基于自適應模糊PID智能車(chē)用直流電機控制器仿真研究

智能車(chē)是一種集環(huán)境感知、規劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統，具有時(shí)變且非線(xiàn)性特點(diǎn)。其中控制算法對智能車(chē)起著(zhù)關(guān)鍵作用，傳統的PID控制難以得到很好的效果。采用自適應模糊PID控制算法可以使系統具有很好的動(dòng)態(tài)響應性能，并且可以對PID參數進(jìn)行在線(xiàn)自調整，提高了系統的適應性和魯棒性，改善了系統的穩態(tài)誤差和效率，并使其抗干擾能力明顯提高。
1 自適應模糊PID控制器
自適應模糊PID控制器結構如圖1所示，自適應模糊PID是在PID算法的基礎上，通過(guò)計算當前系統誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規則進(jìn)行模糊推理，查詢(xún)模糊矩陣表進(jìn)行在線(xiàn)參數調整。本系統通過(guò)增量式旋轉編碼器對速度進(jìn)行檢測，經(jīng)過(guò)信號轉換與單片機進(jìn)行通信，將輸入給定信號r與反饋信號y進(jìn)行比較得到誤差信號e和誤差變化率ec，并找出PID 3個(gè)參數與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過(guò)不斷檢測e和ec，根據模糊控制原理對3個(gè)參數進(jìn)行在線(xiàn)修改，以滿(mǎn)足不同e和ec時(shí)對控制參數的不同要求，使被控對象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

自適應模糊PID控制器以e和ec作為輸入,可以滿(mǎn)足e和ec對PID參數自校正自調整的要求。從系統的穩定性、響應速度、超調量和穩態(tài)精度等方面來(lái)考慮,kp、ki、kd的作用如下[1]：
(1)比例系數kp的作用是加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。kp越大，系統的響應速度越快，系統的調節精度越高，但易產(chǎn)生超調，甚至導致系統不穩定；kp取值過(guò)小，則會(huì )降低調節精度，使響應速度緩慢，從而延長(cháng)調節時(shí)間,使系統靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。
(2)積分作用系數ki的作用是消除系統的穩態(tài)誤差。ki越大，系統的穩態(tài)誤差消除越快，但ki過(guò)大，在響應過(guò)程的初期會(huì )產(chǎn)生積分飽和現象，從而引起響應過(guò)程的較大超調；若ki過(guò)小，將使系統穩態(tài)誤差難以消除，影響系統的調節精度。
(3)微分作用系數kd的作用是改善系統的動(dòng)態(tài)特性，主要反應偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統的動(dòng)作速度，減少調節時(shí)間。
根據上述整定原則將kp、ki、kd、ec、e變化范圍定義為模糊的論域：{-3，-2，-1，0，1，2，3},它們的隸屬函數均選擇為三角分布函數,如圖2所示(橫坐標表示e/ec的整數論域中的分布,縱坐標表示隸屬度)。采用Mamdani模糊推理系統,清晰化法為重心法，則可以建立針對kp、ki、kd 3個(gè)參數的模糊規則表[2]，如表1、表2、表3所示。在模糊規則表中kp、ki、kd、e、ec均取7個(gè)模糊子集，其語(yǔ)言值分別為{正大，正中，正小，零，負小，負中，負大}，用{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}表示。

2 智能車(chē)直流電機控制系統的數學(xué)模型[3]
智能車(chē)直流電機驅動(dòng)系統如圖3所示。施加于電樞端的電壓u產(chǎn)生電樞電流i，i與磁鋼產(chǎn)生的磁通相互作用，產(chǎn)生的電磁轉矩驅Te動(dòng)負載。