基于Carsim和PID控制的車道保持控制策略建模仿真研究摘要近年來交通事故給人們帶來了巨大的損失，無論從經(jīng)濟還是從安全方面說都帶來了很大的威脅。汽車安全行駛的問題已經(jīng)成為世界性難題。以往解決這種問題的方法是給車輛增加被動安全功能，比如保險杠、安全帶、安全氣囊等。隨著被動安全的發(fā)展，工程師們發(fā)現(xiàn)，其效益增加遠低于成本投入，因此出現(xiàn)了主動安全技術這一概念。這一技術不僅要求在設計汽車的安全設施時應該使駕駛?cè)说氖軅潭冉档停ㄟ^相關的智能技術輔助駕駛員駕駛，在交通事故發(fā)生之前有效的降低事故的發(fā)生率。同時近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)、傳感器等技術發(fā)展迅猛，不斷有高科技行業(yè)投身于汽車產(chǎn)業(yè)，汽車這一交叉學科也經(jīng)歷著前所未有的變革。除了傳統(tǒng)車輛保留的巡航功能等之外，增加了自適應巡航、車道偏離預警、車道保持、前方碰撞預警以及行人檢測和保護等多種主動安全功能，極大地降低了由于駕駛員操控問題而帶來的交通事故率。本文基于Carsim的汽車車道保持系統(tǒng)進行建模，Carsim/Simulink聯(lián)合仿真的強大功能，對建立的模型進行了仿真。結(jié)果表明本文建立的車道保持控制算法在車速50km/h附近效果顯著。之后本文又對車速、PID參數(shù)等的變化對控制效果的影響規(guī)律進行了分析研究，得到了PID控制方法參數(shù)調(diào)整的一般規(guī)律，具有一定的工程實際意義。為今后的車道保持系統(tǒng)開發(fā)提功了一種方案。關鍵詞：主動安全，車道保持，PID控制，聯(lián)合仿真，Carsim目錄摘要 21緒論 71.1研究背景及意義 71.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述 81.2.1車道保持輔助系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 81.2.2車道保持輔助算法的研究現(xiàn)狀 91.2.3本文研究內(nèi)容 102Carsim車輛和道路建模 122.1Carsim軟件介紹 122.2Carsim軟件車輛建模 122.2.1車輛建模 122.2.2車載預瞄器參數(shù) 162.3Carsim道路建模 162.3.1道路參考信息 162.3.2道路曲線參考信息 172.4Carsim輸入輸出口 173基于PID控制的車道保持控制策略 193.1PID控制簡介 193.2PID控制模型搭建 203.3CarSim和Simulink的聯(lián)合仿真 213.4PID參數(shù)調(diào)整 223.5仿真結(jié)果 224車道保持系統(tǒng)影響因素分析 254.1不同車速對車道保持系統(tǒng)的影響 254.2PID不同參數(shù)對控制效果的影響 264.3PID參數(shù)影響規(guī)律分析 284.3.1P參數(shù)的影響規(guī)律 284.3.2I參數(shù)的影響規(guī)律 284.3.3D參數(shù)的影響規(guī)律 295總結(jié)和展望 305.1全文總結(jié) 305.2工作展望 30參考文獻 311緒論1.1研究背景及意義人們的出行方式已經(jīng)被汽車改變了上百年有余。據(jù)公安部門統(tǒng)計到2020年3月我國汽車保有量已達到3.78億輛位居世界第一。據(jù)公安部門統(tǒng)計，到2020年3月，中國汽車保有量將達到3.78億輛它在世界上排名第一。其中，汽車2.87億輛;機動車駕駛?cè)?.63億，其中汽車駕駛?cè)?.25億。隨著車輛日益增多，車輛安全行駛問題也逐漸增長。據(jù)交通部門統(tǒng)計，因為汽車偏離正常行駛車道而引發(fā)的交通事故占全部事故的50%，造成事故的主要原因是駕駛員疲勞駕駛、心神煩躁、注意力不集中等。有將近四分之一的卡車司機經(jīng)歷過在方向盤上睡著；有將近五分之一的汽車司機在三十天內(nèi)至少在行駛的時候睡著一次；有將近三分之一的卡車司機會在行駛過程中打瞌睡；由此可見車道保持的重要意義。