基于模糊控制和PID控制的自主车辆速度跟踪控制(含MATLAB仿真程序)Word文档格式.doc
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NS
P2
ZO
P3
PS
P4
PM
P5
PB
P6
设置模糊规则库如下表：
表2：
模糊规则表
U
E
EC
—
NS*
3.模糊推理
由模糊规则表3可以知道输入E与EC和输出U的模糊关系，这里我取两个例子做模糊推理如下：
if（EisNB）and（ECisNM）then（UisPB）
那么他的模糊关系子矩阵为：
其中，,即表1中NB对应行向量，同理可以得到，,
if（EisNBorNM）and（ECisNB）then（UisPB）
，结果略。
按此法可得到27个关系子矩阵，对所有子矩阵取并集得到模糊关系矩阵如下：
由R可以得到模拟量输出为：
4.去模糊化
由上面得到的模拟量输出为1×
7的模糊向量，每一行的行元素（u（zij））对应相应的离散变量zj，则可通过加权平均法公式解模糊：
从而得到实际刹车控制量的精确值u。
油门控制：
油门控制采用增量式PID控制，即：
其中ki=kp×
ts/Ti，=kp×
Td/ts只需要设置、Ti、Td三个参数即可输出油门控制量。
二、调整参数
按照上述算法流程，应用MATLAB进行仿真实现，在参数调试过程中采用如下方法：
首先将油门和刹车分开进行调整参数，最后再将调整好的参数写入总程序中调整。
1.油门PID参数调节
油门只需要调整kp、Ti、Td三个参数，根据经验，首先令Ti、Td为0，kp由0逐渐增大，在增大kp的过程可知，kp越大系统调节时间越短并趋于稳定，在达到一定程度后，继续增大系统将出现波动。
kp=0.1kp=0.4
kp=0.9
调节Ti的过程发现，Ti对系统稳定性影响并不大，将Ti由10增大到30的过程中系统输出没有变化。
Ti=10Ti=30
在给Td赋值时，最开始从1增大，发现系统越来越不稳定，于是逐渐减小，到0.003时趋于稳定，它的可调节范围很小，随其值的减小最大误差值逐渐减小，增大则系统趋于不稳定。
kp=0.001kp=0.002
kp=0.003
2.刹车调节
首先，为了适应该系统，将刹车输出量限制在[-150,150]之内（最初设计其范围为[-30,30]），对于该控制，可调节参数较多，包括隶属度函数、模糊规则表、输入输出变量区间、语言值论域、模糊推理及解模糊方法等等，这里由于模糊规则需要经验设定，本算法没有实际参考，所以这里只调整规则表，其他参数固定不变。
以下为最初设计的模糊规则表：
由于实际刹车控制中对于加速采取比较单一的置零（在选择规则中设定）输出，所以在规则表中e<
0部分没有规则，然而为了仿真方便，使参数调节更清晰，重新定义模糊规则表如下：
与此同时，将刹车的输出变量取反，以此来实现减速的效果！
在调整模糊规则表的时候，必须依据输入变量e和ec的范围逐个检验，按照他们各自的语言值以及相应的输出语言值进行调整。
例如，初始速度为50，期望速度为0，即e=-50，ec=-50，则此时输出对应模糊规则表中第一行第一列PB，而下一时刻ec几乎为0，所以在调节过程中，主要进行对EC变量的ZO行进行调节，若响应时间短，则增大相应输出语言值，反之亦然。
仿真时，分两段，首先加速，之后减速，采用上面的模糊规则表，得到如下图像：
从图像的上升阶段分析可以看出，其加速阶段并不能达到稳态值，但对于刹车控制可以忽略其影响，而减速阶段实际上已经比较理想，我取稳态误差达到5%稳定，则此规则达到稳态的时间为7.4s，这里尝试进行如下修改，将规则表中带下划线的部分以此改为：
PM,PS,PS,ZO,即，增大了输出语言值。
则得到如下图像：
此规则达到稳定的时间为6.9s，由此分析模糊规则的调整规则如下：
若想加快响应时间，增大误差和误差变化率负大区域附近的输出语言值，并增大误差变化率零区域附近的输出语言值，可能还会引起超调量的增大，所以只需做临近语言值之间的变化。
3.整体调节
此时将刹车与油门同时加到仿真模型中，分别做加速和减速仿真，依据分别调节时的规律做微量调节就可以基本达到要求。
4.待解决问题
在调试过程中发现，油门控制（PID）过程在达到稳态时出现抖动，并且三个参数对他的影响很小，具体原因待考证；
油门控制给系统的输入值出现大波动，每一次达到峰值持续相同时间后变为0再持续一段时间又变为峰值；
模糊控制的语言值论域较小，对于扩大语言值论域对系统的影响还有待验证；
模糊控制的输入变量压缩方式有待验证其合理性；
模糊控制与PID控制的相互配合，在该程序中，由于两种控制的输出控制量不同，在给到仿真系统时很难统一；
油门与上车的选择规则与实际系统还存在很大的改进。
附录
MATLAB仿真程序
functionkk=bingji（A）
fori=1:
49
fork=1:
7
forj=1:
26
n=7*j+k;
