基于模糊PID控制的防誤踩電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究

胡晶晶， 羅 欽

（1.重慶工程學(xué)院， 重慶 400056；2.廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 廣安 638000）

1 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

隨著科技的飛速發(fā)展，汽車電子技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。傳統(tǒng)的汽車電子節(jié)氣門是拉線式油門，后來慢慢改變?yōu)榻柚鷤鞲衅骱碗娍貑卧_到對油門開度的控制，這種控制系統(tǒng)稱為汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。通過對汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究，能夠在一定程度上實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、空燃比、自動巡航地精確控制。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)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(huán)境保護、提高車輛行駛安全性等多種作用。

雖然汽車電子節(jié)氣門有眾多的優(yōu)勢，但目前其仍然面臨很多挑戰(zhàn)，如節(jié)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(jié)氣門開度的惡化。傳統(tǒng)解決油門開度惡化的方式是控制定參數(shù)，但針對電子節(jié)氣門定參數(shù)效果并不好，所以需要應(yīng)對非線性影響的控制方法來提高控制效果。本文設(shè)計了一種油門防誤踩系統(tǒng)，能夠識別緊急情況下誤踩油門的情況。現(xiàn)實中當(dāng)司機遇到緊急情況時有可能會誤把油門當(dāng)剎車踩，而本文設(shè)計的系統(tǒng)能夠在一定程度上對這一現(xiàn)象進行識別并及時采取強制措施，從而減少由誤踩油門產(chǎn)生的交通事故。該系統(tǒng)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(gòu)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(dāng)緊急情況下司機誤踩油門時，油門踏板產(chǎn)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(shè)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(jié)氣門控制系統(tǒng)的核心部分，其硬件電路主要是由單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成。單片機通過計時器端口將信號檢測模塊的頻率數(shù)據(jù)進行讀取，然后對頻率數(shù)據(jù)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(tǒng)做控制所需要的加速度值。然后將此加速度值和預(yù)先設(shè)定好的門限值進行對比，若加速度值高于門限值，那么系統(tǒng)會立刻輸出一個高電平，此高電平作為觸發(fā)信號出發(fā)下一級的驅(qū)動，此時說明駕駛員進行錯誤的操作，誤將油門踏板當(dāng)做剎車來踩，此時就會啟動緊急處理模式。

1.3 驅(qū)動與執(zhí)行模塊

系統(tǒng)的執(zhí)行模塊主要由驅(qū)動電路構(gòu)成。主控模塊對制動系統(tǒng)的驅(qū)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(jié)氣門開度的調(diào)整、檢測到緊急情況時實現(xiàn)報警等功能。執(zhí)行模塊主要包含：緊急制動、H橋式PWM控制驅(qū)動電路、怠速跛行三部分。

2 模糊PID控制器

2.1 PID控制參數(shù)整定

常規(guī)PID控制是一種閉環(huán)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(guī)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(diào)整的閉環(huán)控制方法。通過選取適當(dāng)?shù)腒p、Ki、Kd值進行統(tǒng)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(guī)則的過程可以用以下數(shù)學(xué)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(shù)進行整定。整定后得到PID控制參數(shù)初始值分別為：Kp0=1.3，Ki0=30.2，Kd0=0.012。

2.2 模糊PID控制器設(shè)計

本文對控制器的設(shè)計結(jié)構(gòu)采用的是參數(shù)模糊在線整定的PID控制結(jié)構(gòu)。首先，模糊控制器接收系統(tǒng)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(jié)果輸入控制器進行推理操作，從而查詢模糊控制規(guī)則得出PID控制器中 kp、ki、kd的修正參數(shù) 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(dāng)于對PID控制器參數(shù)進行整定的效果。因此該PID控制結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)PID控制具有更好的自適應(yīng)的特性，更能保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性[4]。

2.2.1 模糊量化

系統(tǒng)為二維模糊化輸入，即誤差e（k）和誤差變化量ec（k），經(jīng)研究本文將模糊語言變量e（k）、ec（k）的模糊論域均設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換后按四舍五入取整，超過變化范圍的取邊際值。

經(jīng)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(shù)

系統(tǒng)e（k）、ec（k）、ΔKpΔKiΔKd的模糊子集均設(shè)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(shù)，邊際值的描述語言變量{PB}選擇S形隸屬度函數(shù)，{NB}選擇Z函數(shù)進行隸屬度描述。

2.2.3 模糊控制規(guī)則庫設(shè)計

模糊控制規(guī)則要統(tǒng)籌兼顧各個方面的因素，比如響應(yīng)速度和超調(diào)量特性、震蕩穩(wěn)定性特性。并且，控制規(guī)則不僅要考慮歷史時刻的誤差，還要考慮當(dāng)前時刻以及將來可能產(chǎn)生的誤差變化，這樣才能針對誤差情況做相對應(yīng)的預(yù)防措施?；诜e分控制和微分控制的原理特性，ΔKi和ΔKd的模糊控制規(guī)則也要考慮和設(shè)計[5]。

2.2.4 模糊推理與去模糊化

系統(tǒng)的輸入信號為電子節(jié)氣門閥片的偏差和變化率，系統(tǒng)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(tǒng)的輸出變量。根據(jù)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(guī)則和前件滿足度，然后借助瑪?shù)つ岱椒ǖ贸鲱A(yù)想結(jié)果的模糊集，將每一組激活規(guī)則對應(yīng)的模糊集進行并運算，就能得到一個控制參數(shù)的輸出結(jié)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(quán)平均法，即：

通過此公式可以在系統(tǒng)軟件設(shè)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(yīng)關(guān)系。在系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中，需要將此模糊控制表格預(yù)先存儲在單片機內(nèi)存中，當(dāng)系統(tǒng)進行到模糊控制時，只需通過系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)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(guī)則等變量輸入到模糊推理系統(tǒng)編輯器（Fis Editor），然后聯(lián)結(jié)到Simulink模型中的Fuzzy logic Controller模塊就能搭建出仿真模型。經(jīng)仿真實驗證明，常規(guī)PID在加以模糊PID參數(shù)整定的調(diào)整補償之后，超調(diào)量明顯減小，系統(tǒng)震蕩減弱，靜態(tài)穩(wěn)定性也得到了明顯提高。

4 結(jié)語

本文在硬件電路設(shè)計方面，對原車結(jié)構(gòu)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(yīng)用的特點。