Matlab汽车运动控制系统设计

工业控制与应用 《自动化技术与应用》2010年第29卷第10期 MatIab汽车运动控制系统设计 刘美丽 (山东力明科技职业学院，山东济南250l16) 摘要：本课题以汽车运动控制系统的设计为应用背景，利用MATLAB语言‘对其进行设计与仿真。首先对汽车的运动原理进行分析， 建立控制系统模型，确定期碜的静态指标(稳态误差)和动态指标(超调量和卜升时间)，最终应用MATLAB环境下的．m文件来 实现汽车运动控制系统的设计。其中，．m文件用step()语句来绘制阶跃响应曲线，根据曲线中指标的变化进行PID校正。 关键词：PID校正，静态指标；动态指标；上升时间；稳态误差；最大超凋量 中图分类号：TP273文献标识码：B 文章编号：1003—724l(20lO)10—0015—04 TheDesignOfMOt．OnContrOISystemsBaSedOnMatlab LIUMei．H (ShandongLiIIlingPol她llIlic‰ationalC01lege，m觚250l16China) Abstract：Inthisdesign，mepmcessingofthecar’smovementisanalyzed，themodelofthecontrolsystemisbuiltandthestatic objectiVe(quieterror)anddynamicobjectives(rise—timeandmaximumovershoot)aremadeup．Finally，theM—filein MatrixLaboratoryenViromentisusedonthedesignofcontmlsystemofthecar’smoVement． Keywords：proponionalplusintegralplusderiVatiVecontroller；staticobjectiVe；dynamicobjectiVe；rise-time：quitee啪r；maximum overshoot 1 引言 在现代控制工程领域中，最为流行的计算机辅助设 计与教学工具软件是MATLAB语言。它是一种通用的 科技计算、图形交互系统和控制系统仿真的程序语言。 在可以实现数值分析、优化、统计、自动控制、信号及 图像处理等若干领域的计算和图形显示功能⋯。非常适 合现代控制理论的计算机辅助设计。MTALAB还提供 了一系列的控制语句【2·3l，这些语句的语法和使用规则 都类似FORTRAN，C等高级语言，但比高级语言更加 简洁。它已经成为国际控制界最为流行的计算机辅助 设计及教学工具软件，在科学与工程计算领域有着其它 语言无与伦比的优势。这正是本文的目的所在。 2 汽车运动控制系统分析 考虑图l所示的汽车运行控制系统。如果忽略车轮 的转动惯量，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与运动 收稿日期：201O—04—26 速度成正比，方向与汽车运动方向相反，则该系统可以 简化成简单的质量阻尼系统。 bv 摩擦力 驱动力u 速度v 加速度v 图1 汽车运动示意图 根据牛顿运动定律，该系统的模型(亦即系统的运动 方程) 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为 f。尘+枷：。 {，冀 (1) L 其中，u为汽车的驱动力。假定m=1000kg，b=50N． S／m，u=500N。 下一步讨论控制系统的设计要求。当汽车的驱动 万方数据 Ⅸ自动化技术与应用》20lo年第29卷第lo期 工业}空韦IJ与应用 力为500N时，汽车将在5秒内达到10m／s的速度。由 于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成 8％的超调量和1．8％的稳态误差。故控制系统的性能 指标为： (1)上升时间<5sl (2)最大超调量<8％l (3)稳态误差<1．8％。 其中，稳态误差为静态指标，超调量和上升时间为 动态指标。 3 汽车运动控制系统模型建立 为了得到控制系统的传递函数，对式(1)进行拉普拉 斯变换。假定系统的初始条件为零，则动态系统的拉普 拉斯变换为既然系统输出是汽车的运动速度，用Y(S)替 代V(S)，得到 {并搿j¨o)-“o (2)Ly(j)=y(j) 怕7 船y(s)+6y(J)=￡，(，) (3) 该控制系统的传递函数为 黑：熹 (4)U(s)柑拍 州 在此，我们建立好了系统的模型，后面就进行研究 系统的校正设计和仿真。 4 汽车运动控制系统PID控制器的 1艾计 传统的PID调节器的动作规律是： 即PID控制器的传递函数为K。+互+K。s：墅坐 (5) ‘ S S 这是典型的按偏差控制的负反馈结构，其中e是偏 差，即输出量与设定值之间的差；u是控制量，作用于被 控对象并引起输出量的变化。Kp是比例系数，其控制 效果是减少相应曲线的上升时间及静态误差，但无法做 到消除静态误差，因此，单纯的P校正是有差调节，一般 不会单独使用。Ki是积分增益系数，其控制效果是消除 静态误差。I是无差调节，但它会延长过渡过程时间，因 此，一般也不会单独使用。Kd是积分增益系统，其控制 效果是增强系统的稳定性，减小过渡过程时间，降低超 调量。