pid及模糊控制算法

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1、第3章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件第3章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件在智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，硬件是基礎(chǔ)，沒有一個(gè)好的硬件平臺(tái)，軟件就無法運(yùn)行。對(duì)于智能車系統(tǒng)來說，軟件的核心是控制算法。而完成這些任務(wù)的編程語言有匯編語言和C語言。軟件部分是整個(gè)智能車系統(tǒng)的靈魂，在硬件方面各參賽隊(duì)之間大同小異，真正體現(xiàn)各參賽隊(duì)智能車的優(yōu)勢(shì)和最后決定比賽成績好壞的往往是軟件部分，尤其是核心控制算法的設(shè)計(jì)。本章首先簡要介紹軟件編程中使用的匯編語言和C語言各自的特點(diǎn)，然后重點(diǎn)介紹核心控制算法的原理。3.1編程語言簡介13.2控制算法2思考題3第3章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件3.1編程語言簡介匯編語言

2、是用符號(hào)指令書寫程序的語言，是依賴于硬件平臺(tái)的語言，對(duì)于不同架構(gòu)的CPU都會(huì)有相應(yīng)的匯編指令。匯編語言可以直接操作CPU內(nèi)部的寄存器以及各種外圍設(shè)備，對(duì)于單片機(jī)啟動(dòng)開始運(yùn)行或者對(duì)于時(shí)序要求嚴(yán)格的I/O操作必須采用匯編語言編寫，在啟動(dòng)開始運(yùn)行時(shí)匯編語言創(chuàng)建系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。C語言的特點(diǎn)就是可以使程序員盡量少地對(duì)硬件進(jìn)行操作，具有很強(qiáng)的功能性、結(jié)構(gòu)性和可移植性。由于C語言具有語言簡潔、緊湊，使用靈活、方便，運(yùn)算符和數(shù)據(jù)類型豐富，可以直接訪問物理地址，進(jìn)行位操作，能實(shí)現(xiàn)匯編語言的大部分功能，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，因此C語言既具有高級(jí)語言的功能，又具有匯編語言的功

3、能，對(duì)于編寫與硬件相關(guān)的應(yīng)用程序而言具有明顯的優(yōu)勢(shì)。3.1編程語言簡介在絕大多數(shù)場合，采用C語言編程即可完成預(yù)期的目的，但是對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)、要求執(zhí)行效率高的系統(tǒng)就不適合采用C語言編程，對(duì)這些特殊情況進(jìn)行編程時(shí)要結(jié)合匯編語言。匯編語言具有直接和硬件打道、執(zhí)行代碼的效率高等特點(diǎn)，可以做到C語言所不能做到的一些事情，例如對(duì)時(shí)鐘要求很嚴(yán)格時(shí)，使用匯編語言便成了唯一的選擇。這種混合編程的方法將C語言和匯編語言的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，已經(jīng)成為目前單片機(jī)開發(fā)最流行的編程方法。關(guān)于編程語言的詳細(xì)介紹可參閱相關(guān)書籍。3.2控制算法13.2.1PID控制算法23.2.2模糊控制算法3

4、3.2.3其它智能控制算法3.2.1PID控制算法PID（ProportionalIntegralDifferential）控制是比例、積分、微分控制的簡稱。在自動(dòng)控制領(lǐng)域中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出對(duì)廣義被控對(duì)象的控制量。圖3.1是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖。3.2.1PID控制算法圖3.1常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖3.2.1PID控制算法其中虛線框內(nèi)的部分是PID控制器，其輸入為設(shè)定值與被調(diào)量實(shí)測(cè)值構(gòu)成的控制偏差信號(hào)

5、：(3.1)其輸出為該偏差信號(hào)的比例、積分、微分的線性組合，也即PID控制律：(3.2)式中，為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。3.2.1PID控制算法根據(jù)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性和控制要求的不同，式(3.2)中還可以只包含比例和積分的PI調(diào)節(jié)或者只包含比例微分的PD調(diào)節(jié)。下面主要討論P(yáng)ID控制的特點(diǎn)及其對(duì)控制過程的影響、數(shù)字PID控制策略的實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)，以及數(shù)字PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制參數(shù)的整定等問題。3.2.1PID控制算法1．PID控制規(guī)律的特點(diǎn)（1）比例控制器比例控制器是最簡單的控制器，其控制規(guī)律為(3.3)式中，Kp為比例系數(shù)；為控制量的初值，

6、也就是在啟動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)的控制量。圖3.2所示是比例控制器對(duì)單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。由圖3.2可以看到，比例控制器對(duì)于偏差是及時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp。3.2.1PID控制算法圖3.2比例控制器的階躍響應(yīng)3.2.1PID控制算法比例控制器雖然簡單快速，但對(duì)于具有自平衡性（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被控對(duì)象存在靜差。加大比例系數(shù)Kp雖然可以減小靜差，但當(dāng)Kp過大時(shí)，動(dòng)態(tài)性能會(huì)變差，會(huì)引起被控量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.2.1PID控制算法（2）比例積分控制器為了

7、消除在比例控制中存在的靜差，可在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用，構(gòu)成比例積分PI控制器，其控制規(guī)律為(3.4)式中，稱為積分時(shí)間。圖3.3所示為PI控制器對(duì)單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。3.2.1PID控制算法PI控制器對(duì)偏差的作用有兩個(gè)部分：一個(gè)是按比例部分的成分，另一個(gè)是帶有累積的成分（即呈一定斜率變化的部分），這就是積分控制部分的作用。只要偏差存在，積分將起作用，將偏差累計(jì)，并對(duì)控制量產(chǎn)生影響，即偏差減小，直至偏差為零，積分作用才會(huì)停止。因此，加入積分環(huán)節(jié)將有助于消除系統(tǒng)的靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。3.2.1PID控制算法圖3.3PI控制器的階躍響應(yīng)3.

8、2.1PID控制算法顯然，如果積分時(shí)間太大，則積分作用減弱，反之則