PID及模糊控制算法

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第3章
智能汽车设计基础—软件 智能汽车设计基础—
1 3.1
编程语言简介
2 3.2
控制算法
3
思考题
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3.1 编程语言简介
汇编语言是用符号指令书写程序的语言， 汇编语言是用符号指令书写程序的语言，是依赖于硬 件平台的语言，对于不同架构的CPU都会有相应的汇编指令。 CPU都会有相应的汇编指令 件平台的语言，对于不同架构的CPU都会有相应的汇编指令。 汇编语言可以直接操作CPU内部的寄存器以及各种外围设备， CPU内部的寄存器以及各种外围设备 汇编语言可以直接操作CPU内部的寄存器以及各种外围设备， 对于单片机启动开始运行或者对于时序要求严格的I/O I/O操作 对于单片机启动开始运行或者对于时序要求严格的I/O操作 必须采用汇编语言编写， 必须采用汇编语言编写，在启动开始运行时汇编语言创建系 统的运行环境。 统的运行环境。 C语言的特点就是可以使程序员尽量少地对硬件进行操 具有很强的功能性、结构性和可移植性。由于C 作，具有很强的功能性、结构性和可移植性。由于C语言具 有语言简洁、紧凑，使用灵活、方便， 有语言简洁、紧凑，使用灵活、方便，运算符和数据类型丰 可以直接访问物理地址，进行位操作， 富，可以直接访问物理地址，进行位操作，能实现汇编语言 的大部分功能，可以直接对硬件进行操作，因此C语言既具 的大部分功能，可以直接对硬件进行操作，因此C 有高级语言的功能，又具有汇编语言的功能， 有高级语言的功能，又具有汇编语言的功能，对于编写与硬 件相关的应用程序而言具有明显的优势。 件相关的应用程序而言具有明显的优势。
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3.2
1
控制算法
2 3.2.2 模糊控制算法 3 3.2.3 其它智能 控制算法
3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
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3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
PID（ Differential） PID（Proportional Integral Differential） 控制是比例、积分、微分控制的简称。 控制是比例、积分、微分控制的简称。在自动控制 领域中，PID控制是历史最久 控制是历史最久、 领域中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本 控制方式。 控制方式。 PID控制器的原理是根据系统的被调量实测值 PID控制器的原理是根据系统的被调量实测值 与设定值之间的偏差，利用偏差的比例 积分、 比例、 与设定值之间的偏差，利用偏差的比例、积分、微 分三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控 制量。图3.1是常规PID控制系统的原理框图。 制量。 3.1是常规PID控制系统的原理框图。 是常规PID控制系统的原理框图
根据被控对象动态特性和控制要求的不同， 根据被控对象动态特性和控制要求的不同， (3.2)中还可以只包含比例和积分的PI调节或者 中还可以只包含比例和积分的PI 式(3.2)中还可以只包含比例和积分的PI调节或者 只包含比例微分的PD调节。下面主要讨论PID控制 只包含比例微分的PD调节。下面主要讨论PID控制 PD调节 PID 的特点及其对控制过程的影响、数字PID控制策略 的特点及其对控制过程的影响、数字PID控制策略 PID 的实现和改进，以及数字PID控制系统的设计和控 的实现和改进，以及数字PID控制系统的设计和控 PID 制参数的整定等问题。 制参数的整定等问题。
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3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
常规PID PID控制系统原理框图 图3.1 常规PID控制系统原理框图
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3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