圖1.1是近8年來我國汽車保有量統(tǒng)計圖，汽車的持續(xù)增長支持著我國汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展，但同時帶來了很多棘手的問題，交通事故頻發(fā)、資源消耗、空氣污染、溫室效應等。圖1.1中國汽車保有量近年來交通事故給人們帶來了巨大的損失，無論從經(jīng)濟還是從安全方面說都帶來了很大的威脅。困繞著全世界的問題之一就是汽車安全行駛。原始的傳統(tǒng)觀念已經(jīng)不可以很好地避免交通事故的發(fā)生，比如保險杠、安全帶、安全氣囊等。所以主動安全慢慢被重視起來。主動安全技術與要在發(fā)生事故后減少乘客的受傷程度，更要通過相關的智能技術輔助駕駛員駕駛，在交通事故發(fā)生之前有效的降低事故的發(fā)生率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述1.2.1車道保持輔助系統(tǒng)研究現(xiàn)狀在我國對車道保持系統(tǒng)的研究相對來說比較晚，我國漸漸重視起來車輛主動安全的性能，車道保持系統(tǒng)被我國汽車企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)展開了研究。嵌入式車道偏離預警系統(tǒng)以DSP技術為基礎，具有前瞻性，包括A/D轉(zhuǎn)換和解碼電路模塊和DSP媒體處理器的電路模塊，該系統(tǒng)采集模擬車道線路信號的設備是車載攝像頭，將數(shù)字信號進行解碼后再發(fā)送至DSP的視頻接口。視頻處理模塊會在之后將數(shù)字視頻信號的通道特征值進行提取。經(jīng)過處理的視頻信號最終會被送入編碼和A/D轉(zhuǎn)換電路顯示出來。2007年國防科技大學與一汽汽車集團基于紅旗轎車研發(fā)了無人駕駛汽車。該車在車前端不僅安裝了攝像機，還配備了雷達裝置，可以在自動檢測道路的同時規(guī)避行駛障礙物。清華大學、吉林大學、江蘇大學等科研機構(gòu)已經(jīng)對車道偏離相關系統(tǒng)進行了研究，并取得了一些研究成果。清華大學的THMR系列智能車，通過前向視覺裝置獲取車道線信息，判斷車輛在道路中的位置，同時根據(jù)ECU獲得的車輛運動狀態(tài)參數(shù)，計算車輛偏離車道的時間，再與設定的閾值比較，決定是否發(fā)出偏離預警。吉林大學的畢雁冰博士提出了基于車輛速度與行駛方向綜合控制的穩(wěn)態(tài)預瞄假說及最優(yōu)預瞄加速度模型。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)車道左右兩側(cè)邊緣特征點的實時快速檢測，能較為準確地分析出車道偏離的實際情況,并做出預警。最早進行車道偏離預警系統(tǒng)研究的汽車生產(chǎn)商是三菱汽車，該生產(chǎn)商于1999年將攝像機、傳感器、報警裝置安裝在其生產(chǎn)的一款模型車上，這樣就構(gòu)成了一款車道偏離預警系統(tǒng)，也是最早的一款報警系統(tǒng)。日產(chǎn)汽車于2000年生產(chǎn)出了安裝有一套完整車道偏離預警系統(tǒng)的汽車，次年也被批量安裝在CIMA車型上，這也是最早進行具有車道偏離預警系統(tǒng)汽車批量生產(chǎn)的。豐田汽車于2002年新研發(fā)出一種車道偏離預警系統(tǒng)，這一新型系統(tǒng)不僅可以識別車道線，還可以對汽車前方道路的曲率半徑等進行預測。該公司也于同年將其已研制成熟的車道保持系統(tǒng)安裝在其第七代雅閣上，并合并了車道偏離預警和自動轉(zhuǎn)向控制這兩個系統(tǒng)，使汽車可以在曲率半徑超過230m的道路上進行自動逆向行駛。1997年，卡內(nèi)基梅隆大學成功研發(fā)出AURURA系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的主要包括可以進行廣角拍攝的彩色攝像機、數(shù)字轉(zhuǎn)換器和SunSparc工作站等。