基于Matlab和模糊PID的汽车巡航控制系统设计_仇成群

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基于MATLAB模糊自适应PID 控制器的设计

基于MATLAB模糊自适应PID 控制器的设计The fuzzy PID controller and‘its simulation Abstract：This paper discusses the design of fuzzy PID controller and he method of realization using MATLAB software．The result of simulation in MATLAB／Simulink indicates that the controlle r evidently improves the dynamic property of control system．The controlle r is easily realized and applied in engineering．First, let's take a look at how the PID controller works in variable (e) represents the tracking error, the difference between the desired input value (R) and the actual output (Y). This error signal (e) will be sent to the PID controller, and the controller computes both the derivative and the integral of this error signal. The signal (u) just past the controller is now equal to the proportional gain (Kp) times the magnitude of the error plus the integral gain (Ki) times the integral of the error plus the derivative gain (Kd) times the derivativeof the error.摘要: 基于模糊自适应控制理论, 设计了一种模糊自适应PID 控制器, 具体介绍了这种PID 控制器的控制特点及参数设计规则, 实现PID 控制器的在线自整摘要: 基于模糊自适应控制理论, 设计了一种模糊自适应PID 控制器, 具体介绍了这种PID 控制器的控制特点及参数设计规则, 实现PID 控制器的在线自整定和自调整。

基于MATLAB的模糊pid控制器设计与仿真研究

参考文献：
［１］李人厚．智能控制理论和方法［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，１９９９．［２］张志涌．精通ＭＡＴＬＡＢ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２０００．［３］肖建．现代控制系统综合与设计［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２０００．［４］陈曦，李炜．制冷空调系统的模糊控制实现［Ｊ］．电子技术应用，２０００，（１０）．
在ＭＡＴＬＡＢ中创建图５所示的模糊控制系统仿真模型，该方框图中的ＰＩＤ控制器和模糊控制器分别是封装好的子系统，其内部模型如图５￣图７所示，其中图７中的模糊逻辑控制器中隐含了输入输出关系的ＦＩＳ，需要利用行命令或者ＧＵＩ编辑函数事先建立。
图８
Ｇ１（ｓ）仿真结果
wwwcqvipcom机车电传动2002年在matlab中创建图5所示的模糊控制系统仿真模型该方框图中的pid控制器和模糊控制器分别是封装好的子系统其内部模型如图5图7所示其中图7中的模糊逻辑控制器中隐含了输入输出关系的fis需要利用行命令或者gui编辑函数事先建立
２００２年第５期２００２年９月１０日
收稿日期：２００２－０３－１９；收修改稿日期：２００２－０６－１０ — ３４ —
档，论域Ｅ＝｛０，ａ１，ａ２，ａ３｝，ＥＣ＝｛０，ｂ１，ｂ２，ｂ３｝。变量Ｅ各语言值隶属函数如图２所示，变量Ｅ
Ｃ
各语言值隶属函
p 、 Ki 和 K d ，数如图３所示。输出语言变量为 K 他们 ~ ~ ~
摘要：针对在复杂系统中实现自组织参数的ＰＩＤ控制问题，介绍了一种基于模糊控制原理的ＰＩＤ参数自组织控制器的设计方案，同时利用ＭＡＴＬＡＢ中的ＳＩＭＵＬＩＮＫ和ＦＵＺＺＹ工具箱进行了仿真研究，仿真结果表明，参数自组织模糊控制系统比参数固定的系统的控制效果好。关键词：ＰＩＤ控制器；ＭＡＴＬＡＢ；模糊控制；仿真中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１２８Ｘ（２００２）０５－００３４－０３

