PID控制器在智能汽車速度控制方面的應用*

齊忠琪 魯斐

新疆師范大學教育科學學院 烏魯木齊 830053

PID控制器在智能汽車速度控制方面的應用*

齊忠琪 魯斐

新疆師范大學教育科學學院 烏魯木齊 830053

PID控制器是一個具有反饋環節的自動化控制系統，它普遍應用于工業自動化控制領域。智能汽車是指能自動識別路徑，并能在規定路徑上自動行駛的汽車模型。在探討PID控制器結構與工作原理的基礎上，提出智能汽車車速PID控制器系統的設計思路。

PID；智能汽車；控制系統

Author’s address Col lege of Education Science, Xinj iang Normal University, Urumqi, China 830053

為加強大學生實踐、創新能力和團隊精神的培養，促進高等教育教學改革，2005年，由飛思卡爾半導體公司資助，教育部高等學校自動化專業教學指導分委員會主辦的每年一屆的全國大學生智能汽車競賽拉開序幕。該競賽以智能汽車為研究對象，要求參賽選手使用競賽秘書處統一指定的車模套件，采用飛思卡爾半導體公司生產的單片機作為核心控制單元，自主構思智能車的控制方案，完成智能車工程制作及調試，于指定日期與地點參加比賽。該競賽要求參賽車輛必須沿著規定的賽道行駛，且速度最快者獲勝；車輛如在比賽中多次沖出賽道，則判定為比賽失敗。由于賽道設計直道較少、彎道居多，如車模速度過快，極易沖出賽道；速度較低，則會影響比賽成績。怎樣為智能車設計一個平均速度較快且又能隨賽道變化自動變速的速度控制系統？這便是本文研究的重點。

1 智能車速度控制方案的提出

智能車的速度取決于車模自身驅動電機的轉速，驅動電機的轉速受制于電機驅動模塊輸出電流的大小，電機驅動模塊輸出電流的大小受制于智能車控制核心——單片機輸出的脈沖頻率和占空比。在單片機輸出的脈沖頻率為定值時，脈沖占空比越大，驅動電機轉速就越高；反之，轉速就低。在智能車行駛過程中，如果賦予智能車驅動電機以較高速度，車模在直道行駛中不會有任何問題；但車模在通過彎道時，由于車模方向控制的機械系統具有惰性，車輛自身具有慣性，車模就極易從彎道的入口處沖出賽道。所以欲保證智能車在不沖出賽道的前提下又達到一定的平均速度，則智能車的速度必須是可變的，即直道速度要快，彎道速度要慢，且速度控制系統的響應時間要短。因此，筆者認為：智能車的速度控制系統必須是一個由PID控制器組成的閉環控制系統。

圖1 PID控制方框圖

2 PID控制器結構框圖與系統控制原理

2.1 PID控制器結構框圖

PID（Propor tional Integral Dif ferential）控制器是一個具有反饋環節的自動化控制系統，其結構框圖見圖1。

PID控制器各參量之間的關系表達式如下：

2.2 PID控制器工作原理

PID控制器是一種線性閉環控制器。控制標準值r(t)與被控對象反饋量f(t)產生一個代數和a(t)，再對a(t)分別進行積分、微分和添加控制因子K后形成被控對象的控制參量，用此控制參量去控制被控對象，從而使被控對象在設計要求的狀態下進行工作。

其中的比例部分用來控制系統的響應速度和系統的調節精度。積分部分的主要作用是確保在系統穩態時過程輸出和設定值一致。微分部分的主要作用是改善閉環系統的穩定性。每一部分的參數需要在實際工程中予以設定與現場調整。

3 智能汽車車速PID控制器的設計

3.1 PID控制器輸入標準值的設定

由于智能汽車在運行過程中，車速必須隨賽道的變化而變化，所以車的速度對于某個路段來說是恒速的，而對于整個賽道來講它又是變速的。所以此系統中的PID控制器所要輸入的標準值一定要受控于路徑傳感器的輸出電壓。基本方法是：對路徑傳感器輸出的有效電壓取絕對值，然后再乘以固定系數，用得到的積作為輸入標準電壓。

3.2 PID控制器被控對象控制參量的設定

圖2 系統結構框圖

智能汽車中的驅動電機是PID控制器的受控對象，電機的速度由單片機輸出的PWM脈沖頻率和脈寬所決定，在實際操作過程中采用頻率固定、脈寬可調的方法進行控制。驅動電機理想速度還受制于賽道材料的摩擦力、賽道路徑變化等條件制約。所以驅動電機的標準控制參量一般預設3個固定值，一個為直道時的控制參量，其余兩個為不同角度彎道時的控制參量。預設的控制參量是否合適，還需要在車模試跑中予以調整，以保證車模在不沖出賽道時保持盡可能高的速度。

3.3 智能汽車車速PID控制器系統結構框圖及工作原理

1）智能汽車車速PID控制器系統結構框圖如圖2所示。

2）智能汽車車速PID控制器系統工作原理。路徑傳感器在系統中負責檢測賽道變化情況，并完成將賽道位置信息轉換為電壓信息的任務。濾波器用以濾除路徑傳感器輸出電壓中干擾成分，并負責對路徑傳感器輸出電壓進行一定的調整。然后將此電壓作為車速PID控制器系統中的標準輸入電壓r(t)。取樣電路用以檢測電機轉速，并負責將速度信息轉換為電壓信息。反饋電路將取樣電路輸出的電壓變換后形成f(t)送往比較器，r(t)與f (t)通過比較器求代數和a(t)，然后將值送往PID控制單元。PID控制單元對a(t)進行處理，處理后的結果u(t)送往PWM控制電路，用以控制PWM電路輸出的脈沖寬度，最終起到控制驅動電機的作用。

4 小結

普遍應用于工業自動化控制領域的PID控制器，是一個具有反饋環節的自動化控制系統。在智能汽車車速控制中應用PID控制器，可以有效控制智能汽車在不同賽道上的速度，且具有速率變化迅速及運行平穩的特點。

需要注意的是，在此系統中輸入標準值和輸出標準值，需要根據不同賽道參數和不同類型的電機在實踐中予以設定和調整。

[1]朱大奇.計算機過程控制技術[M].南京:南京大學出版社,2001:290-310.

[2]喬維德.永磁無刷直流電動機的模糊PID控制研究[J].電氣傳動自動化,2009(4):31-34.

Design and Implementation of Intel ligent Vehicle Speed Cont rol System based PID Cont rol ler//

Qi Zhongqi, Lu Fei

PID cont rol ler is an automatic cont rol system including feedback stage. It is widely used in the f ield of industrial automatic cont rol. Intel l igent vehicle is a vehicle model which can identify the path automatical ly and go on the speci f ied path automatical ly. According to research on the st ructure and principle of PID cont rol ler, we design and implement the intel l igent vehicle speed control system based on PID cont rol ler.

PID; intel l igent vehicle; control system

TP273

B

1671-489X(2012)21-0105-02

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.21.105

?新疆師范大學教育科學學院學生科技創新項目支持（項目批準號：JY2011030）。

作者：齊忠琪，高級實驗師，研究方向為通用技術。