江苏大学控制系统开发、设计与仿真报告 本文关键词：控制系统，仿真，江苏大学，报告，开发
江苏大学控制系统开发、设计与仿真报告 本文简介：JIANGSUUNIVERSITY电气信息工程学院控制系统开发、设计与仿真报告学院名称：电气信息工程学院专业班级：电气硕1122学生姓名：张三学号：1234567892016年6月3号引言本学期学习了控制系统开发、设计与仿真课程，主要讲述了控制系统的整体概念，包括控制系统的反正分析、MATLAB/s
江苏大学控制系统开发、设计与仿真报告 本文内容：
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气
信
息
工
程
学
院
控制系统开发、设计与仿真报告
学院名称：
电气信息工程学院
专业班级：
电气硕1122
学生姓名：
张三
学
号：
123456789
2016年6月3号
引言
本学期学习了控制系统开发、设计与仿真课程，主要讲述了控制系统的整体概念，包括控制系统的反正分析、MATLAB/simulink的介绍以及神经网络逆系统。
MATLAB/simulink在我们平时可言中是一个重要的学习工具，方程的编写、数据的采集以及仿真基本上都可以由它来完成，相比较其他工具具有很大的优势，例如：
1
高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；
2
具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化；
3
友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；
4
功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等),为用户提供了大量方便实用的处理工具。
本课程老师为我们讲解了控制系统的模型以及仿真实例、线性系统仿真分析方法、非线性控制系统仿真方法，从系统的模型开始，建立模拟以及状态方程，再对模型进行MATLAB编程等，受益匪浅。
以下就是本人通过本次课程的学习，然后对汽车速度控制系统进行设计分析，在已有的模型下，对设计的汽车速度控制系统进行Matlab语言仿真。
汽车速度控制系统的设计与仿真
1研究背景与意义
随着汽车工业和公路运输业的发展，汽车将走进千家万户，驾驶人员非职业化的特点将突出，车辆驾驶的自动化己成为汽车发展的主要趋势。跨入二十一世纪后，人们需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快捷的生活节奏，因此对汽车的智能化要求更加迫切，随着计算机和电子技术的不断发展，性能价格比不断提高，为汽车的优化提供了雄厚的物质基础，汽车实现智能化已不是梦想。驾驶汽车长途行驶的机会较多，而且在高速公路上行驶时变换车速的频率及范围都较少，能以较稳定的车速行驶。但若长途驾驶而右脚不得不踩油门踏板时，久而久之驾驶员就会感到疲劳，容易发生交通事故。车辆自动变速器及其控制技术是智能汽车非常重要的内容，是汽车辅助驾驶系统和自动驾驶系统的基础，是目前我国智能汽车发展亟须解决的核心技术之一。此外。汽车速度控制系统，又称为汽车巡航控制系统CCS(Cruise
Control
System)。随着我国高速公路网建设纵横迅速延伸，自动速度控制也具备了广泛的发展和应用前景车电子技术新装置之一，它实际上就是一种辅助驾驶系统。汽车定速速度控制装置的使用减轻了驾驶员操纵强度,减少了不必要的车速变化,提高了驾驶的舒适性和安全性。汽车速度控制系统研究分为两大部分，第一部分是系统硬件和运行控制基础软件的开发，另一部分是速度控制算法的研究，本次报告主要研究第二部分。
2.研究概况及发展趋势
目前我国的自动速度控制装置仍处于研制阶段，具有自主知识产权的产品还未见报道。由于国内汽车研究起步较晚，技术相对落后，并且就目前我国公路状况和实际应用来说，对汽车速度控制系统的研究应用主要是以单车定速控制为主。随着我国高速公路建设规模的逐渐扩大，汽车产量的急剧上升和排放法规的建立，国内汽车市场迫切需要适合我国基本国情的汽车自动速度控制系统。
从总体来说，汽车速度控制系统有以下几个发展趋势：
（1)新控制理论的应用
车辆的行驶状况受到成员的多少、发动机输出的变化因素等影响。驾驶者需要更平顺的驾驶感觉和更自然的速度控制，以传统的控制理论为基础，又引入了新的控制理论。目前，模糊控制等新理论已不断得到应用。
（2)走停控制：现在对CCS的研制和开发主要是针对在高速公路上高速行驶的车辆，而不适用于城市中低速、高车流密度情况下使用，走停控制正是CCS针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展，这要求CCS具有更好的近距离探测能力，更快的信号处理功能，更迅速的系统响应，同时还向CCS提出了增加车辆的自动起步功能。这样即使在堵车情况下也无须驾驶员参与，只需操纵车辆的转向即可。驾驶员可以完全从烦琐的驾驶操作中解放出来。