汽車旁邊的車道標識可以通過被安裝于汽車一側(cè)的俯視彩色攝像機進行識別，該攝像機的視野范圍為1.5～1.6m，攝像機接著將采集到的圖像進行輸出，再由數(shù)字轉(zhuǎn)換器對輸出數(shù)據(jù)進行收集，最后在SunSparc工作站上以60Hz的速度處理。日本企業(yè)研究車道偏離預警系統(tǒng)的時間比歐美早，2000年，德國戴勒姆公司和美國iteris公司共同研發(fā)出AutoVue系統(tǒng)并將該系統(tǒng)在汽車上進行了實際應用，是歐美汽車企業(yè)研究車道偏離預警系統(tǒng)的引領者。2005年，法國雪鐵龍汽車公司將車道偏離預警系統(tǒng)安裝在其C4、C5和C6車型上，將紅外線攝像頭應用于車道線識別技術中，還設置了座椅振動來提醒過駕駛員車輛已偏離車道。2007年，德國的車企奧迪也將相同的配置安裝在其Q7車型上，同時設置方向盤振動來提醒駕駛員車輛已偏離車道。美國的車企福特公司于2012年整合了車道偏離預警和自動轉(zhuǎn)向這兩個系統(tǒng)，這是其第一次將一套完整的車套保持系統(tǒng)推向大眾。這一系統(tǒng)同時具有識別車道線、處理圖像、識別正在運動的路人與車輛以及對汽車大燈進行控制等功能。1.2.2車道保持輔助算法的研究現(xiàn)狀PID控制理論是工業(yè)控制中常用的算法，應用到車道保持的跟蹤中，有不需要搭建算法模的優(yōu)勢。PID的核心是根據(jù)跟蹤路徑的誤差，采用比例、積分、微分計算出控制的參數(shù)來進控制。但控制參數(shù)的調(diào)試和試湊是一件非常繁瑣的事情，不僅如此。每當車輛車速發(fā)生改變的時候，當前的控制參數(shù)需要重新進行試湊。而且，道路曲率，車輛動力學的模型參數(shù)對于控制準確性的影響也很大，目前，在車道保持跟蹤算法及其他無人車算法中，PID的應用已經(jīng)大大的減少。模型預測控制（MPC）是近年來在歐美非常流行的控制算法。它不再局限于傳統(tǒng)控制思想，應用了各種新的控制策略，如預測模型、反饋校正和多步預測等，從而可以收集到更多系統(tǒng)運行信息，提高控制效果和魯棒性。同時，有關預測控制的研究也獲得了進展。如通過內(nèi)模結(jié)構(gòu)分析法可以更加方便地對預測控制機理、動靜態(tài)特點、穩(wěn)定性和魯棒性進行研究，還可以分析獲得不同預測控制程序的共同特點，建立一個相同的格式，這樣可以使研究預測控制更加方便。結(jié)合使用預測控制和自動校正技術還可以使預測模型具有更高的精度；使預測模型的輸出結(jié)果更精確，控制效果更好。但是目前的理論成果還跟不上實際應用。根據(jù)目前以后文獻的結(jié)論，大多數(shù)研究都集中于一些基本算法上，但是大多數(shù)比較成功的實踐應用都是具有復雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)；這一現(xiàn)狀也表明對預測控制的理論研究跟不上生產(chǎn)實踐；因此，突破現(xiàn)有局限，對已存在問題進行解決對更進一步發(fā)展這種新的計算機控制算法意義重大?；陬A瞄理論的路徑跟蹤算法是車輛跟蹤技術領域的主流算法。它仿照駕駛員的真實駕駛過程，通過判斷當前車輛的車速和道路的曲率，向前預瞄一個距離，然后根據(jù)當前道路的彎曲情況來確定方向盤的轉(zhuǎn)角和油門踏板的開度，進而進行車輛的速度跟蹤和路徑跟蹤控制。1.2.3本文研究內(nèi)容 基于前述分析研究,基于Carsim的汽車車道保持系統(tǒng)設計進行建模,并通過采用CarsimSimlink聯(lián)合仿真的方式,對建立的控制系統(tǒng)進行了仿真。具體研究內(nèi)容下：第一章:闡述本研究背景及意義。分析如今汽車行業(yè)的發(fā)展、以ADAS為代表的車輛主動安全的發(fā)展現(xiàn)狀。著重分析了車道保持系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了目前主流系統(tǒng)中存在的問題和技術瓶頸。第二章：建立用于仿真的Carsim車輛模型。采用汽車動力學仿真軟件Carsim，搭建了一款E級轎車模型，并對車輛的車身、傳動系、轉(zhuǎn)向系等關鍵總成部件進行了參數(shù)設置。