基于MATLAB的模糊PID控制器设计与仿真研究

３５
万方数据
机车电传动２００２年
２００２年第５期２００２年９月１０日
机车电传动ＥＬＥＣＴＲＩＣＤＲＩＶＥＦＯＲＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥＳ
基于ＭＡＴＬＡＢ的模糊ＰＩＤ控制器
研究
设计与仿真研究
开
发
常满波胡鹏飞
西南交通大学电气工程学院四川成都６１００３１
摘要针对在复杂系统中实现自组织参数的ＰＩＤ控制问题介绍了一种基于模糊控制原理的ＰＩＤ参数自组织控制器的设计方案同时利用ＭＡＴＬＡＢ中的ＳＩＭＵＬＩＮＫ和ＦＵＺＺＹ工具箱进行了仿真研究仿真结果表明参数自组织模糊控制系统比参数固定的系统的控制效果好
关键词ＰＩＤ控制器ＭＡＴＬＡＢ模糊控制仿真中图分类号ＴＰ３９１．９文献标识码Ａ文章编号１０００－１２８Ｘ（２００２）０５－００３４－０３
５，２００２Ｓｅｐ．１０，２００２
作者简介常满波１９７６－男西南交通大学电气工程学院硕士研究生主要从事计算机应用技术的研究
图８Ｇ１（ｓ）仿真结果
图９Ｇ２（ｓ）仿真结果
过程Ｇ１（ｓ）
Ｇ２（ｓ）
表２仿真结果分析
常规ＰＩＤ控制
Ｋｐ＝２．８１Ｋｉ＝１．６４Ｋｄ＝０．４１
ＹＯＳ＝１８．７％ＴＳ＝４．３８ｓ
Ｋｐ＝０．９５Ｋｉ＝１．０３Ｋｄ＝０．２６
ＹＯＳ＝３３．２％ＴＳ＝７．３３ｓ
设被控对象的数学模型为
图４ＫｐＫｉＤｄ的隶属函数
根据以上分析和语言变量的设定可以总结出ＫｐＫｉ和Ｋｄ的自调整控制规则见表１

基于LabVIEW的直流伺服电机模糊PID控制系统

基于ＬａｂＶｌＥＷ的直流伺服电机模糊ＰＩＤ控制系统ＬａｂＶＩＥＷ－ＢａｓｅｄＦｕｚｚｙＰＩＤＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＤＣＳｅｒｖｏ－ｍｏｔｏｒ昊占涛－，ｚ张桂香２（１湖南大学国家高效磨黼Ｉ程技术研究中心，长沙４１００８２；２湖南大学机械与汽车工程学院，长沙４１００８２）攘娶：论述了一种基予模糍ＰＩＤ算法的直流镯服电极控制系统，介缁了模糨ＰＩＤ算法及模糊控裁规鲻。

系统采用图形化的编程潜言ＬａｂＶＩＥＷ，软件交互界面友好。

试验结果表明，采用该模糊ＰＩＤ控制器的系统能克服常规ＰＩＤ控制器的弊端，控制品质好，算法简单，具有实际应用价值。

关键词：直流伺服电视模糊控铡ＰＩＤＬａｂＶＩＥＷＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＤＣｓｅｒｖｏ－ｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｆｕｚｚｙＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ。

ＴｈｅｆｕｓｓｙＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｔｈｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓａｆｉｎｅｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙＬａｂＶｌＥＷ。

ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｕｓｓｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃａｎｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｄｒａｗｂａｃｋｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｐｒａｃｔｉｃａｌｖａｌｕｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｇｏｏｄｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｓｉｍｐｌｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＣｓｅｒｖｏ－ｍｏｔｏｒｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌＰＩＤＬａｂＶＩＥＷ０引言直流伺服电视爨祷响应侠、低速平稳住好、潺速范围宽等特点，常用于实现精密谪速和位置控制的随动系统中，在工业、国防和民耀等领域内褥到广泛应瘸脚；所以，会理选择鸯漉饲服电机的控制方法。

Ｘ寸予充分发撂盔流箍鞭电梳的工作蔑麓鸯着积极的作用。

模糊PID在汽车防锁死系统(ABS)上的控制优化及仿真研究

模糊PID在汽车防锁死系统(ABS)上的控制优化及仿真研究蒋科军;刘成晔;张兰春【摘要】在Matlab/Simulink环境内建立了汽车ABS动力学模型,引入S函数对模糊PID控制过程进行优化,并对该控制方法进行了仿真研究,研究结果表明:基于S 函数的模糊PID控制更加灵活,汽车ABS在基于S函数的模糊PID控制下,制动距离较常规模糊PID控制短,虽然基于S函数的模糊PID控制在后期有明显颤振,但控制参数具有明显的收敛性.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2013(013)031【总页数】5页(P9450-9453,9459)【关键词】汽车ABS;模糊PID控制;S函数;优化;仿真【作者】蒋科军;刘成晔;张兰春【作者单位】江苏理工学院汽车与交通工程学院,常州213001;江苏理工学院汽车与交通工程学院,常州213001;江苏理工学院汽车与交通工程学院,常州213001【正文语种】中文【中图分类】U463.526汽车防抱死制动系统ABS(anti-lock braking system)是目前比较普及的汽车主动安全技术，它能够显著提高汽车制动时方向稳定性和转向操纵能力，缩短汽车制动距离。

