基于MATLAB的不完全微分PID控制的设计与仿真-王超

飞思卡尔智能车比赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高为获胜者[1]。由于智能车在跑道上行驶时，跑道的路况会经常发生变化，为防止智能车冲出跑道，必须将智能车的速度降低。由于输出控制滞后的影响，会造成系统的振荡，甚至会造成系统的不稳定。在常规的控制中，微分信号的引入可改善系统的动态特性，加快系统的动作速度，减少调节时间，但也易引入PID高频干扰，会破坏系统的稳定性，在误差扰动突变时尤其显示微分项的不足。当被控参数以阶跃函数改变时，微分项仅在第一个采样周期起作用，对于具有较强滞后作用的控制系统其调节作用很小，不能达到超前调节的目的。为了解决上述存在的问题，对数字算法进行了改进，将不完全微分引入到算PIDPID法中，大大改善了速度控制系统的动态性能[3-5]。1PID不完全微分控制的结构图如图所示。在标准的算法中加入了一个一阶惯性环节低通滤波器1PID()sTsGff+=11)(，上图的不完全微分结构，其传递函数为：)()()()()1/()(susususEsTsTKsTKKsUDIpfDpIpp++=+++=　　　(1)pKITDT其中，为比例系数，和分别为积分时间常数和fT微分时间常数，为滤波器系数。将式离散化：(1))()()()(kukukukuDIp++=(2))(kuD下面推导的表达式)(1)(sEsTsTKsufDpD+=(3)将式写成微分方程为：(3)MATLABPID王　超，杨莲红，刘　红昌吉学院物理系，新疆昌吉(831100)摘要：针对具有滞后环节的控制系统中常规控制算法的不足，将不完全微分引入到智能车控制中，仿真PIDPID结果表明：该控制能有效加快系统的动作速度，减少调节时间，明显改善系统的动态性能。关键词：；不完全微分；；智能车MATLABPIDDOI:10.3969/j.issn.1674-5043.2013.04.012中图分类号:TP272文献标志码:A文章编号:1674-5043(2013)04-0047-04收稿日期:2013-07-29作者简介:王　超男新疆昌吉人硕士讲师主要从事自动化应用技术等方面的研究(1979-),,,,,.基金项目:昌吉学院科研基金资助项目(2011SSQD019).第卷第期洛阳理工学院学报自然科学版234()Vol.23No.4年月201312JournalofLuoyangInstituteofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition)Dec.2013kpsTkpIsTskpTfD+1E(S)U(S)1PID)()1)((ssETksTsuDpfD=+　　　　　　　　　　　　　　　　)(suD)(suDsTf)(ssETkDp=　　　　　　　+(4))(te)(terrot对式作拉氏反变换为，用表示(4)dttderrorTkdttduTtuDpDfD)()()(=+　　　　　(5)sT假设采样时间为，将式离散化为：(5)sDpsDDfDTkerrorkerrorTkTkukuTku)1()()1()()(−−=−−+))1()(()1()(−−++−+=kerrorkerrorTTTkkuTTTkufsDpDfsfDfsfTTT+=αα−=+1fssTTTα令，，＜，可以表示为：1)1())1()()(1()(−+−−−=kukerrorkerrorKkuDDDαα　　(6)sTTkKDpD/=其中，。sDpDTkerrorkerrorTkku))1()(()(−−=标准的算法中　　　　　　　　PID(7)式与式比较可知：(6)(7))(kuD)1(−kuDαDK)1(α−DK不完全微分多了一项，原微分系数由降为。若输入为单位阶跃β=)(kerror，k、、……=012βfsspDTTTku+=)0(则　　　　　　　　　　　　　　　βααfsspDDTTTkuu+==)0()1(βααfsspDDTTTkuu+==2)1()2(……α)(kuD因＜，则输出是按照指数形式衰减的曲线，可以保证由于被控对象的滞后作用而起到超1前调节的目的。2智能车转向控制系统中一个问题是系统的纯滞后，纯滞后时间即信息采集到执行器动作的时间。纯滞后时间由信号采集时间、数据处理时间、输出控制生效时间部分构成，直流电动机的动态模型如下：31/1)(21++=sTsTTCsGmlme洛阳48理工学院学报自然科学版()第卷23sesGτ−=)(2增加一个延迟环节，则总的传递函数为smlmeesTsTTCsGτ−++=1/1)(2其eCmTlTτsT中、和均为电动机的固定参数，取延迟时间为，采样时间为，依据电动机的固定100s20s参数sesssG100216002.01)(−++=ssGf28011)(+=，得一电机的传递函数为：，低通滤波器的传递函数为：，在对象的输出端加幅值为的随机信号0.01n(kpKITDT，取的控制器参数＝、＝、＝，)PID0.300.0071140部分程序如下：……求传递函数sys=tf([1],[0.02,60,1],'inputdelay',100);传递函数离散化dsys=c2d(sys,ts,'zoh');提取差分方程系数[num,den]=tfdata(dsys,'v');……微分先行的ifM==1;PIDalfa=Tf/(ts+Tf);ud(k)=kd*(1-alfa)*(error(k)-error_1)+alfa*ud_1;u(k)=kc*error(k)+ud(k)+ki*ei;ud_1=ud(k);常规elseifM==2;PIDu(k)=kc*error(k)+kd*(error(k)-error_1)+ki*ei;end……仿真结果如图和图所示。