基于模糊PID控制器的汽車雨刮系統的研究

趙 巖，張春晶

（黑龍江科技學院 電氣與信息工程學院，哈爾濱 150027）

0 引言

模糊控制不需要建立精確的數學模型，而是運用模糊理論將人的經驗知識、思維進行推理，控制過程的方法與策略由所謂模糊控制器來實現。模糊控制對那些難以獲得數學模型或模型非常粗糙的工業系統有獨特優勢。傳統的PID控制技術已經比較成熟，結構簡單，性能穩定可靠，但也存在一些不足。例如，無法有效克服負載參數的大范圍變化和非線性因素對系統造成的影響，因而，不能滿足高性能、高精度的要求。因此，模糊控制理論在工業控制領域中能發揮重要作用。我們采用參數自整定模糊PID控制器，代替傳統的PID調節器，就是將模糊控制中模糊推理的思想和常規的PID控制結合起來，將誤差和誤差變化率作為模糊推理機的輸入，然后對PID的3個參數進行在線自整定。這樣可以取得較好的控制效果。

1 工作原理

本文設計的雨刮器是采用具有高速和低速兩個檔位的雨刮電機來同時控制兩個雨刮，雨刮器不工作時，兩個雨刮都停在風擋玻璃的中間，即雨刮電機復位位置。我們用PIC單片機來控制整個系統，當PIC16F873的 RA0口檢測到紅外線雨滴傳感器的信號時，即有雨滴落在風擋玻璃上，兩個雨刮就分別左右擺動，當小雨時，雨刮器工作在低速擋，當大雨時，雨刮器工作在高速擋。由于生產工藝的問題，兩個雨刮電機的轉速不可能完全一樣，就會存在兩個雨刮擺動不同步的問題。用電機的復位信號來檢測兩個雨刮運動的快慢，哪個雨刮先到復位位置，說明它快，通過單片機的PWM口（RC1和RC2），對快的進行斬波。雨刮每運行一個周期比較一次，哪個先到復位位置就對哪個斬波，直到兩個雨刮無論在低速狀態還是高速狀態，都達到同步擺動[1]。系統方框圖如圖1所示。

圖1 汽車雨刮系統方框圖

2 模糊控制原理

在汽車雨刮系統中，有許多非線性因素都會對雨刮同步造成影響。這樣，我們就需要用人的經驗知識來調整PWM信號的占空比。使兩個雨刮同步擺動。因此，考慮將PID控制算法的實用性與模糊控制算法的智能性相結合，實現優勢互補，研究一種參數自整定模糊PID控制器對汽車雨刮控制系統進行控制。可以減小系統的振蕩性、超調量和調節時間，提高系統總體控制效果的性能指標。典型的模糊自整定PID控制系統的結構如圖2所示。

圖2 參數自整定模糊PID控制器結構圖

模糊控制器是模糊控制的關鍵，本模糊控制器的輸入語言變量是兩個雨刮到達復位位置的時間偏差絕對值|E|和時間偏差變化率絕對值|EC|，輸出語言變量是PID參數KP、KI、KD，輸入、輸出語言變量的語言值分別為負大（NB）、負中（NM）、負小（NS）、零（ZE）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB），其隸屬度函數為三角形。解模糊化（defuzzification）采用加權平均的重心法[2]。

模糊控制設計的核心是總結設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表。下面根據參數KP、KI和KD對系統輸出特性的影響情況，在不同的|E|和|EC|時，被控過程對參數KP、KI、KD的自整定要求為：1）當誤差|E|較大時，為加快系統的響應速度，應取較大的KP；同時為了避免系統在初始時，由于誤差的瞬時增大可能出現的微分飽和而使控制作用超出允許的范圍，此時，應取較小的KD。同時，為了防止系統響應出現較大的超調，產生積分飽和，對積分作用應加以限制，所以，此時應取KI=0。2）當誤差|E|適中時，為使系統具有較小的超調，應取稍小的KP；此時KD的取值對系統的影響較大，所以KD的值要大小適中，以保證系統的響應速度。同時，可增加一些積分對控制的作用，KI太大，易造成積分飽和，太小不能加快系統響應速度，所以KI取值要適當。3）當誤差|E|較小時，為使系統具有良好的穩態性能，應取較大的KP、KI；同時為避免系統在設定值附近產生振蕩，KD值的選擇非常重要。一般情況下：當|E|較小時，KD可取大些，當|E|變大時，KD可取小些[3]。

由以上分析和語言變量的定義，我們可以總結出KP、KI、KD的自調整規則，分別如表1，表2，表3所示。

表1 KP調整規則表

表2 KZ調整規則表

表3 KD調整規則表

3 仿真實驗分析

在工業過程中，二階對象是很普遍的，為了不失一般性，我們取 作為雨刮系統的模型。我們使用與 MATLAB 具有交互編程功能的 Simulink 軟件包，仿真結果如圖3所示[4]，可以看出與PID控制器和常規模糊控制器相比較，參數自整定模糊PID控制器具有調節速度快，超調量小，控制精度高等特點。

圖3 系統響應曲線

4 結論

本文仿真實現了一個基于參數自整定模糊PID控制器的汽車雨刮系統,其特點是在常規PID調節器的基礎上，應用模糊集合理論建立PID參數、、同誤差絕對值、誤差變化絕對值之間的調整規則，并根據系統的誤差、誤差變化率實時整定PID參數的一種模糊控制器。這種控制方法較之常規的固定模糊控制規則的模糊控制方法,對環境變化有較強的自適應能力，可以更好地提高系統的控制性能。

[1] 李學海.PIC單片機[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004,236-240.

[2] 廉小親.模糊控制技術[M].北京:中國電力出版社,2003,32- 52.

[3] 諸靜.模糊控制原理與應用[M].北京:機械工業出版社,1995,194-239.

[4] 聞新,周露,李東江.MATLAB模糊邏輯工具箱的分析與應用[M].北京:科學出版社,2001,112-128.