基于模糊PID控制的防誤踩電子節氣門控制系統研究

胡晶晶， 羅 欽

（1.重慶工程學院， 重慶 400056；2.廣安職業技術學院， 四川 廣安 638000）

1 電子節氣門控制系統的結構

隨著科技的飛速發展，汽車電子技術也得到了飛速發展。傳統的汽車電子節氣門是拉線式油門，后來慢慢改變為借助傳感器和電控單元達到對油門開度的控制，這種控制系統稱為汽車電子節氣門控制系統。通過對汽車電子節氣門控制系統的研究，能夠在一定程度上實現對發動機轉速、空燃比、自動巡航地精確控制。電子節氣門控制系統能夠在一定程度上方便人們的日常出行，也能在一定程度上起到環境保護、提高車輛行駛安全性等多種作用。

雖然汽車電子節氣門有眾多的優勢，但目前其仍然面臨很多挑戰，如節氣門閥受到傳動齒輪間隙、回位彈簧非線性彈力等因素的影響，從而會引起節氣門開度的惡化。傳統解決油門開度惡化的方式是控制定參數，但針對電子節氣門定參數效果并不好，所以需要應對非線性影響的控制方法來提高控制效果。本文設計了一種油門防誤踩系統，能夠識別緊急情況下誤踩油門的情況。現實中當司機遇到緊急情況時有可能會誤把油門當剎車踩，而本文設計的系統能夠在一定程度上對這一現象進行識別并及時采取強制措施，從而減少由誤踩油門產生的交通事故。該系統主要包含以下幾個部分[1]。

1.1 信號采集模塊

信號采集模塊主要是由一個加速度檢測模塊構成的。正常情況下，司機加速踩油門踏板時會有一個正常的加速值，但當緊急情況下司機誤踩油門時，油門踏板產生的加速度與正常值相比相差很大，會比正常值大很多。因此，設計一個加速度檢測模塊可以通過對加速值進行判斷，從而決策出此時司機是否誤踩油門[2]。

1.2 主控模塊

主控模塊是整個電子節氣門控制系統的核心部分，其硬件電路主要是由單片機最小系統構成。單片機通過計時器端口將信號檢測模塊的頻率數據進行讀取，然后對頻率數據進行分析處理，得出頻率的變化情況，從而計算得出速度變化率，此變化率也就是系統做控制所需要的加速度值。然后將此加速度值和預先設定好的門限值進行對比，若加速度值高于門限值，那么系統會立刻輸出一個高電平，此高電平作為觸發信號出發下一級的驅動，此時說明駕駛員進行錯誤的操作，誤將油門踏板當做剎車來踩，此時就會啟動緊急處理模式。

1.3 驅動與執行模塊

系統的執行模塊主要由驅動電路構成。主控模塊對制動系統的驅動作用主要是由多級放大電路和繼電器的通斷供電來完成的，另外，還可以完成對電子節氣門開度的調整、檢測到緊急情況時實現報警等功能。執行模塊主要包含：緊急制動、H橋式PWM控制驅動電路、怠速跛行三部分。

2 模糊PID控制器

2.1 PID控制參數整定

常規PID控制是一種閉環反饋控制算法，給定值與實際值之間的偏差作為即為誤差，因此常規PID控制是基于這種誤差的一種控制算法，也是一種以比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）三種算法線性組合在一起進行調整的閉環控制方法。通過選取適當的Kp、Ki、Kd值進行統籌兼顧、合理搭配，就能達到出理想的控制效果，從而更好地輔助實踐[3]。

PID控制器控制規則的過程可以用以下數學公式表達：

基于計算機采樣的離散化PID控制原理方程如下：

本文采用臨界比例法對參數進行整定。整定后得到PID控制參數初始值分別為：Kp0=1.3，Ki0=30.2，Kd0=0.012。

2.2 模糊PID控制器設計

本文對控制器的設計結構采用的是參數模糊在線整定的PID控制結構。首先，模糊控制器接收系統采樣值，然后對誤差e（k）和誤差的一階差分ec（k）進行二位模糊化，然后將模糊化后的結果輸入控制器進行推理操作，從而查詢模糊控制規則得出PID控制器中 kp、ki、kd的修正參數 Δkp、Δki、Δkd，然后解模糊化得到其精確值輸入控制流程達到相當于對PID控制器參數進行整定的效果。因此該PID控制結構比傳統PID控制具有更好的自適應的特性，更能保證控制系統的穩定性和精確性[4]。