据文献［1］统计，汽车ABS技术的应用能使交通事故减少25%以上。

基于ABS技术对汽车安全的巨大作用，当前对汽车ABS的研究和改良仍是国内外汽车研究的重要课题，如郑太雄等［2］、齐志权等［3］研究汽车 ABS参考车速的确定方法，分析不同方法确定的参考车速对汽车ABS 控制效果的影响;李伯全等［4］、李熙亚等［5］研究汽车ABS的路面自动识别技术，通过采用智能控制和自适应技术来提升汽车ABS的性能;Peng等［6］研究汽车ABS与其他汽车底盘系统的联合控制。

本文以汽车ABS的控制为研究课题，在模糊PID控制中引入S 函数，希望通过S函数的灵活性和多层次性，提高汽车ABS的制动效果。

1 汽车ABS动力学模型1.1 汽车ABS工作原理汽车制动时(忽略空气阻力)，轮胎与路面间的式(1)中，λ为车轮滑移率;VC为车辆速度;VT为车轮边缘的线速度;ω为车轮角速度;R为车轮滚动半径。

基于模糊控制和PID控制自主车辆速度跟踪控制(含MATLAB仿真程序)

一、设计原理设计思想：油门控制采用增量式PID 控制算法,刹车控制采用模糊控制算法，最后通过选择规则进行选择控制量输入。

选择规则：首先定义速度偏差-50 km/h ≤e （k ）≤50km/h ，-20≤ec= e （k ）- e （k-1）≤20，阀值e swith =10km/h 。

若：e （k ）<0① e （k ）>- e swith and throttlr_1≠0 选择油门控制② 否则：先将油门控制量置0，再选择刹车控制若：0<e （k ）先选择刹车控制，再选择油门控制若：e （k ）=0 直接跳出选择刹车控制：刹车采用模糊控制算法1.确定模糊语言变量e 基本论域取[-50,50]，ec 基本论域取[-20,20]，刹车控制量输出u 基本论域取[-30,30]，这里我将这三个变量按照下面的公式进行压缩离散化：)]2(2[ba x ab n y +--= 其中，],[b a x ∈，n 为离散度。

e 、ec 和u 均取离散度n=3，离散化后得到三个量的语言值论域分别为：E=EC=U={-3,-2,-1,0,1,2,3}其对应语言值为{ NB,NM,NS,ZO, PS,PM,PB } 2.确定隶属度函数E/EC 和U 取相同的隶属度函数，边界选取钟形隶属度函数，中间取三角形隶属度函数，即：E EC U(,5,1)(,3,2,0)(,3,1,1)u (,2,0,2)(,1,1,3)(,0,2,3)(,1,5)g x trig x trig x trig x trig x trig x g x ∧∧--⎧⎪--⎪⎪--⎪=-⎨⎪-⎪⎪⎪⎩说明：边界选择钟形隶属度函数，中间选用三角形隶属度函数，图像略。

实际EC 和E 输入值若超出论域范围，则取相应的端点值。

3.模糊控制规则由隶属度函数可以得到语言值隶属度（通过图像直接可以看出）如下表：表1：E/EC 和U 语言值隶属度向量表设置模糊规则库如下表：表2：模糊规则表3.模糊推理由模糊规则表3可以知道输入E 与EC 和输出U 的模糊关系，这里我取两个例子做模糊推理如下：if (E is NB) and (EC is NM) then (U is PB)那么他的模糊关系子矩阵为：1211U EC E R R R R ⨯⨯=其中，711)0,,0,5.0,1(0⨯== P R E ,即表1中NB 对应行向量，同理可以得到，712)0,,0,5.0,1,0(1⨯== P R EC , 711)0,,0,5.0,1(0⨯== P R U77210000000000005.05.00005.010)0,,0,5.0,1,0()0,,0,5.0,1(⨯⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⨯=⨯TEC E R R 49121)0,,0,5.0,5.0,0,0,0,0,0,5.0,1,0(⨯= EC E R7491211000000005.05.00005.0100000)0,,0,5.0,1()0,,5.0,1,0(⨯⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⨯=⨯=TU EC E R R R if (E is NB or NM) and (EC is NB) then (U is PB)21211()E E EC U R R R R R =⨯⨯，结果略。

