基于自適應模糊PID智能車用直流電機控制器仿真研究

智能車是一種集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，具有時變且非線性特點。其中控制算法對智能車起著關鍵作用，傳統(tǒng)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(tǒng)具有很好的動態(tài)響應性能，并且可以對PID參數(shù)進行在線自調(diào)整，提高了系統(tǒng)的適應性和魯棒性，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)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，通過計算當前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行在線參數(shù)調(diào)整。本系統(tǒng)通過增量式旋轉編碼器對速度進行檢測，經(jīng)過信號轉換與單片機進行通信，將輸入給定信號r與反饋信號y進行比較得到誤差信號e和誤差變化率ec，并找出PID 3個參數(shù)與e和ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理對3個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。

自適應模糊PID控制器以e和ec作為輸入,可以滿足e和ec對PID參數(shù)自校正自調(diào)整的要求。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來考慮,kp、ki、kd的作用如下[1]：
(1)比例系數(shù)kp的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。kp越大，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定；kp取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間,使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。
(2)積分作用系數(shù)ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。ki越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但ki過大，在響應過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應過程的較大超調(diào)；若ki過小，將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。
(3)微分作用系數(shù)kd的作用是改善系統(tǒng)的動態(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(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。
根據(jù)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(shù)均選擇為三角分布函數(shù),如圖2所示(橫坐標表示e/ec的整數(shù)論域中的分布,縱坐標表示隸屬度)。采用Mamdani模糊推理系統(tǒng),清晰化法為重心法，則可以建立針對kp、ki、kd 3個參數(shù)的模糊規(guī)則表[2]，如表1、表2、表3所示。在模糊規(guī)則表中kp、ki、kd、e、ec均取7個模糊子集，其語言值分別為{正大，正中，正小，零，負小，負中，負大}，用{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}表示。

2 智能車直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型[3]
智能車直流電機驅動系統(tǒng)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動負載。