增加預瞄，方便車輛檢測道路中心位置。增加Carsim的輸入輸出口設置，便于后續(xù)和Carsim聯(lián)合仿真。第三章：Carsim和Simulink聯(lián)合仿真。用Simulink搭建PID控制，分析PID控制邏輯。結(jié)合Carsim進行仿真，并進行PID參數(shù)調(diào)整，觀察車道保持系統(tǒng)效果，調(diào)整參數(shù)直至效果達到預定要求。第四章：分析車道保持的影響因素。基于第三章的聯(lián)合仿真模型，改變車速，觀察仿真效果。改變PID參數(shù)，觀察仿真效果，分析PID參數(shù)對控制效果的影響。第五章：總結(jié)和展望?？偨Y(jié)本文做進行的研究，并提出未來工作和研究計劃。2Carsim車輛和道路建模2.1Carsim軟件介紹Carsim誕生于1996年,由美國著名的科研機構(gòu)UMTRI（密歇根大學交通運輸研究所），主要創(chuàng)始人是國際知名的車輛動力學專家ThomasD.Gillespie，MichaelSayers和SteveHann。Carsim作為是專門針對車輛動力學的仿真軟件，可以幫助科研人員進行快速的車輛系統(tǒng)建模，避免實車驗證產(chǎn)生的高成本。Carsim可以對駕駛員、路面狀況和空氣動力學進行模擬，主要用于對汽車操縱過程中的穩(wěn)定性、制動性經(jīng)濟性等進行預測，還被用來開發(fā)現(xiàn)代汽車控制系統(tǒng)。Carsim可以對試驗環(huán)境和過程進行靈活定義、對汽車各系統(tǒng)的特征參數(shù)和文件進行詳細定義。相較于Adams等剛體動力學軟件，Carsim通過產(chǎn)品的特性建立數(shù)學模型來進行仿真，而不是單純的通過剛體運動來進行仿真，可移植性大大增強。除此之外，Carsim還支持和其他很多廠商的軟硬件進行各種軟件在環(huán)（SIL）、硬件在環(huán)（HIL）實驗，進一步擴大了其適用范圍，成為汽車開發(fā)環(huán)節(jié)不可獲取的一款軟件。尤其是和MATLAB/Simulink進行聯(lián)合仿真，更是使得軟件有了更豐富的功能，借助于MATLAB/Simulink強大的數(shù)學建模計算功能，使得Carsim可以實現(xiàn)多種工況、多種控制策略的仿真。甚至只在車輛開始設計的初級階段便可預測車輛的最終性能。近年來，隨著ADAS等的發(fā)展，Carsim也順應行業(yè)發(fā)展，新增了許多ADAS功能和接口，方便車輛開發(fā)人員進行ADAS的軟件軟法的仿真和驗證工作，得益于其強大的車輛動力學功能，相較于其他只能進行控制策略仿真的軟件又有了絕對的優(yōu)勢。總之，Carsim是一款功能強大、計算精度高的汽車仿真軟件。2.2Carsim軟件車輛建模2.2.1車輛建模Carsim提供了豐富的車輛模型供用戶選擇，本文基于軟件自帶的E級車模型進行修改，制作車道保持所需要的車輛模型。設置好的車輛界面如圖2.1所示：圖2.1Carsim車輛界面（1）車身參數(shù)車身參數(shù)如圖2.2所示：圖2.2車身參數(shù)（2）傳動系統(tǒng)參數(shù)本文采用一款250kw的發(fā)動機，變速箱采用7速雙離合變速器（各檔位速比信息如圖2.3所示），主減速比2.65。具體參數(shù)設置如圖2.4所示：圖2.3檔位信息圖2.4傳動系統(tǒng)參數(shù)（3）底盤相關參數(shù)A、制動系相關參數(shù)本文選取帶有ABS的制動系統(tǒng)，將車輪滑移率控制在0.1~0.15。其他相關信息如圖2.5所示：圖2.5制動系相關參數(shù)B、轉(zhuǎn)向系參數(shù)本文采用的轉(zhuǎn)向系參數(shù)如圖2.6所示：圖2.6轉(zhuǎn)向系參數(shù)（4）Procedure部分首先控制模式中，車輛的速度設定為恒定值，將車輛制動壓力設置為0。如圖2.7所示：圖2.7Procedure配置界面2.2.2車載預瞄器參數(shù)本文在車前5m處設置一預瞄點，用于車道保持檢測車輛中心點和道路中心線之間的偏差L_Drv_1，作為后續(xù)控制算法的輸入，參數(shù)設計如圖2.8所示。