基于模糊控制的汽车自适应巡航系统设计

speed and a small overshoot，which effectively satisfies the control requirements of the car cruise system
and improves the accuracy and stability of the cruise process.
列问题，不断增加的汽车数量所带来的交通拥堵、能
身参数会发生变化，易对车辆动力性能和整车控制
源消耗、空气污染等方面的问题日益突出，提升汽车
器操作功能产生不利影响，进而影响驾驶体验甚至
的电动化及智能化水平作为解决包括降低能源消
导致控制器失效，因此设计与研究巡航系统模型与
耗、确保行车过程安全稳定、减轻驾驶负担等问题的
巡航控制及高速行驶中的定速控制（引导车辆大于
航系统及跟车巡航控制过程具有复杂性、非线性及
安全车距或前方无引导车辆时以预设车速行驶）及
不确定性的特点，该文以分层控制原理为依据，对车
距离控制（前方有车辆行驶于安全车距内且其速度
辆巡航控制系统（CCS，恒速行驶系统）主要构成为
-171-
《电子设计工程》2021 年第 9 期
2.2.2
输出语言变量
对输出语言变量进行定义（共包含 3 个），即比
航和跟车巡航间自适应切换，通过模糊 PID 控制确
保系统性能的实现 [13]。
例系数调校参数（由 Kp′表示）、积分系数调校参数
3.1
Ti′、Td′对应的语言值均可定义为{零(Z)，小(S)，中(M)，
在对控制系统模糊规则进行制定时，需对包括
车加速度、
车间距及速度误差等）为依据对当前车辆所

基于模糊控制的车辆自适应巡航系统设计

基于模糊控制的车辆自适应巡航系统设计
赵秀春;徐国凯;张涛;葛平淑
【期刊名称】《大连民族学院学报》
【年(卷),期】2013(15)5
【摘要】在定速巡航的基础上,结合跟车巡航功能,设计了一种自适应巡航分层控制系统,可根据行驶工况自动切换其工作模式,实现巡航系统的智能化.该系统综合考虑了跟车系统中前车车速、加速度、车距等各种因素,利用模糊控制技术的优点,提高控制系统的性能.利用Matlab仿真及硬件在环技术进行实验研究,结果表明该控制系统能够实现巡航模式的自适应切换,并且具有较高的控制精度和理想的巡航性能.【总页数】4页(P508-511)
【作者】赵秀春;徐国凯;张涛;葛平淑
【作者单位】大连民族学院机电信息工程学院辽宁大连116605;大连民族学院机电信息工程学院辽宁大连116605;大连民族学院机电信息工程学院辽宁大连116605;大连民族学院机电信息工程学院辽宁大连116605
【正文语种】中文
【中图分类】U463.6
【相关文献】
1.基于模糊控制的车辆自适应巡航研究及仿真 [J], 陈荣章;张靓超
2.自动驾驶车辆自适应巡航模糊控制研究 [J], 周佳扬; 张艳涛
3.基于滑模控制的车辆自适应巡航系统设计 [J], 张立发;赵秀春;高天一
4.基于滑模控制的车辆自适应巡航系统设计 [J], 张立发;赵秀春;高天一
5.基于模糊控制的汽车自适应巡航系统设计 [J], 贺翠华
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基于MATLAB的模糊PID控制系统的设计与仿真

基于MATLAB的模糊PID控制系统的设计与仿真作者：王超蒋平来源：《电子世界》2013年第04期【摘要】在传统的PID控制基础上，本文介绍了一种基于PID模糊控制的混合型控制，通过MATLAB&Simulink软件和模糊逻辑工具箱设计控制系统结构模型.仿真结果证明，该控制方法具有更优的性能。

【关键词】模糊PID控制；MATLAB仿真1.引言在传统的控制方法中，PID控制凭借其算法简单、精度高、可靠性强、技术成熟、应用广泛的优点脱颖而出，占据了工业控制系统80%以上的份额；然而随着现代控制系统越来越复杂，精度要求也越来越高，传统、单一的控制策略已经无法满足设计性能的要求，同时，随着电子技术和计算机的发展，各种新兴的智能算法也不断涌现，将传统算法和智能算法相结合，成为现代控制系统策略选择的趋势。

