基于模糊PID控制器的汽車雨刮系統(tǒng)的研究

趙 巖，張春晶

（黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027）

0 引言

模糊控制不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是運(yùn)用模糊理論將人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、思維進(jìn)行推理，控制過程的方法與策略由所謂模糊控制器來實(shí)現(xiàn)。模糊控制對那些難以獲得數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙的工業(yè)系統(tǒng)有獨(dú)特優(yōu)勢。傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，但也存在一些不足。例如，無法有效克服負(fù)載參數(shù)的大范圍變化和非線性因素對系統(tǒng)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(yè)控制領(lǐng)域中能發(fā)揮重要作用。我們采用參數(shù)自整定模糊PID控制器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器，就是將模糊控制中模糊推理的思想和常規(guī)的PID控制結(jié)合起來，將誤差和誤差變化率作為模糊推理機(jī)的輸入，然后對PID的3個(gè)參數(shù)進(jìn)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(shè)計(jì)的雨刮器是采用具有高速和低速兩個(gè)檔位的雨刮電機(jī)來同時(shí)控制兩個(gè)雨刮，雨刮器不工作時(shí)，兩個(gè)雨刮都停在風(fēng)擋玻璃的中間，即雨刮電機(jī)復(fù)位位置。我們用PIC單片機(jī)來控制整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)PIC16F873的 RA0口檢測到紅外線雨滴傳感器的信號(hào)時(shí)，即有雨滴落在風(fēng)擋玻璃上，兩個(gè)雨刮就分別左右擺動(dòng)，當(dāng)小雨時(shí)，雨刮器工作在低速擋，當(dāng)大雨時(shí)，雨刮器工作在高速擋。由于生產(chǎn)工藝的問題，兩個(gè)雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就會(huì)存在兩個(gè)雨刮擺動(dòng)不同步的問題。用電機(jī)的復(fù)位信號(hào)來檢測兩個(gè)雨刮運(yùn)動(dòng)的快慢，哪個(gè)雨刮先到復(fù)位位置，說明它快，通過單片機(jī)的PWM口（RC1和RC2），對快的進(jìn)行斬波。雨刮每運(yùn)行一個(gè)周期比較一次，哪個(gè)先到復(fù)位位置就對哪個(gè)斬波，直到兩個(gè)雨刮無論在低速狀態(tài)還是高速狀態(tài)，都達(dá)到同步擺動(dòng)[1]。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 汽車雨刮系統(tǒng)方框圖

2 模糊控制原理

在汽車雨刮系統(tǒng)中，有許多非線性因素都會(huì)對雨刮同步造成影響。這樣，我們就需要用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來調(diào)整PWM信號(hào)的占空比。使兩個(gè)雨刮同步擺動(dòng)。因此，考慮將PID控制算法的實(shí)用性與模糊控制算法的智能性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，研究一種參數(shù)自整定模糊PID控制器對汽車雨刮控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。可以減小系統(tǒng)的振蕩性、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，提高系統(tǒng)總體控制效果的性能指標(biāo)。典型的模糊自整定PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 參數(shù)自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊控制器是模糊控制的關(guān)鍵，本模糊控制器的輸入語言變量是兩個(gè)雨刮到達(dá)復(fù)位位置的時(shí)間偏差絕對值|E|和時(shí)間偏差變化率絕對值|EC|，輸出語言變量是PID參數(shù)KP、KI、KD，輸入、輸出語言變量的語言值分別為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（ZE）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB），其隸屬度函數(shù)為三角形。解模糊化（defuzzification）采用加權(quán)平均的重心法[2]。

模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表。下面根據(jù)參數(shù)KP、KI和KD對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，在不同的|E|和|EC|時(shí)，被控過程對參數(shù)KP、KI、KD的自整定要求為：1）當(dāng)誤差|E|較大時(shí)，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的KP；同時(shí)為了避免系統(tǒng)在初始時(shí)，由于誤差的瞬時(shí)增大可能出現(xiàn)的微分飽和而使控制作用超出允許的范圍，此時(shí)，應(yīng)取較小的KD。同時(shí)，為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，對積分作用應(yīng)加以限制，所以，此時(shí)應(yīng)取KI=0。2）當(dāng)誤差|E|適中時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取稍小的KP；此時(shí)KD的取值對系統(tǒng)的影響較大，所以KD的值要大小適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。同時(shí)，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(tǒng)響應(yīng)速度，所以KI取值要適當(dāng)。3）當(dāng)誤差|E|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大的KP、KI；同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近產(chǎn)生振蕩，KD值的選擇非常重要。一般情況下：當(dāng)|E|較小時(shí)，KD可取大些，當(dāng)|E|變大時(shí)，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(jié)出KP、KI、KD的自調(diào)整規(guī)則，分別如表1，表2，表3所示。

表1 KP調(diào)整規(guī)則表

表2 KZ調(diào)整規(guī)則表

表3 KD調(diào)整規(guī)則表

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

在工業(yè)過程中，二階對象是很普遍的，為了不失一般性，我們?nèi)?作為雨刮系統(tǒng)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(jié)果如圖3所示[4]，可以看出與PID控制器和常規(guī)模糊控制器相比較，參數(shù)自整定模糊PID控制器具有調(diào)節(jié)速度快，超調(diào)量小，控制精度高等特點(diǎn)。

圖3 系統(tǒng)響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

本文仿真實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于參數(shù)自整定模糊PID控制器的汽車雨刮系統(tǒng),其特點(diǎn)是在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論建立PID參數(shù)、、同誤差絕對值、誤差變化絕對值之間的調(diào)整規(guī)則，并根據(jù)系統(tǒng)的誤差、誤差變化率實(shí)時(shí)整定PID參數(shù)的一種模糊控制器。這種控制方法較之常規(guī)的固定模糊控制規(guī)則的模糊控制方法,對環(huán)境變化有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，可以更好地提高系統(tǒng)的控制性能。

[1] 李學(xué)海.PIC單片機(jī)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004,236-240.

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

[3] 諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)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(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2001,112-128.