圖2.8車載預瞄器參數(shù)2.3Carsim道路建模2.3.1道路參考信息為驗證車道保持功能的完備性，本文設計了正反兩段弧線和直線路段。道路設計界面如圖2.9所示：圖2.9道路參考信息2.3.2道路曲線參考信息具體的道路曲線參數(shù)如圖2.10所示：圖2.10道路路徑曲線參數(shù)信息2.4Carsim輸入輸出口 為便于和Simulink進行聯(lián)合仿真，需要對Carsim生成的s-function設置輸入輸出端口。其中，輸入口將Simulink的信號作為控制信號，控制Carsim；輸出口將Carsim中的車輛運行參數(shù)輸出，以備Simulink進行數(shù)據(jù)分析處理。接合本文關于車輛車道保持控制的說明，本文設計如圖2.11的Carsim輸入輸出口：圖2.11Carsim的輸入輸出設置3基于PID控制的車道保持控制策略3.1PID控制簡介比例積分微分控制，簡稱PID控制，是十分經(jīng)典的控制策略之一，由于其算法設計簡單、魯棒性好和可靠性高，從誕生之日起就被廣泛的應用在眾多的自動化控制系統(tǒng)中，直至今日絕大多數(shù)的控制系統(tǒng)中仍然能夠看到PID結(jié)構(gòu)。即便在計算機技術迅猛發(fā)展的今天，眾多科技工作者提出各種各樣的控制系統(tǒng)，但是仍然沒有撼動PID控制的絕對“統(tǒng)治”地位，可見其十足的優(yōu)越性。圖3.1為常規(guī)的PID控制系統(tǒng)示意圖，這一控制系統(tǒng)屬于典型的單位負反饋系統(tǒng)。包括PID控制器和被控對象。圖3.1PID控制系統(tǒng)原理顯然它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成偏差：將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進行控制。其控制方程如式（1-1）：（3-1）對式（3-1）等號兩邊同時做拉普拉斯變換，很容易得到PID控制的傳遞函數(shù)，如式（3-2）：（3-2）其中：為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)；，為積分系數(shù)；，為微分系數(shù)。顯然從式（3-1）和（3-2）可以推斷出PID個環(huán)節(jié)的作用：每個PID控制器校正環(huán)節(jié)所具有的作用為：比例環(huán)節(jié)：對控制系統(tǒng)的偏差信號進行實時地成比例控制，只要出現(xiàn)偏差，控制器會馬上將誤差減小。其發(fā)揮的控制作用在偏差為0時也是0，所以比例控制的依據(jù)時偏差，也就是進行有差調(diào)節(jié)。積分環(huán)節(jié)：可以記錄誤差，主要作用是避免靜差，使系統(tǒng)無差得到提升，積分作用大小受積分時間常數(shù)的影響，時間常數(shù)與其成反比關系。微分環(huán)節(jié)：可以對偏差信號的變化速率進行反映，還可以在偏差信號過大前先將修正信號引入系統(tǒng)中使系統(tǒng)的反應速度加快，進而縮短調(diào)節(jié)時間。從時間方面看，比例作用主要是控制當前的系統(tǒng)誤差，積分作用主要面向之前的系統(tǒng)誤差，微分作用則對系統(tǒng)誤差之后的變化方向進行反映。3.2PID控制模型搭建結(jié)合3.1中對PID控制的介紹，本文搭建了如圖3.2所示的基于Simulink的PID控制模型：圖3.2基于Simulink的PID控制模型。3.3CarSim和Simulink的聯(lián)合仿真為進行車道保持仿真演示，本文采用CarSim和Simulink聯(lián)合仿真的方式進行，PID控制部分采用Simulink進行圖形化編程。如圖3.3所示是本文搭建的CarSim和Simulink聯(lián)合仿真系統(tǒng)的示意圖：圖3.3CarSim和Simulink聯(lián)合仿真系統(tǒng)的示意圖對于控制系統(tǒng)而言首先要明確被控量和輸出量，前已提及對于車道保持控制系統(tǒng)而言，車輛中心和車道線中心的偏差量是需要被控制的量，最終的目的是使得車輛的中心始終保持在車道中心；而真正能夠控制車輛改變其橫向位置的是汽車轉(zhuǎn)向盤的角度，也就是控制系統(tǒng)中的輸入量。