作为智能控制中最重要且最有效的手段之一的模糊控制，在应对复杂系统的非线性和时变特征时有着较好的表现，因此越来越多的被应用到工程实践中，并已取得了不俗的成绩。

本文介绍的是基于传统的PID控制和现代控制理论中的智能模糊控制相结合的一种控制方法，用MATLAB&Simulink软件和模糊逻辑工具箱设计控制系统结构模型，并通过仿真结果证明该控制方法具有更优的性能。

2.PID模糊控制系统的结构3.利用MATLAB&Simulink软件进行控制仿真基于现代控制理论的模糊控制，内容比较抽象，理论性较强，比较枯燥。

另外，模糊控制是模糊集合理论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制，它处理的问题可能难以靠解析求解，需要采用复杂的数值计算方法，采用软件编程，不仅工作量大，而且过程繁杂，大大制约了控制方法的性能验证和工程实现。

MATLAB&simulink是MathWorks公司推出的当今国际控制界最为流行的面向工程和科学计算的高级语言，是公认的最为灵活和有效的仿真软件。

而且随着智能控制的迅速推广应用，MathWorks公司已经添加了智能逻辑控制工具箱，其中包括模糊控制工具箱、神经网络控制箱等热门工具。

基于Matlab和模糊PID的汽车巡航控制系统设计

基于Matlab和模糊PID的汽车巡航控制系统设计一、本文概述随着汽车工业的快速发展和智能驾驶技术的不断进步，汽车巡航控制系统作为提高驾驶安全性和舒适性的重要手段，越来越受到人们的关注。

传统的巡航控制系统主要依赖于PID（比例-积分-微分）控制算法，虽然在一定程度上能够实现车速的稳定控制，但在面对复杂多变的道路环境和驾驶员的个性化需求时，其性能往往难以达到最优。

为了解决这个问题，本文将研究并设计一种基于Matlab和模糊PID的汽车巡航控制系统。

该系统将结合传统PID控制算法的稳定性和模糊控制算法的灵活性，通过Matlab进行建模与仿真，实现对汽车巡航速度的更精确、更智能的控制。

本文将介绍汽车巡航控制系统的基本原理和PID控制算法的基本原理；详细阐述模糊PID控制算法的设计思路和实现方法；然后，通过Matlab进行仿真实验，验证所设计的模糊PID控制算法在汽车巡航控制系统中的有效性和优越性；对本文的研究成果进行总结，并展望未来的研究方向和应用前景。

本文的研究不仅有助于提升汽车巡航控制系统的性能，同时也为智能驾驶技术的发展提供了新的思路和方法。

二、汽车巡航控制系统概述汽车巡航控制系统是一种先进的驾驶辅助系统，旨在通过自动调节发动机的油门或制动系统，使车辆能够在驾驶员设定的速度下稳定行驶，而无需持续踩踏油门踏板。

这种系统不仅可以提高驾驶的舒适性，减少驾驶员的疲劳感，而且在长途驾驶或高速公路上行驶时，能有效提高行车安全性。

巡航控制系统的核心在于其控制策略，它需要根据车辆当前的速度、加速度、道路条件以及驾驶员的设定速度等多个因素，进行实时计算和判断，以决定如何调整发动机的输出或制动力度。