（3)随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来的CCS将同其他的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，驾驶这种汽车只需在显示器中指明所要到达的目的地，汽车就会在卫星导航系统的指引下，借助公路两旁的电子标志牌无需人为参与就可安全驶达目的地，实现完全的自动驾驶功能。
（4)集成化
随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来的汽车速度控制系统将同其它的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，例如它可同加速防滑系统以及发动机控制器等各种电控系统集成起来。集成化有助于降低成本，增强各系统间的内在联系，充分利用各种车辆信息，从而提高系统的稳定性和可靠性。
3速度控制系统的简述
现在许多轿车都有速度控制系统。速度控制系统（Speed
Control
System）又称为巡航控制系统（Crusle
Control
System），缩写为CCS。本文所设计自动巡航系统主要由决策模块，ACC控制模块和发动机模块三个大部分构成，巡航系统中三大模块的工作原理图如图3.1所示：
图3.1巡航系统的工作原理图
(1)决策模块：带有决策控制功能，能够针对自动巡航系统的定速功能和跟车衡速行驶功能进行判断及自动切换，对进入和退出该系统进行自动判断。
(2)ACC控制模块：带有PID控制器，通过反馈量对所输入的车速进行微调，使其保持相对稳定的输出。该模块的输入量为车速，通过模块转换，使其输出量变成控制节气门开度和制动踏板的信号量。
(3)发动机模块：进行发动机部分的仿真，通过ACC模块的输出量进行工作，输出速度、加速度、转矩等一系列数据，转化成波形直观的对巡航系统进行系统分析。
4.系统模型建立及性能分析
汽车种类很多，不同汽车自身速度传递系统的数学模型不尽相同，但总的来说是相似的。图4.1为坡路上行驶汽车的受力图。图中，Fe是引擎动力；θ是坡路与水平面的夹角；Fh为重力分量；Fr是空气阻力；m为汽车的质量；x为汽车的位移。
图4.1坡路上行驶汽车的受力图
根据牛顿第二定律，汽车的运动方程为：
mx``=Fe-Fr-Fh
（4-1）
式中，各物理意义如下：
1、m为汽车质量，本文中取为100个质量单位。
2、Fe是引擎动力。最大驱动力为1000，最大制动力为-2000，即
-2000<=Fe<=1000
(4-2)
3、Fr是空气阻力，它与轿车的速度平分成正比，其表达式为：
Fr=0.001(x`+20sin(0.01t))^2
(4-3)
式中第二项是为近似考虑“阵风”而引入的，x`为行驶汽车的水平速度。
4、Fh是重力分量，其表达式为：
Fh=30sin(0.0001x`x)
(4-4)
式中的正弦项是为考虑坡路与水平夹角的变化而引入的。
根据以上计算可建立行驶汽车的Simulink模型如图4.2所示。
图4.2行驶汽车simulink模型
1、In1模块：为“指令”驱动力Fe提供输入端口。
2、Out1模块：为输出汽车实际速度Sa提供输出端。
3、Constant1模块：设置驱动力上限，Constant
value栏填写1000。
4、MinMax1模块：其参数设置如图4.3所示，Function栏填写min（缺省设置），Number
of
input
ports栏填写2（缺省设置），则模块输入取两个输入中的小者。与此同时，该模块的图标以min表示。
5、Constant模块：设置制动力下限，Constant
value栏填写-2000。
6、MinMax模块：在图4.3中，Function栏填写max，则模块取两个输入中的大者。与此同时，该模块的图标也以max表示。
7、Clock模块：为接受仿真时间数据t提供输入端口。
8、Fcn模块：实现空气阻力Fw（见式4-3），该模块的输入是[x`,t]构成的向量，所以，根据Fcn模块表达式必须遵循的第一个规则，在Expression栏中填写0.001*（u(1)+20*sin(0.01*u(2))）^2。
9、Fcn1模块：实现重力分量Fh（式4-4）。该模块的输入为位移标量x，输出是重力分量Fh，则在Expression栏中填写30*sin(0.0001*u)。
图4.3MinMax模块参数设置
5.系统仿真及结果分析
5.1采用P控制
比例控制器的工作原理是：根据期望速度和实际速度之差产生指令驱动力Fc，其数学模型为：
Fc=Kp(X`c-X`)
（5-1）
式中Kp为比例系数，；X`c为汽车期望速度；X`为汽车实际速度。