MATLAB232PID3PID从图和图对比来看，常规控制的调节时间、超调量等都高于不完全微分控制系统，采用不23PIDPID完全微分控制能有效地克服偏差干扰带来的不良影响，对于具有滞后环节的智能车控制系统加快了系PID统的动作速度，减少了调节时间，具有较好的控制效果。第期　4王　超等：　基于的不完全微分控制的设计与仿真MATLABPID　493不完全微分算法应用到智能车循迹算法中，能够改善系统的动态特性，提高控制系统的调节品PID质。特别是在有滞后的控制系统中。当控制系统不能很好地达到控制要求时，应该适当加入微分作用，提高系统的控制效果。参考文献:王鹏宇基于摄像头的智能小车决策系统研究大连理工大学硕士学位论文[1].[D].,2009.石振东吕科喻清洲等基于红外路径识别的智能车控制系统设计湖北汽车工业学院学报[2],,,[J].,2007(3):11-14.靖固张科孙玲玲不完全微分控制的的研究微计算机信息[3],,.PIDFPGA[J].,2009(5):51-53.罗海波控制器设计与仿真研究计算机仿真[4].PID[J].,2012(2):345-348.刘金坤先进控制仿真第版北京电子工业出版社[5].PIDMATLAB(3)[M].:,2012:45-52赵春锋孙兴朋基于下加热炉传递函数的仿真试验节能[6],.MATLAT/SimulinkPID[J].,2010(7):20-22.DesignandSimulationofIncompleteDerivationPIDControlBasedonMATLABWANGChao,YANGLian-hong,LIUHong(ChangjiUniversity,Changji831100,China)Abstract:AimingattheshortageofconventionalPIDcontrolalgorithmwithtime-delaycontrolsystem,thispaperintroducesincompletederivationtoPIDcontrolofsmartcars.Thesimulationresultsshowthatthesystemcaneffectivelyacceleratetheoperationspeed,reduceadjustingtimeandsignificantlyimprovethesystem'sdynamicperformanceKeywords:MATLAB;incompletederivation;PID;smartcar还可迅速、方便地设计知识结构，本体编辑人员可按照客观的方式，构建特定领域的本体。在数据的更新与管理上，本体编辑人员通过本体的特性维护及扩展整体的知识结构。研究解决目前市面上软件无法智能检索的问题，并且提供一个智能友好的用户查询接口，方便使用者通过此接口查询与检测计算机软件。参考文献：魏圆圆钱平王儒敬等知识工程中的知识库、本体与专家系统计算机系统应用[1],,,.[J].,2012(10):72-79.俞春马骞马晓星吕建一种面向体系结构的软件系统自适应机制南京大学学报自然科学版[2],,,.[J].:,2006(02):36-40.冯耀东黄罡梅宏一种自适应软件体系结构建模及其实施方法北京大学学报自然科学版[3],,.[J].:,2008(01):70-76.蒋发群李锦涛苏晓丽等基于领域本体的软件资源共享研究计算机集成制造系统[4],,,.[J].,2008(01):102-110.李长云文志华廖立君软件体系结构的行为求精湖南工业大学学报[5],,.[J].,2007(05):62-67.DatabaseSystemDesignforApplicationSoftwareClassificationBasedonOntologyZHANGPeng-fei(TaiyuanUniversity,Taiyuan030012,China)Abstract:Softwaretechnologyhasavigorousdevelopmentinrecentyearsandtheapplicationsoftwareisdiversified.Withtheproliferationofthesoftware,it'sgettingdifficulttofindthemostsuitable.Thisstudyputsforwardanapplicationintegratingontologywithmachinereasoningtorealizetheclassificationofcomputersoftware.Collectingthecomputersoftwarefeaturesaccordingtothesystemrequirement,ontologyeditorswillbeabletoworkouttheknowledgeontologyhierarchyofcomputersoftware.Thismethodwillestablishrapidandconvenientknowledgeontologystructuresandtheiradvantagescanbeusedtodeducetheimplicitrelationshipbetweentheretrievalinformationandthecomputersoftwarefunctions.Keywords:softwareclassification;ontology;machinereasoning;knowledgestructure洛阳50理工学院学报自然科学版()第卷23上接第页(46)