传统的PID （比例-积分-微分）控制器因其简单性和有效性，在巡航控制系统中得到了广泛应用。

然而，由于实际驾驶环境的复杂性和不确定性，传统的PID控制器往往难以应对各种突发情况，如突然出现的障碍物、道路坡度变化等。

为了解决这个问题，近年来，基于模糊逻辑的控制器被引入到汽车巡航控制系统中。

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0 引言
巡航控制系统（ cruise control system ，缩写为 CCS），又称为恒速行驶系统。驾驶员通过巡航控制开关设定某一个车速，在巡航控制期间，当风力和道路坡度变化引起的汽车行驶阻力变化，行驶车辆能够自动变换节气门开度或者进行档位自动转换，能够按存储在微电脑内的汽车燃料最佳经济性规律稳态行驶。汽车定速巡航控制系统自从 20 世纪 60 年代末、70 年代初起，全球各大著名汽车厂家就竞相研制并将其装配在各自公司的高级轿车上，由于微电脑技术迅速发展、电路集成化水平不断提高，到 21 世纪初期，汽车巡航控制系统日趋成熟。巡航控制系统通常采用多模块控制，成本相对昂贵，限速较高，一般在 40 km/h 以上，检修技术较高。国内汽车制造起步晚，技术落后，目前国内对汽车巡航系统的研究还不是很成熟，系统控制的精度和稳定性不高[1-7]。
198
农业工程学报
2012 年
注：ROM 为只读存储器；RAM 为随机存储器；I/O 为输入输出接口；IC 为集成电路板；CCS ECU 为巡航控制系统电控单元。
图 1 巡航控制系统组成图
Fig.1 Composition of cruise control system
注：|E|为速度误差绝对值；|EC|为速度误差变化率绝对值；Kp′为比例系数调校参数；Ti′为积分系数调校参数；Td′为微分系数调校参数；Kp 为比例系数参数；Ti 为积分系数参数；Td 为微分系数参数；为比较环节；de/dt 为第 n 次速度误差与第 n-1 次速度误差的差值在采样周期内的变化（n 为大于 1 的自然数）。
1 模糊 PID 汽车巡航控制系统
1.1 传统 PID 控制在汽车巡航控制中的运用 CCS 由信号输入装置、巡航控制电控单元和执行器
等组成。CCS 组成图如图 1 所示。汽车各种相关传感器和开关将信号送入 CCS 电控单元，电控单元由此计算发动机节气门开度，并控制执行器工作，自动调节发动机节气门开度。
1.2、1.0 km/h。该系统稳定速度快，超调量小，系统工作稳定，可以较好地满足汽车巡航系统中控制需求。
关键词：汽车，控制系统，模糊控制，速度，Matlab
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.06.032
中图分类号：TP273
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2012)-06-0197-06
汽车巡航控制系统可以降低汽车排气污染，提高汽车动力性能和乘坐舒适性等。汽车巡航控制系统具有很强的非线性和不确定性，传统的比例积分微分 PID（proportional-integral-derivative）控制不能满足实
收稿日期：2011-01-25 修订日期：2011-08-18 基金项目：江苏省高校自然科学基金项目（项目编号：10KJB170012）；江苏省教育厅产业化资助项目（项目编号：JS10-44）作者简介：仇成群（1980－），男，江苏盐城人，讲师，主要从事汽车电子产品设计与应用、模糊逻辑和神经网络研究等。盐城盐城师范学院物理科学与电子技术学院，224002。Email：qiuchengqun2000@ ※通信作者：刘成林（1964－），男，江苏盐城人，博士，教授，主要从事模糊逻辑和光电技术研究等。盐城盐城师范学院物理科学与电子技术学院，224002。Email：qcqqcq@
仇成群，刘成林，沈法华，等.基于 Matlab 和模糊 PID 的汽车巡航控制系统设计[J]. 农业工程学报，2012，28(6)：
197－202. Qiu Chengqun, Liu Chenglin, Shen Fahua, et al. Design of automobile cruise control system based on Matlab and fuzzy PID[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(6): 197－202. (in Chinese with English abstract)
PID 控制为比例—积分—微分控制，它是根据汽车实际行驶车速与设定车速之间的偏差，参考过去、针对现在、预估将来等各种状况，实现系统不变参数的汽车巡航控制。汽车行驶过程中，驾驶员设定某个车速值输入给控制器，当车速传感器将实际车速值也输入给控制器时，得到设定车速值和实际车速值之间的偏差。控制器的比例控制根据车速值偏差的大小输出相应的控制量来控制发动机节气门开度从而使得行驶车速趋近设定车速值。控制器的积分控制把车速偏差累计起来通过加大控制量减小车速偏差，使行驶车速能够保持恒定稳定工作状态。控制器的微分控制起预估作用。当被控制对象的特性复杂、具有强非线性或者时变性时，常规 PID 控制参数在调整不适当时会使控制系统振荡，工作状态不稳定，控制效果表现不佳，难以实现有效控制[3-6]。