“指令”驱动力Fc与实际驱动力Fe的差别在于：前者是理论上需要的计算力，后者是受物理限制后实际能提供的力。
由式5-1构建的比例控制器模型如图5.1所示。图中In1和In2分别是比例控制器模型的期望速度X`c与实际速度X`的输入端口模块，Out1是“指令”驱动力Fc的输出端口模块。
图5.1比例控制器模型
根据上文分析结果，将比例控制器模型和行驶汽车模型进行适当的连接，即可得到如图5.2所示的受控汽车的完整模型。
图5.2
P控制完整模型
图5.2中Slider
Gain模块的功能是实现可变的汽车期望速度。用鼠标左键双击Slider
Gain模块，打开图5.3所示的操作窗口，将Low（下限）设置为0，High（上限）设置为100，滑键所在位置为增益值（图中为60，即汽车期望速度）。同时，该模块还需要“恒值”输入信号Constant的激励。
图4.3滑键增益模块操作窗口
为了方便观察比较，速度量还被送到Display（数值显示器）和Scope。在仿真过程中可以从数值显示器上看到汽车的实际车速。
先取比例系数Kp=10，然后将图5.2模型窗口的仿真结束时间设置为10000。仿真前先分别打开Slider
Gain操作窗口和示波器窗口，仿真结果如图5.4及图5.5所示。在仿真过程中，若在Slider
Gain操作窗口移动滑键，可以从模型窗口的Slider
Gain模块图标上看到变化的期望车速。与此同时还可以看到，Display模块所显示的实际车速在控制作用下不断翻动地向期望车速逼近。
图5.4
仿真结果
图5.5
Kp=10时车速仿真图
由图5.4和图5.5的仿真结果可得，Kp=10稳态误差为1.25，但调节时间超过了30ms，所以增大Kp，再取Kp=50按上述步骤仿真，结果如图5.6所示。
图5.6
Kp=50时车速仿真图
由图5.6可知
Kp=50时实际车速达到期望速度，稳态误差可忽略不计，调节时间在10ms左右，再增大Kp，取Kp=150，结果如图5.7所示。
图5.7
Kp=150时车速仿真图
由图5.7可知Kp=150时，实际车速同样达到期望速度，误差可忽略，且调节时间小于10ms，继续增大Kp。取Kp=180结果如图5.8所示。
图5.8
Kp=180时车速仿真图
由图5.8可知Kp=180时系统不稳定。经过反复仿真验证得知Kp取值在20到150之间较为合适。
5.2采用PI控制
在上文P控制仿真模型的基础上加上积分环节可得图5.9所示的PI控制汽车完整模型。
图5.9
PI控制完整模型
由上文可知比例系数Kp范围为20—150，所以取Kp=60，然后取积分系数Ti=0.5，仿真结果如图5.10所示。
图5.10
PI控制仿真结果
图5.11
Ti=0.5车速仿真图
由图5.10及5.11可知在Ti=0.5时，稳态误差仅为0.27，调节时间在10ms左右，最大偏离量约为1左右，超调量约为2%，增大Ti，取Ti=1，仿真结果如图5.12所示。
图5.12
Ti=1.0车速仿真图
由图5.12可知Ti=1.0时，稳态误差为0.16。调节时间大于10ms，超调量约为4%左右。继续增大Ti，再取Ti=4,结果如图5.13所示。
图5.13Ti=5车速仿真图
由图5.13可知Ti=4时调节时间超过20ms，稳态误差仅为0.04但超调量为16.7%左右，超调过大。经过反复仿真验证得知Ti取值在0.1到2.0为合适。
5.3采用PID控制
在上文PI控制仿真模型的基础上加上微分环节就可得到图4.13所示的PID汽车完整模型。
图5.14
PID控制完整模型
由上文讨论结果可知比例系数Kp取60，积分系数Ti取0.5较为合适，然后微分系数取Td=10，仿真结果如图5.14和图5.15所示。
图5.15
PID控制仿真结果
图5.16
Td=10车速仿真图
由图5.16可知调节时间为10ms左右，稳态误差为0.29，超调量为2%左右。增大Td，再取Td=50，仿真结果如图5.17所示。
图5.17
Td=50车速仿真图
由图5.17可知Td=50时，稳态误差为0.31，超调量也变化不大约为2%。但调节时间超过了10ms。继续增大Td，取Td=150，仿真结果如图5.18所示。
图5.18
Td=150车速仿真图
由图5.18可知Td=150时系统不稳定。经过反复仿真验证Td取值在10到100之间较为合适，在这里可取Td=30。
5.4实验结果分析
综上所述，三种控制方法在系数Kp、Ti、Td设置合适的情况下调节时间、稳态误差、超调量等指标都可以达到本次设计的要求。由于最基本、最简便的控制方法比例控制已经能够达到设计要求，所以本次设计最终采用比例控制，比例系数取Kp=60，最终仿真结果如图5.19和图5.20所示。
图5.19最终仿真结果
图5.20最终车速仿真图
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