接下來，需要在Carsim中進行相關設計：圖3.4Carsim的最終設計界面Carsim和Simulink的最終聯(lián)合仿真模型如圖3.5所示：圖3.5Carsim和Simulink聯(lián)合仿真模型3.4PID參數(shù)調(diào)整由于PID控制中，控制效果與PID參數(shù)關系十分密切，因此需要對PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)。就是通過調(diào)節(jié)PID的三個主要參數(shù)比例、積分、微分參數(shù)，以使得控制效果達到預定的要求。參數(shù)整定的方法有很多種。本文采用常見的湊式法，即先根據(jù)經(jīng)驗將PID參數(shù)調(diào)整為某一個確定值，之后在系統(tǒng)中添加擾動，查看系統(tǒng)的控制效果，若效果沒有達到預想效果，則依次調(diào)節(jié)P、I、D三個參數(shù)，查看效果。反復調(diào)整，直至效果達到預期。（1）置調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)(實際過程中是給一個比較大的值，或者)，微分時間常數(shù)，比例系數(shù)按經(jīng)驗設置，將系統(tǒng)投入運行。整定比例系數(shù)。若曲線振蕩頻繁，則加大；若曲線超調(diào)量大，且趨于非周期過程，則減小，求得較為滿意的輸出曲線。（2）引入積分作用，從大到小整定邊界。如果曲線波動范圍太大，應該將積分時間增長，如果曲線與給定值相互偏離很長時間以后回不到預定值，就需要減小積分時間來獲得比較好的輸出曲線。（3）最后引入微分作用，設定微分時間常數(shù)的初值，并由小到大整定。若曲線超調(diào)量大而衰減慢，則需增大；若曲線振蕩加劇，則應減小。觀察曲線，適當調(diào)整比和直到求得滿意的控制效果。經(jīng)過對PID的參數(shù)進行調(diào)整之后，確定最終用于仿真的PID各參數(shù)如表3.1所示：表3.1用于仿真的PID各參數(shù)PID參數(shù)值1801/300.53.5仿真結(jié)果給定車輛速度為50km/h，車輛的實際路徑和道路中心的偏差的仿真結(jié)果，如圖3.6所示：圖3.6車輛的實際路徑和道路道路中心的偏差的仿真結(jié)果車輛方向盤轉(zhuǎn)角輸入的仿真結(jié)果如圖3.7所示：圖3.7車輛方向盤轉(zhuǎn)角輸入的仿真結(jié)果Carsim動畫輸出如圖3.8所示：圖3.8Carsim的輸出動畫動畫和結(jié)果仿真結(jié)果表明，本文設計的基于PID控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)較好的車道保持效果。4車道保持系統(tǒng)影響因素分析4.1不同車速對車道保持系統(tǒng)的影響為探求不同車速對于現(xiàn)行控制系統(tǒng)的影響，本文設置了不同車速下的仿真實驗：表4.1a同一組PID參數(shù)下不同車速的仿真結(jié)果實驗1234567車速km/h10203040506070最大偏差m0.13810.13080.12790.12890.13350.13960.1473實驗891011121314車速km/h8090100110120130140最大偏差m0.15790.17020.18610.20450.23000.29471.193通過表格可以發(fā)現(xiàn)隨著車速的增加，偏差量的增加變的迅速，為了更加細致的研究速度對控制的影響，本文補充進行了95km/h、105km/h、115km/h、125km/h、135km/h車速下的實驗:表4.1b同一組PID參數(shù)下不同車速的仿真結(jié)果實驗9A10A11A12A13A車速km/h95105115125135最大偏差m0.17790.19490.21620.25400.4109并結(jié)合表4.1，得到如圖4.1所示的，最大偏差隨車速變化的關系：圖4.1最大偏差隨車速變化的關系 從圖4.1中可以看出，隨著車速的增加，偏差大致呈增加趨勢，且增加的幅度越來越大，以至于到100km/h之后，偏差迅速增加，也就意味著隨著車速的增加控制明顯偏向于發(fā)散。