Kp，Ki，Kd与系统时间域性能指标之间的关系见 下表1。 表1 PID调节参数与系统时间域性能 指标间关系 ’散名称 上升时锄 鼍谒量 过渡过程时旧 德卷1是蔓 lcp 破●· 省尤 微_·变化 减-、 n 减d· 增大 增，： 消除 髓 搬小变化 硪小 破小 儆_崾化 上表的意义是PID参数增大时各系统性能指标的 情况。当然，各参数与性能指标之间的关系不是绝对 的，只是表示一定范围内的相对关系。因为各参数之 间还要相互影响，一个参数变了，另外两个参数之间的 控制效果也会改变I4|。因此，在设计和整定PID参数 时，上表只起了一个定性的辅助作用。下面，我们将更 加清晰地了解PID校正的基本功能在MATLAB下实 现的方法。 5 PID校正的设计过程 我们从系统的原始状态出发，根据阶跃响应曲线， 利用串联校正的原理，以及参数变化对系统响应的影 响，对静态和动态性能指标进行具体的分析，最终设计 出满足我们需要的控制系统。 具体设计过程如下： (1) 分析未加校正装置的系统阶跃响应 根据前面的分析，我们已经清楚了，系统在未加入 任何校正环节时的传递函数，见表达式(4)，下面我们绘 制原始系统的阶跃响应曲线，相应的程序代码如下： ％关闭所有图形窗口 doseaUl ％清除内存变量 clearl m=1000l 醅50t ％系统开环传递函数 num=[1】， den=【mb】； ％显示结果 disp(‘原系统传函为：’) pritsys(num，den)， ％仿真数据初始化 t=0：0．Ol：120； ％绘制阶跃响应曲线 step(u+n1】m，den，t)l 万方数据 工业}空韦U与应用 《自动化技术与应用》20lo年第29卷第lo期 a】【is([0120O0．2】)1 ％给图形添加标题 title(‘SystemStepResponsebefore CORRECTl0N’)1 ％给横轴添加标注 Ⅺabd(‘m—sec’)1 ％给纵轴添加标注 ylabel(‘Respon鼬～v山e’)1 ％添加网格 gmI ％添加文本 te文t(45，0．7，‘原系统’) 得到的系统阶跃响应如图2所示。 ，，t一。一 ／’r厩幕缝 ／ 、 } | ／ ／ ／ ， 图2 未加入校正装置时系统的阶跃响应曲线 从图2中可以看出，系统的开环响应曲线未产生振 荡，属于过阻尼性质。这类曲线一般响应速度都比较 慢。果然，从图和程序中得知，系统的上升时间约l00 秒，稳态误差达到98％，远不能满足跟随设定值的要求。 这是因为系统传递函数分母的常数项为50，也就是说直 流分量的增益是l／50。因此时间趋于无穷远，角频率趋 于零时，系统的稳态值就等于1／50=0．02。为了大幅度 降低系统的稳态误差，同时减小上升时间，我们希望系 统各方面的性能指标都能达到一个满意的程度，应进行 比例积分微分的综合，即采用典型的PID校正。 (2)PID校正装置设计 对于本例这种工程控制系统，采用PID校正一般都 能取得满意的控制结果。此时系统的闭环传递函数为： 】，(s) K，)s2+KPJ+墨 u(s)(m+KD)52+(易+KP)5+墨 M Kp，Ki和Kd的选择一般先根据经验确定一个大致 的范围，然后通过MATLAB绘制的图形逐步校正。这 里我们取Kp=700，Ki=100，Kd=100。程序代码为： ％比例微分增益系数 Kp=7001 ．K仁100t I殂=100t ％PID校正后系统闭环传函数 n1】m=【KdKpKd】I den=【m+Kdb+kpKi】； disp(‘PID校正后的闭环传函为：’) 研ntSys(num，den)， t=O：0．0l：50l step(u奉n11111，den，t)l axis([0ll050】)， title(‘SyetemStepResponseafterPID CRRECTION’)。 mab咀(‘T缸ne一8ec’)l yhbd(‘R圜ponSe—value’)l grid叽； text(25，9．5，‘Kp=700Ki=100Kd=100’)； Maxpid=max(c)， ％计算超调量并显示结果 disp(‘PID的超调量为：’) Mppid=(Maxpid—10)／10 得到加入PID校正后系统的闭环阶跃响应如图 3所示。 ．厂—、t～{ | ‘萨7∞lkFl一k归1面 { f ／ f 图3 PID校正后系统的闭环阶跃响应曲线 从图3和程序运行结果中可以清楚的知道，系统的 万方数据 i赢术与应用》20lo年第29卷第10期工业}空韦U与应用 静态指标和动态指标，已经很好的满足了设计的要求。 上升时间小于5s，超调量小于8％，约为6．67。具体值可 由程序计算出。 6 结束语 从该设计我们可以看到，对于一般的控制系统来 说，应用PID控制是比较有效的，而且基本不用分析被控 对象的机理，只根据Kp，Ki和Kd的参数特性以及 MATLAB绘制的阶跃响应曲线进行设计即可。在 MATLAB环境下，我们可以根据仿真曲线来选择PID参 数。根据系统的性能指标和一些基本的整定参数的经 验，选择不同的PID参数进行仿真，最终确定满意的参 数。这样做一方面比较直观，另一方面计算量也比较 小，并且便于调整。 参考文献： 【l】苏金明，阮沈勇编著．MATLAB6．1使用指南【M】．北京： 电子工业出版社，2002，1． 【2】赵文峰等编著．MATLAB控制系统设计与仿真【M】．