图 2 模糊 PID 的控制原理
Fig.2 Principle of fuzzy PID control
1.2 模糊控制器的设计 1.2.1 定义输入语言变量
将巡航控制系统的速度误差绝对值|E|和速度误差变化率绝对值|EC|作为模糊控制器的输入语言变量。以它们变化范围来定义模糊集上的域论
|E|= {0，1，2，3，4，5} |EC|= {0，1，2，3，4，5} 对应的模糊子集为： |E|= {零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)} |EC|= {零（Z），小(S)，中(M)，大(B)} 1.2.2 定义输出语言变量定义 3 个输出语言变量：1）Kp′为比例系数调校参数； 2）Ti′为积分系数调校参数；3）Td′为微分系数调校参数。分别定义对应的语言值为 Kp′={零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)} Ti′={零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)} Td′={零(Z)，小(S)，中(M)，大(B)} 1.2.3 规则表建立从系统稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来制定控制规则。控制系统模糊规则制定要注意：当车速误差值较小时，需要加大比例控制作用、减小积分控制作用、系统可以有一定的误差。模糊控制器有 2 个输入语言变量|E|和|EC|，3 个输出语言变量 Kp′、Ti′和 Td′，归纳出模糊控制规则表。将隶属函数与参数调节规则输入模糊逻辑工具箱中，完成模糊控制器的设计，可得到 PID 参数模糊矩阵表[3-7]。当控制系统运行时，对模糊规则结果进行数据处理，然后完成对 PID 参数的调校。 1.3 模糊 PID 控制系统的设计速度误差绝对值|E|和速度误差变化率绝对值|EC|加到模糊控制器的输入端，模糊化过程将其转化为模糊输入语言变量，根据模糊推理规则推导出模糊输出量，最后经过解模糊过程输出精确的控制量 Kp′、Ti′ 和 Td′，它们的值被归一化为 0～1 之间的值。在实际 PID 控制器的应用中需要乘以适当的比例因子 Gp、Gi、Gd 以得到真正的 PID 参数 Kp、Ti、Td。汽车巡航系统的模糊 PID 控制原理图如图 2 所示。
第6期
仇成群等：基于 Matlab 和模糊 PID 的汽车巡航控制系统设计
199ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
表 1 比例-积分-微分系数调校参数的控制表
Table 1 Control of Kp′、Ti′、Td′
控制参数
|E|
0
1
|EC|
2
3
4
5
0 0.330 0.575 0.873 0.883 0.864
航的精度和稳定性，提出了一种基于 Matlab 和模糊 PID 的自适应模糊控制方法，该控制算法在线优化模糊控制规则以及
输出比例因子，既保留了传统模糊控制的优点，又有效改善了系统的控制品质，实车试验结果表明，试验车（上海大众
帕萨特 1.8 MT）在 40、60、80、100 km/h 定速巡航控制系统稳定时间分别在 38、53、65、80 s，超调量分别是 0.5、0.4、
依据比例 — 积分 — 微分控制的基本原理，建立一个 PID 控制器，在模糊控制过程中对 PID 控制参数进行实时调整，以达到改善和优化控制效果。实际车速和设定车速作为输入量，经过 PID 控制器的比例、积分、微分环节输出驱动力[9-16]。运行 Matlab 软件，打开模糊逻辑编辑器窗口。在汽车巡航系统的模糊 PID 控制中，模糊控制器的输入语言变量为速度误差绝对值|E|和速度误差变化率绝对值|EC|；输出语言变量为 PID 控制系数的在线调校参数 Kp′、Ti′、Td′。在模糊逻辑编辑器窗口中添加输入输出语言变量，并修改各自名称。依据已定义的输入输出语言变量，以及他们的模糊子集，完成各变量的隶属度函数的编辑。输入语言变量的范围是 [0 ～ 5] ，输出语言变量的范围是 [0～0.99]。为简化系统的设计，文中采用三角隶属度函数，最后修改各模糊子集的名称。依据归纳出的模糊控制规则表，列出 16 条控制语句，将控制语句输入规则编辑器。编辑好控制规则后，打开规则观察器。输入变量取不同的值时，系统依据重心法求出各输出变量的控制量。得出比例 — 积分 — 微分系数调校参数（Kp′、Ti′、Td′）的控制表如表 1 所示。打开曲面观察器，观察 3 个输出语言变量的控制曲面，比例—积分 —微分系数调校参数（Kp′、Ti′、Td′）的控制曲面如图 3 所示，控制曲面都成非线性，说明模糊控制本身是非线性，将建立起来的模糊控制系统保存到工作目录中。模糊控制器对 PID 控制的 3 个参数进行调校，将模糊控制与 PID 控制有效地结合起来建立模糊 PID 控制系统。