是未知的非线性函数,这使得这类系统更难于控制。针对此类系统本文提出了一种自适应模糊控制方法,在控制器设计中,控制项用于补偿逼近误差,提高了系统的稳定性。在适当的假设条件下,该算法很好地克服了非线性多输入多输出系统的控制器奇异问题。并且,提出的控制算法保证了闭环系统的所有信号是有界的。针对一类不确定非线性多输入多输出互连系统提出了一种自适应模糊控制方法。由于假设系统的状态是不可测的,通过设计观测器来估计系统的状态。给出的自适应律只对不确定界进行在线调节,从而大大地减轻了在线计算负担。该方法能够保证闭环系统的所有信号是一致有界的并且跟踪误差指数收敛到一个小的零邻域内。仿真结果表明了算法的可行性。针对一类不确定非线性多输入多输出系统提出一种组合型自适应模糊控制方法。该方法不要求系统的状态可测,而是利用一个观测器去估计系统的不可测状态。所设计的控制器由四部分组成:组合自适应模糊控制器、监督控制器、鲁棒控制器以及辅助补偿项。与已有的观测器设计结果相比较,该方法的主要优点为:1)组合控制器能权衡被控对象知识和控制行为知识;2)提供的控制器具有监督控制功能。利用Lyapunov稳定性分析方法还证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明了组合型自适应模糊控制方法的有效性。

3.4 模糊控制器的设计

3.4.1 定义输入语言变量

将巡航控制系统的速度误差绝对值|E|和速度误差变化率绝对值|EC|作为模糊控制器的输入语言变量。

它们的变化范围定义为模糊集上的域论：

|E|={0，1，2，3，4，5}

|EC|={0，1，2，3，4，5}

它们的模糊子集为：

|E|={零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)}

|EC|={零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)}

其隶属函数如图3-1所示：

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图3-1 输入语言变量隶属函数

3.4.2 定义输出语言变量

定义3个输出语言变量：

(1) Kp′比例系数修正参数

(2) Ti′ 积分系数修正参数

(3) Td′微分系数修正参数

并分别定义它们的模糊子集为：

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)}

其隶属函数如图3-2所示：

图3-2 输出语言变量隶属函数

3.4.3 提出模糊控制规则

常用的模糊控制规则生成方法有：

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(1)根据专家经验或过程控制知识生成控制规则

模糊控制规则是基于手动控制策略而建立的，而手动控制策略又是人们通过学习、试验以及长期经验积累而形成的。手动控制过程一般是通过被控对象或过程的观测，操作者再根据已有的经验和技术知识，进行综合分析并做出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使系统达到预期目标。

(2)根据过程模糊模型生成控制规则

如果用语言去描述被控过程的动态特性，那么这种语言描述可以看作为过程的模糊模型。根据模糊模型，可以得到模糊控制规则集。

(3)根据对手工操作的系统观察和测量生成控制规则

在实际生产中，操作人员可以很好地操作控制系统，但有时却难以给出用于模糊控制所用的控制语句。为此，可通过对系统的输入、输出进行多次测量，再根据这些测量数据去生成模糊控制规则。推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面考虑提出以下三条控制规则：

(1) 当|E|较大时，系统响应具有较快的响应速度，应取较大的Kp；为防止出现较大的超调，避免开始时|E|的瞬间变大可能引起的微分过饱和，则应取较大的Ti和较小的Td；

(2) 当|E|和|EC|处于中等大时，为了使系统具有较小的超调，应取较小的Kp；为了避免对动态稳定性造成影响，应取适中的Ti；由于此时的调节特性对Td 的变化敏感，因此Td 应取得大一些；

(3) 当|E|较小时，为使系统具有较好的稳态性能，减小系统静态误差，增加系统对扰动的抑制能力，应增大Kp，减小Ti和Td。

对实际的汽车巡航控制系统来说，误差为零时容易产生游车，使驾驶员感到不适。从而车速误差不能为零，而要将其保持在一定的误差范围内。所以在设计汽车巡航控制系统的模糊规则时就要考虑到：当车速误差较小时，应减弱积分环节的作用、加大比例环节的作用，允许系统有一定的误差。

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3.4.4 规则表的建立

在实际的控制系统中， 在控制过程的各阶段， 对误差和误差变化又不同的要求。在控制过程的初始阶段， 系统的误差往往较大，控制系统的目的是消除误差， 这时就要求误差值在控制规则中的加权系数应大一些； 反之当控制过程趋向稳定阶段，系统误差已经很小，控制系统的主要任务是减小超调量,使系统尽快稳定。为此， 本文引入了具有多个调整因子的模糊控制器，对每一个误差等级各引入一个调整因子.

自此模糊控制器有两个输入语言变量|E|和|EC|，三个输出语言变量Kp′、Ti′和Td′，归纳出的模糊控制规则如表3-1、表3-2、表3-3所示。

表3-1 Kp′ 的规则表

表3-2 Ti′的规则表

表3-3 Td′的规则

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