其中虚线框内的部分是PID控制器， 其中虚线框内的部分是PID控制器，其输入为设定值 PID控制器 r (t ) 与被调量实测值 y (t ) 构成的控制偏差信号 e(t ) ： e(t ) = r (t ) − y (t ) (3.1) 其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合， 其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合， 也即PID控制律： PID控制律 也即PID控制律：
1 u (t ) = K P e(t ) + TI
∫
de(t ) e(t )dt + TD 0 dt
t
(3.2)
K 式中， 为比例系数； 为积分时间常数； 式中， P为比例系数；TI 为积分时间常数；TD为微分 时间常数。 时间常数。
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3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
1 u (t ) = K p e(t ) + Ti
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∫
de(t ) e(t )dt + Td 0 dt
t
(3.5)
3.2.1 PIDΒιβλιοθήκη Baidu制算法 PID控制算法
式中，称为微分时间。理想的PID控制器对偏差阶跃变化的响 式中，称为微分时间。理想的PID控制器对偏差阶跃变化的响 PID 应如图3.4所示， 应如图3.4所示，它在偏差变化的瞬间处有一个冲激式的瞬 3.4所示 态响应，这就是由微分环节引起的。 态响应，这就是由微分环节引起的。
智能汽车设计基础— 第3章 智能汽车设计基础—软件
第3章
智能汽车设计基础—软件 智能汽车设计基础—
在智能车系统的设计中，硬件是基础， 在智能车系统的设计中，硬件是基础，没有一个好的硬 件平台，软件就无法运行。对于智能车系统来说， 件平台，软件就无法运行。对于智能车系统来说，软件的核心 是控制算法。而完成这些任务的编程语言有汇编语言和C语言。 是控制算法。而完成这些任务的编程语言有汇编语言和C语言。 软件部分是整个智能车系统的灵魂，在硬件方面各参赛队之间 软件部分是整个智能车系统的灵魂， 大同小异， 大同小异，真正体现各参赛队智能车的优势和最后决定比赛成 绩好坏的往往是软件部分，尤其是核心控制算法的设计。 绩好坏的往往是软件部分，尤其是核心控制算法的设计。本章 首先简要介绍软件编程中使用的汇编语言和C语言各自的特点， 首先简要介绍软件编程中使用的汇编语言和C语言各自的特点， 然后重点介绍核心控制算法的原理。 然后重点介绍核心控制算法的原理。
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3.1 编程语言简介
在绝大多数场合，采用C 在绝大多数场合，采用C语言编程即可完成预 期的目的，但是对实时时钟系统、 期的目的，但是对实时时钟系统、要求执行效率高 的系统就不适合采用C语言编程， 的系统就不适合采用C语言编程，对这些特殊情况 进行编程时要结合汇编语言。 进行编程时要结合汇编语言。汇编语言具有直接和 硬件打道、执行代码的效率高等特点，可以做到C 硬件打道、执行代码的效率高等特点，可以做到C 语言所不能做到的一些事情， 语言所不能做到的一些事情，例如对时钟要求很严 格时，使用汇编语言便成了唯一的选择。 格时，使用汇编语言便成了唯一的选择。这种混合 编程的方法将C语言和汇编语言的优点结合起来， 编程的方法将C语言和汇编语言的优点结合起来， 已经成为目前单片机开发最流行的编程方法。 已经成为目前单片机开发最流行的编程方法。关于 编程语言的详细介绍可参阅相关书籍。 编程语言的详细介绍可参阅相关书籍。
PI控制器对偏差的作用有两个部分： PI控制器对偏差的作用有两个部分：一个是按比例 控制器对偏差的作用有两个部分 部分的成分，另一个是带有累积的成分（ 部分的成分，另一个是带有累积的成分（即呈一定斜率变化 的部分），这就是积分控制部分的作用。只要偏差存在， ），这就是积分控制部分的作用 的部分），这就是积分控制部分的作用。只要偏差存在，积 分将起作用，将偏差累计，并对控制量产生影响， 分将起作用，将偏差累计，并对控制量产生影响，即偏差减 直至偏差为零，积分作用才会停止。因此， 小，直至偏差为零，积分作用才会停止。因此，加入积分环 节将有助于消除系统的静差，改善系统的稳态性能。 节将有助于消除系统的静差，改善系统的稳态性能。
∫
e ( t )d t + u 0 0
t
(3.4)
式中， 称为积分时间。 3.3所示为PI控制器对单 所示为PI 式中，i 称为积分时间。图3.3所示为PI控制器对单 T 位阶跃输入的阶跃响应。 位阶跃输入的阶跃响应。
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3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