同時也發(fā)現(xiàn)，在車速較低的情況下，控制效果變化不明顯。且在40km/h附近是最為穩(wěn)定的。究其原因，可能是因為本文在設計PID控制參數(shù)的時候，預先設定的車速為50km/h，因此在該速度范圍內(nèi)，PID控制表現(xiàn)不錯。而在速度差距較大的其他區(qū)間，控制效果不理想。4.2PID不同參數(shù)對控制效果的影響在3.4中對PID參數(shù)進行調(diào)整時，發(fā)現(xiàn)不同PID參數(shù)組合會產(chǎn)生不同的控制效果，為探求不同PID對控制效果的影響。本文設定車速為80km/h，在表3.1的基礎上，有設計了一系列PID參數(shù)，依次進行了仿真。在分析時發(fā)現(xiàn)，部分參數(shù)組合，仿真結(jié)果的最大偏差差距不大，但是其誤差回到穩(wěn)定狀態(tài)之后跟預設的差距明顯，因此本文還增加考慮了仿真25s時的偏差，通過Simulink自帶的工具即可查看。表4.2同一車速不同PID參數(shù)下的仿真結(jié)果實驗1234567100805020300100100303030303050150.50.50.50.50.50.50.5最大偏差m0.13350.32390.55990.17430.078660.24320.270425s誤差mm2.643.944.37.126-1.656-2.208-7.137實驗89101112131410010010010010010010058030303030300.50.500.050.215最大偏差m0.30810.23790.30970.29920.27710.23100.089025s誤差mm-4.479-1.621-2.242-2.277-2.760-4.5244.343從仿真1-5中，可以發(fā)現(xiàn)對控制效果的影響規(guī)律：適當增加會增加系統(tǒng)的響應時間，使得穩(wěn)態(tài)響應減小。從仿真1，仿真6-9，可以發(fā)現(xiàn)對控制效果的影響規(guī)律：適當增加可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；從仿真1、仿真10-14可以發(fā)現(xiàn)對控制效果的影響規(guī)律：也可以在一定程度上消除穩(wěn)態(tài)誤差。4.3PID參數(shù)影響規(guī)律分析4.3.1P參數(shù)的影響規(guī)律比例控制作用是最基本的控制規(guī)律。它能較快的克服擾動影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但有余差.它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。比例控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響如下：影響動態(tài)性能：增大比例控制參數(shù)，使系統(tǒng)更加靈敏；若比例參數(shù)過大，調(diào)節(jié)時間就會增加；當值太大的時候，系統(tǒng)就會變的很不穩(wěn)定；當值太小的時候，系統(tǒng)反應又會太慢。對穩(wěn)態(tài)性能的影響：加大比例控制系數(shù)，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度；但是加大只是減少穩(wěn)態(tài)誤差，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。4.3.2I參數(shù)的影響規(guī)律一般情況下，積分控制都會跟比例或微分控制共同起作用，即為PI或PID控制。應用最廣的是PI控制。積分可以被用來進行余差消除，在通道滯后情況不嚴重、負荷無明顯變化以及不允許被控制的參數(shù)出現(xiàn)余差的情況比較適用。