前饋-改進(jìn)PID算法在智能車(chē)控制上的應用

圖3 微分先行PID控制結構圖
3 前饋控制的應用
由于智能車(chē)的跑道寬度有限制，所以在經(jīng)過(guò)急轉彎的時(shí)候，如果速度和方向控制不及時(shí)，智能車(chē)就可能沖出跑道。由于前饋控制是開(kāi)環(huán)控制，所以前饋控制的響應速度很快。將前饋控制引入到智能車(chē)的控制中，能夠提高舵機和伺服電機的反應速度，改善智能車(chē)系統的動(dòng)態(tài)性能。
3.1 智能車(chē)控制系統結構
智能車(chē)的控制主要體現在兩個(gè)方面：一方面是方向的控制，也就是對舵機的控制；另一方面是對速度的控制，也就是對伺服電機的控制。舵機的數學(xué)模型較為簡(jiǎn)單，具有很好的線(xiàn)性特征，只采用前饋控制；智能車(chē)的速度控制相對復雜一些，速度模型無(wú)法準確建立，采用前饋-改進(jìn)PID算法進(jìn)行控制。智能車(chē)的控制系統結構如圖4所示。
圖4中， 和 分別是舵機和伺服電機數學(xué)模型。從圖中可以看出，智能車(chē)的方向控制和速度控制是相互獨立的，而且它們都是由路線(xiàn)偏差決定的。舵機轉角與路線(xiàn)偏差之間的對應關(guān)系是根據舵機的數學(xué)模型得到的，在速度控制回路中，既包括反饋回路，又包括前饋環(huán)節，伺服電機的控制量是在前饋補償基礎上，再由增量式PID算法計算得到。

圖4 智能車(chē)的控制系統結構
3.2 在方向控制中的應用
智能車(chē)對方向的控制有兩點(diǎn)要求：在直道上，方向保持穩定；在轉彎處，需要方向變化準確而且迅速。只有這樣，才能保證智能車(chē)在跑道上高速、穩定地運行。為了提高方向控制的魯棒性，本文還對路線(xiàn)偏差進(jìn)行了模糊化處理。圖5是智能車(chē)方向模糊前饋控制的結構圖，圖中和分別是直道和彎道兩種情況下的前饋控制函數。

圖5 智能車(chē)方向控制系統結構圖
3.3 在速度控制中的應用
為了使智能車(chē)在直道上以較快速度運行，在轉彎時(shí)，防止智能車(chē)沖出跑道，則必須將智能車(chē)的速度降低，這就要求智能車(chē)的速度控制系統具有很好的加減速性能。當智能車(chē)經(jīng)過(guò)連續轉彎的跑道時(shí)，路線(xiàn)偏差的頻繁變化會(huì )造成速度設定的頻繁變化，這會(huì )引起速度控制系統的振蕩，并且微分環(huán)節對誤差突變干擾很敏感，容易造成系統的不穩定。為了解決上述存在的問(wèn)題，本文對數字PID算法進(jìn)行了改進(jìn)，將不完全微分和微分先行引入到PID算法中，大大改善了速度控制系統的動(dòng)態(tài)性能。

圖6 智能車(chē)速度控制系統結構圖