西 安：西安电子科技大学出版社，2002，3． 【3】尹泽明，丁春利等编著．精通MATLAB6【M】．北京：清华 大学出版社，2002，6． 【4】梅晓榕主编．自动控制原理【M】．北京：科学出版社，2002，9． 作者简介：刘美丽(1979一)，女，硕士，助教，研究领域：控制 理论与控制工程，计算机． (上接第6页) 本文将改进后的SMO算法结合灰色理论应用于大 型火电厂烟气含氧量的软测量建模： 1．基于数据的SVR学习参数获取方法，能有效降 低对建模人员经验要求，减少数据噪声对模型精度影 响，提高建模效率和模型精度。 2．对SMO算法内循环迭代优化步长的优化以及阈 值评定规则的引入，可以有效提高算法性能和效率。 3．应用灰色关联分析进行辅助变量选取，降低了 模型输入的维数及输入间的耦合程度，提高了软测量模 型的精度，具有一定的应用潜力。 改进后的sMO算法结合灰色理论建立的大型火电 厂氧量软测量模型能够满足应用的精度要求，为火电厂 氧量参数的软测量提供了可能。 参考文献： 【l】赵征，曾德良，田亮等．基于数据融合的氧量软测量研究 [J】．中国电机工程学报，2005，25(7)：7一12． 【2】常玉清，邹伟，王福利等．基于支持向量机的软测量方法 研究【J】．控制与决策，2005，20(11)：1307一13lO． 【3】PLATT．J．Fasttrai血gofSupportvector加achjn∞ u咖g9eqllentia】minjmaloptiITlizatio川M】．InB．Sch6lkopf， C．Burg箦，andA．smola，editOrS，AdvanO箦inKe朔eIMetb— ods—Supportve吐orL∞rr山19，MITPreSs，1998． 【4lSTEVEG．Su珥'orrtve!ctorMachinesClaSsification arldRegression【R】．ISISTechIlicalReport．IInageSpeech& InteU适朗tSyster璐Group，Unive眦yofSouthampton．May 10．1998． 【5】V．CHERKASSKE&Y．MA，’Practicalselection 0fsvMparametefsandmiseestima哟nforSVM删0n’ fJ】．NeuralNetworl【s，2004，17(1)：113～126． 【6】翟永杰，杨金芳，徐大平等．应用序列最小优化算法的火 电厂协调系统的预测【J】．动力工程，2005，25(6)：849—854． 【7】黄福臣，杨永国．基于灰色关联分析的动力煤质量评价 【J1．能源技术，2007，28(1)：11一13，16． 作者简介：乔弘(198l一)，男，博士，研究方向：系统建模与智 能优化控制． (上接第10页) 荷预测过程的优化研究【J】．制冷学报，2002，(2)：35—38． 【3】杨行峻，郑君里．人工神经网络【M】．北京：高等教育出版 社，1992． 【4】骆维军，李吉生，赵庆珠．蓄冰系统优化控制算法【J】．暖 通空调，2002，32(2)：82—84． 【5】袁东立，张钦，朱娜．某冰蓄冷空调系统优化设计拐a寸【J】． 暖通空调，2007，(5)：24—27． 作者简介：代如静(1984一)，女，硕士研究生，研究方向：智能 化自动化系统与装置． 万方数据 Matlab汽车运动控制系统设计 作者： 刘美丽， LIU Mei-li 作者单位： 山东力明科技职业学院,山东,济南,250116 刊名： 自动化技术与应用 英文刊名： TECHNIQUES OF AUTOMATION AND APPLICATIONS 年，卷(期)： 2010，29(10) 被引用次数： 0次 参考文献(4条) 1.苏金明,阮沈勇编著.MATLAB6.1使用指南[M].北京:电子工业出版社,2002,1. 2.赵文峰等编著.MATLAB控制系统设计与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002,3. 3.尹泽明,丁春利等编著.精通MATLAB6[M].北京:清华大学出版社,2002,6. 4.梅晓榕主编.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2002,9. 相似文献(1条) 1.期刊论文 胡书琴.严彩忠.张九根.HU SHUQIN.YAN CAIZHONG.ZHANG JIUGEN MATLAB下汽车运动控制简化模型的 PID校正 -微计算机信息2007,23(5) 本文并初步探讨了汽车运动的控制算法,包括横向控制算法和纵向控制算法,并建立起汽车运动控制系统的简化模型.在MATLAB环境下对汽车运动控制 系统进行PID和根轨迹的设计和校正.由此,确定汽车运动控制系统的期望静态指标(稳态误差)和动态指标(超调量和上升时间).该方法简便快捷,结果准确 可靠,它是汽车运动控制系统设计的优秀手段之一. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hljzdhjsyyy201010005.aspx 授权使用：武汉工程大学(whgc)，授权号：18961e15-9ebc-48a3-b0ba-9e9e00bc950e 下载时间：2011年3月6日