比如一些要求流量和液位等不出現(xiàn)余差的控制系統(tǒng)。積分控制規(guī)律可以對系統(tǒng)產(chǎn)生如下影響：在動態(tài)性能方面：積分控制參數(shù)一般會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其值太小將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定；偏小將導致過多的振蕩次數(shù)；太大則會降低對系統(tǒng)的影響。在穩(wěn)態(tài)性能方面：積分控制參數(shù)可以使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差得以消除，從而使系統(tǒng)的控制精度得到提升。4.3.3D參數(shù)的影響規(guī)律微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。但是，如果微分時間常數(shù)太大，這時即使偏差變化速度不是很大，但因微分作用太強而使控制器的輸出發(fā)生很大變化，嚴重影響控制質(zhì)量。在純比例作用基礎之上加上微分作用，構(gòu)成PD控制，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分時間常數(shù)越大，微分作用越強。由于微分作用時是按偏差變化速度來工作的，因而對于克服對象得容量滯后有明顯的作用。對于控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。當控制要求較高時，微分控制又可以與比例積分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PID控制。PID控制是一種最理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5總結(jié)和展望5.1全文總結(jié)本文基于Carsim進行了車道保持系統(tǒng)的仿真分析。主要進行了以下工作：（1）建立Carsim和Simulink的聯(lián)合仿真模型：通過Carsim提供的模型，添加車輛模型，添加瞄傳感器。設計Carsim生成模型的輸入輸出，將方向盤轉(zhuǎn)角作為輸入，將傳感器的輸出作為模型的輸出。集合Simulink搭建的PID控制模型進行了聯(lián)合仿真。（2）改變系統(tǒng)對輸出結(jié)果進行了分析：修改車輛車速以及PID的參數(shù)，研究不同參數(shù)對控制效果的影響，并分析了P、I、D三個參數(shù)對控制結(jié)果的影響規(guī)律。對于PID控制器的參數(shù)整定有一定的指導意義。5.2工作展望本文雖然對PID控制系統(tǒng)進行了分析和研究，但尚有一些問題亟待未來工作中解決：（1）PID控制器的精髓就是“以誤差反饋來消除誤差”，但是直接使用實際與目標之間的誤差不太合理，原因是系統(tǒng)進行輸出會受到慣性影響，不會發(fā)生突變，但是由于目標值是別系統(tǒng)賦予的，可以進行突變，通過兩者間的誤差進行誤差消除代表著將不可能發(fā)生突變的量對能夠突變的量進行跟蹤，很明顯這是不合理的。這樣通常會使初始控制力過大，導致系統(tǒng)超調(diào)，這也是PID控制在閉環(huán)系統(tǒng)中產(chǎn)生“快速性”和“超調(diào)”之間矛盾的主要原因。未來的研究可以對這種快速性和超調(diào)進行研究。（2）對于無擾動的控制系統(tǒng)，積分環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)的動態(tài)特性變差（閉環(huán)系統(tǒng)的反應遲鈍、容易產(chǎn)生震蕩和控制量飽和的副作用），而對于隨時間變化的擾動，積分環(huán)節(jié)的抑制能力又不顯著。未來的研究研究可以集中在PID參數(shù)對于常值擾動以及隨機擾動的抑制能力研究。

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