史成芳，郭　緊

（蚌埠學(xué)院　電子與電氣工程學(xué)院，安徽　蚌埠　233030）

隨著社會(huì)的進(jìn)步，私家車數(shù)量迅速增長(zhǎng)，汽車的安全成為急需解決的問(wèn)題，由于影響汽車安全行使的因素大部分是非線性的、不確定性的，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)無(wú)法從根本上有效解決汽車行駛的安全性.本文提出了一種模糊PID控制器方法，這種控制方法將操作人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用控制規(guī)則模型化，并運(yùn)用推理實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)實(shí)行調(diào)整.

1　車輛前進(jìn)運(yùn)動(dòng)定義的模糊集合[2]

汽車在運(yùn)動(dòng)中，駕駛員總是根據(jù)自己的車與前面車的距離和與前面車的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度來(lái)決定自己駕駛車輛前進(jìn)的加速度.汽車的控制信號(hào)是由汽車的加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)控制信號(hào)的大小取決于兩個(gè)方面，一個(gè)是己車與前車的相對(duì)距離，另外一個(gè)是己車與前車的相對(duì)速度，也就是相對(duì)距離對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù).汽車的控制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)是由駕駛員對(duì)油門和剎車的力度來(lái)實(shí)現(xiàn)的.相對(duì)距離大，相對(duì)速度小，可以通過(guò)深踩油門獲得較大的加速度，汽車加速行駛.相對(duì)距離小，相對(duì)速度大，可以用力踩剎車，使汽車減速行駛.兩車的相對(duì)距離，相對(duì)速度，汽車輸出的控制信號(hào)，這個(gè)變量可以采用模糊集合來(lái)實(shí)現(xiàn).分為正大（PB），正中（PM），正?。≒S），零（ZO），負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S），利用這些模糊子集形成駕駛員的模糊控制規(guī)則.

2　模糊控制器的設(shè)計(jì)

自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差E和誤差變化率EC作為輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足不同時(shí)刻的E和EC對(duì)PID參數(shù)自整定的要求[1].離散PID控制算法為：u(k)=kp{e(k)+

kp，Ti，Td分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)，T為采樣周期，u0為誤差為0的時(shí)候系統(tǒng)輸出，u(k)是第K個(gè)采用時(shí)刻的輸出.

PID參數(shù)自整定是找出PID的3個(gè)參數(shù)Kp，Ti，Td與E和EC之間的模糊關(guān)系.在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)E和EC，根據(jù)模糊控制原理對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同的E和EC對(duì)控制參數(shù)的要求，從而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能.控制器的各變量的邏輯關(guān)系如圖1所示.

圖1　PID模糊控制器框圖

比例系數(shù)kp的作用是提高系統(tǒng)的相應(yīng)速度，但是過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，積分時(shí)間常數(shù)Ti是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，Td的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)，Td過(guò)大，會(huì)使得系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且過(guò)大會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能.

3　模糊控制器的輸入、輸出變量及其隸屬度函數(shù)

選定本車與前車的相對(duì)距離和相對(duì)速度為輸入變量，本車的加速度為輸出變量.每一個(gè)變量都可以用七個(gè)模糊子集來(lái)描述分為正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（ZO），負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S）.中間變量為 kp，Ti，Td，模糊控制的各變量均采用三角形隸屬度函數(shù)來(lái)描述[3]，如圖2所示：

圖2　各變量的隸屬度函數(shù)

4　模糊控制規(guī)則表

E 和 EC 的模糊子集{正大（PB），正中（PM），正?。≒S），零（ZO），負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)小（NS）}，參數(shù) Kp，Ti，Td的模糊子集為{（PB），正中（PM），正?。≒S），零（ZO）}，模糊控制規(guī)則如下：

4.1　整定的模糊規(guī)則表

4.2　整定的模糊規(guī)則表

4.3　整定的模糊規(guī)則表

表3　Td模糊控制規(guī)則表

5　結(jié)果驗(yàn)證及仿真分析

避撞工作狀況，前導(dǎo)車與本車的相對(duì)距離45KM，前車速度90km/h，本車的速度為95km/h，相對(duì)車速為5km/h，前車突然采取緊急制動(dòng)，本車跟隨前車減速并停止，仿真結(jié)果如圖所示：

圖3　仿真結(jié)果

由圖可以看出，在15秒左右，減速度最大，隨后瞬間達(dá)到了-2.5m/s2，比較小的加速度會(huì)使駕乘人員有較大的舒適性，在20秒左右汽車停車，停車時(shí)候兩車的車間距離大約10m左右，避免了與前車的追尾，有效的實(shí)現(xiàn)了避撞.

6　結(jié)論

根據(jù)上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，模糊自適應(yīng)PID控制器能夠在高速公路上，前車突然緊急剎車的情況下，對(duì)本車實(shí)現(xiàn)減速控制，提高了汽車行駛的安全性，實(shí)現(xiàn)了高速公路行駛基本的避撞要求.本設(shè)計(jì)在保證安全的前提下，產(chǎn)生的沖擊度在人體可接受的范圍內(nèi)[5]，從而實(shí)現(xiàn)了比較舒適的停車，使得該控制器體現(xiàn)出了人性化的設(shè)計(jì).

參考文獻(xiàn)：

〔1〕劉金琨.智能控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.49-51.

〔2〕林粵彤,王飛躍,等.基于模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的智能車輛個(gè)性自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2001,27(4):531-542.

〔3〕張學(xué)軍,張?jiān)婪?基于模糊邏輯的汽車防撞控制器的設(shè)計(jì)[J].電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2008,21(8)：25-44.

〔4〕趙偉,魏朗,等.汽車側(cè)向避撞系統(tǒng)的模糊-PID控制仿真[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(2)：159-164.

〔5〕王熔熔,李朋.基于模糊控制的汽車避撞系統(tǒng)建模與研究[J].公路與汽運(yùn),2012,149(2)：9-15.