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3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
（3）比例积分微分控制器 积分调节作用的加入，虽然可以消除静差， 积分调节作用的加入，虽然可以消除静差，但其代价是 降低系统的响应速度。为了加快控制过程， 降低系统的响应速度。为了加快控制过程，有必要在偏差出 现或变化的瞬间，不但要对偏差量做出反应（ 现或变化的瞬间，不但要对偏差量做出反应（即比例控制作 ），而且要对偏差量的变化做出反应 而且要对偏差量的变化做出反应， 用），而且要对偏差量的变化做出反应，或者说按偏差变化 的趋势进行控制，使偏差在萌芽状态被抑制。 的趋势进行控制，使偏差在萌芽状态被抑制。为了达到这一 控制目的，可以在PI控制器的基础上加入微分控制作用， PI控制器的基础上加入微分控制作用 控制目的，可以在PI控制器的基础上加入微分控制作用，即 构造比例积分微分控制器（PID控制器）。PID 控制器）。PID控制器的控 构造比例积分微分控制器（PID控制器）。PID控制器的控 制规律为
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3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
（2）比例积分控制器 为了消除在比例控制中存在的静差， 为了消除在比例控制中存在的静差，可在比例 控制的基础上加上积分控制作用，构成比例积分PI 控制的基础上加上积分控制作用，构成比例积分PI 控制器， 控制器，其控制规律为
1 u (t ) = K p e (t ) + Ti
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3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
PI控制器的阶跃响应 图3.3 PI控制器的阶跃响应
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3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
显然，如果积分时间太大，则积分作用减弱， 显然，如果积分时间太大，则积分作用减弱，反之则 积分作用较强。增大，将使消除静差的过程变得缓慢， 积分作用较强。增大，将使消除静差的过程变得缓慢，但可 以减小系统的超调量，提高稳定性。必须根据被控对象的特 以减小系统的超调量，提高稳定性。 性来选定，如对于管道压力、流量等滞后不大的对象，可以 性来选定，如对于管道压力、流量等滞后不大的对象， 选得小些，对温度、成分等滞后比较大的对象， 选得小些，对温度、成分等滞后比较大的对象，可以选得大 些。
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u (t ) = K p e(t ) + u0
3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
图3.2 比例控制器的阶跃响应
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3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
比例控制器虽然简单快速， 比例控制器虽然简单快速，但对于具有自平衡 即系统阶跃响应终值为一有限值） 性（即系统阶跃响应终值为一有限值）的被控对象 虽然可以减小静差， 存在静差。加大比例系数Kp虽然可以减小静差，但 存在静差。 过大时，动态性能会变差，会引起被控量振荡， 当Kp过大时，动态性能会变差，会引起被控量振荡， 甚至导致闭环系统不稳定。 甚至导致闭环系统不稳定。
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3.2.1 PID控制算法 PID控制算法
1．PID控制规律的特点 PID控制规律的特点 （1）比例控制器 比例控制器是最简单的控制器， 比例控制器是最简单的控制器，其控制规律为 (3.3) u 式中， 为比例系数； 为控制量的初值， 式中，Kp为比例系数； 0 为控制量的初值，也就是在启 动控制系统时的控制量。 3.2所示是比例控制器对单位 动控制系统时的控制量。图3.2所示是比例控制器对单位 阶跃输入的阶跃响应。 阶跃输入的阶跃响应。 由图3.2可以看到， 3.2可以看到 由图3.2可以看到，比例控制器对于偏差是及时反应 偏差一旦产生， 的，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用使被控量 朝着减小偏差的方向变化， 朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例 系数Kp。