2.2.1 模糊量化

系統為二維模糊化輸入，即誤差e（k）和誤差變化量ec（k），經研究本文將模糊語言變量e（k）、ec（k）的模糊論域均設置為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，輸出 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊論域分別設置為 [-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3]、[-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06]及[-3，-2，-1，0，1，2，3]。e（k）的基本論域為[-0.1，0.1]，誤差變化率ec（k）的基本論域為[-0.05，0.05]，論域轉換后按四舍五入取整，超過變化范圍的取邊際值。

經過去模糊化得到的精確值 ΔKp、ΔKi、ΔKd按以下公式對 kp、ki、kd進行整定：

2.2.2 模糊子集隸屬度函數

系統e（k）、ec（k）、ΔKpΔKiΔKd的模糊子集均設置為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。其中{NM}，{NS}，{ZO}，{PS}，{PM}的隸屬度描述選擇三角形隸屬度函數，邊際值的描述語言變量{PB}選擇S形隸屬度函數，{NB}選擇Z函數進行隸屬度描述。

2.2.3 模糊控制規則庫設計

模糊控制規則要統籌兼顧各個方面的因素，比如響應速度和超調量特性、震蕩穩定性特性。并且，控制規則不僅要考慮歷史時刻的誤差，還要考慮當前時刻以及將來可能產生的誤差變化，這樣才能針對誤差情況做相對應的預防措施。基于積分控制和微分控制的原理特性，ΔKi和ΔKd的模糊控制規則也要考慮和設計[5]。

2.2.4 模糊推理與去模糊化

系統的輸入信號為電子節氣門閥片的偏差和變化率，系統的輸出是一系列的PWM波形，通過PWM波形變化從而控制占空比。偏差的模糊語言變量E和偏差變化率 Ec為輸入，ΔKp、ΔKi、ΔKd為系統的輸出變量。根據每一組的模糊輸入變量，以及其隸屬度分布情況，從而得出被激活的模糊規則和前件滿足度，然后借助瑪丹尼方法得出預想結果的模糊集，將每一組激活規則對應的模糊集進行并運算，就能得到一個控制參數的輸出結果，然后就能求出ΔK'，最后只需要進行去模糊化操作。本文采用的去模糊化方法是重力中心法，這種方法能夠最大限度反映模糊輸出變量，也就是加權平均法，即：

通過此公式可以在系統軟件設計中建立一個模糊控制查詢表格，此表格中的輸入變量和輸出控制信號是一一對應關系。在系統軟件設計過程中，需要將此模糊控制表格預先存儲在單片機內存中，當系統進行到模糊控制時，只需通過系統的離線方式查詢表格中模糊控制量的值，在去模糊化的過程中乘以相應的比例因子就能得出最終的精確控制量[6]。

3 Matlab仿真分析

最后要借助Matlab仿真平臺搭建一個模糊PID控制系統仿真模型。找到Matlab模糊控制工具箱Fuzzy Logic，然后將輸入信號、輸出變量、以及模糊控制規則等變量輸入到模糊推理系統編輯器（Fis Editor），然后聯結到Simulink模型中的Fuzzy logic Controller模塊就能搭建出仿真模型。經仿真實驗證明，常規PID在加以模糊PID參數整定的調整補償之后，超調量明顯減小，系統震蕩減弱，靜態穩定性也得到了明顯提高。

4 結語

本文在硬件電路設計方面，對原車結構改動較小，靈活方便，操作簡單，并且還具備一定的可拓展性。同時模糊PID控制方法由于其離線查表的屬性，具有良好的模塊獨立性和便于實際應用的特點。