PID及模糊控制技术在智能小车中的应用

摘要: 介绍PID控制原理以及模糊控制的思路,并阐述他们在智能小车中的应用。

关键词: 模糊控制;PID控制;智能车

中图分类号:TN967 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2012)0910163-02

0 引言

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法,作为智能控制的一个重要分支,在控制领域有很广泛的应用,模糊控制和传统控制方法相比有以下突出优点:不需要精确的被控对象的数学模型;使用自然语言方法,控制方法易于掌握;使得控制量可以比较连续的变化。

智能车是通过电磁,激光,或摄像头作为传感器来搭建的可自动识别路线,追寻路线的智能小车,每年全国都会举行一次由各高校参加的智能车竞速赛,此项赛事已经发展了七个年头,各校的车辆速度越来越快,也因此对车辆的控制要求越来越高,因此需要越来越先进的控制思想和策略。本文通过介绍模糊控制的思想以及PID控制,引出了一种比较先进的速度控制算法。

1 模糊控制

以下是三阶的模糊控制的介绍。

2 速度模糊控制及PID的配合以及使用

2.1 偏差影响

在智能小车的具体运用中,偏差的优化很重要,过于没有规律的偏差会导致模糊算法计算出来的速度震荡严重,使得期望速度不符合赛道位置的要求,很可能导致小车在该减速的地方加速,在该加速的地方减速,这降低了小车的稳定性,尤其在高速运行的小车中更是容易出现失控的情况。以下两幅图是小车在一连续U型弯的运行中采集到的偏差以及经过滤波处理后的偏差。

直接使用采样偏差的控速效果很差,小车经常出现不应有的加速和减速,不仅影响小车速度,而且由于这些不适当的速度还导致偏差变化更不正常,使得小车越跑越不稳定。而在对偏差进行低通滤波处理之后得到的偏差图就要平滑很多,这样可以很大程度上规避前面提到的不适当速度控制。同时偏差变化率也是一个比较棘手的问题,以下是在偏差已经滤波后的偏差变化率的图像。

可见偏差变化率甚至比偏差更加无规律,而且为了保证偏差与偏差变化率90°的相位差,偏差变化率还不能做太大的滤波处理,解决这个的办法是偏差变化率的使用间隔更长的时间,比如偏差是使用的每3ms的采样数据,偏差变化率则可以使用每15ms或者更长时间的数据,以此来减弱偏差变化率频繁的震动现象。

2.2 PID影响

PID控制又通常有PI、PD、PID三种方法,在不断试验之后以及相关文献查阅后发现,对于电机控制PI是最好的。

偏差的使用上做了一定处理之后以及确定PI控制之后,还需要考虑PID的参数,对于PID分软硬两种,所谓硬是指PID控制能够很好的跟随期望变化,所谓软是指PID并不是完全的跟随期望变化的,有一些滞后于期望变化。在控制小车上,理论上应该是用硬PID调速的,因为只要期望速度正确,这样是可以让小车拥有最佳速度的,可是通过上面对偏差的分析可见,期望速度并没有达到理论那样的完美,如果用硬调速反而会使得小车不稳定。由此可见使用稍微有一点滞后的软调速,效果更好,这样通过这个滞后时间,它可以滤去很多不好的期望速度,让速度控制尽量达到理论的效果。

3 结语

PID以及模糊控制为智能小车的速度控制提供了比较先进的理论依据。通过对偏差及偏差变化率比较系统的处理后,更是让这两种理论可以有机的结合并且稳定高效的使用在智能小车系统中,为智能车竞赛提供了一些新的方向和技术支持。

参考文献:

[1]卓晴、黄开胜、邵贝贝,学做智能车:挑战“飞思卡尔”杯[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:3-5.

[2]Richard C Dorf,Robert H Bishop.Modern ConTrol Systems[M].Reading,Massachusetts: Addison Wesley Longman Inc., 1998:366-368.

[3]刘明俊、杨壮志、张拥军、郭鸿武,计算机控制原理与技术长沙:国防科技大学出版社,1999:87-94.

[4]陶永华,新型PID控制及其应用[M].机械工业出版社,2002.

[5]吴忠强,控制系统仿真及MATLAB语言[M].电子工业出版社,2009