if（A（i,k）>
=A（i,n））
kk（i,k）=A（i,k）;
else
A（i,k）=A（i,n）;
end
end
end
end
functiono=dikaer（A,n,B,N）
n
forj=1:
N
if（A（i）<
=B（j））
C（i,j）=A（i）;
else
C（i,j）=B（j）;
end
o=C;
end
return;
functionT=flisan（a,b,n,x）
y=（a+b）/2+（b-a）*x/（2*n）;
T=round（y）;
functionmm=bell（x,a,b,c）
z=abs（（x-c）/a）^（2b）;
y=1/（1+z）;
mm=y;
return;
functionooo=jbing（A,B）
fori=1:
forj=1:
if（A（i,j）<
B（i,j））
A（i,j）=B（i,j）;
ooo=A;
return;
functionMM=jdikaer（A,n,B,m）
m
if（A（j）<
B（j,i））
B（j,i）=A（j）;
MM=B;
functionoo=jiao（A,B）
if（A（i,j）>
oo=A;
functionmm=lbell（x,a,b,c）
if（x<
c）
mm=1;
else
z=（x-c）/a;
v=abs（z）;
n=v^（2*b）;
y=1/（1+n）;
functionL=lisan（a,b,n,x）
y=2*n*x/（b-a）-n*（a+b）/（b-a）;
L=y;
functionUU=max（A）
if（A（j,i）>
=Q（i））
Q（i）=A（i,j）;
end
UU=Q;
return;
functionsum1=mean（U）
a=[-3-2-10123];
sum2=0;
sum3=0;
sum2=sum2+U（i）;
sum3=sum3+U（i）*a（i）;
sum1=sum3/sum2;
functionmm=rbell（x,a,b,c）
if（x>
functionmww=trig（x,a,b,c）
if（x<
=a）
mww=0;
else
if（x>
a&
&
x<
=b）
mww=（x-a）/（b-a）;
else
if（x>
b&
=c）
mww=（c-x）/（c-b）;
if（x>
mww=0;
end
functionooo=xbing（A,B）
if（A（i）<
B（i））
A（i）=B（i）;
clearall
%************************Ä
£
º
ý
Ë
ã
·
¨
%/*********Á
¥
Ê
ô
¶
È
Ï
ò
Á
¿
*****%
P0=[1,0.5,0,0,0,0,0];
%*********NB
P1=[0,1,0.5,0,0,0,0];
%*********NM
P2=[0,0.5,1,0.5,0,0,0];
%*********NS
P3=[0,0,0.5,1,0.5,0,0];
%*********ZO
P4=[0,0,0,0.5,1,0.5,0];
%*********PS
P5=[0,0,0,0,0.5,1,0];
%*********PM
P6=[0,0,0,0,0,0.5,1];
%*********PB
%***********Ó
ï
Ñ
Ô
Ö
µ
NB=-3;
NM=-2;
NS=-1;
ZO=0;
PS=1;
PM=2;
PB=3;
%/*********Ä
¹
æ
±
í
Pg=[PBPBPMPMPSZOZO;
PBPMPMPSZOZONS;
PMPMPSPSZONSNS;
PMPSPSZOZONSNM;
PSPSZOZOZONSNM;
PSZOZOZONSNMNB;
ZOZOZONSNMNMNB];
%/*********¸
ù
¾
Ý
Ä
¼
Æ
Ø
Õ
ó
R*****%
R1_=dikaer（xbing（P0,P1）,7,P0,7）;
R1_=reshape（R1_,1,49）;
R1=dikaer（R1_,49,P6,7）;
R2_=dikaer（xbing（P2,P3）,7,P0,7）;
R2_=reshape（R2_,1,49）;
R2=dikaer（R2_,49,P5,7）;
R3_=dikaer（P0,7,P1,7）;
R3_=reshape（R3_,1,49）;
R3=dikaer（R2_,49,P6,7）;
R4_=dikaer（xbing（P1,P2）,7,P1,7）;
R4_=reshape（R4_,1,49）;
R4=dikaer（R4_,49,P5,7）;
R5_=dikaer（P3,7,P1,7）;
R5_=reshape（R5_,1,49）;
R5=dikaer（R5_,49,P4,7）;
R6_=dikaer（xbing（P0,P1）,7,P2,7）;
R6_=reshape（R6_,1,49）;
R6=dikaer（R6_,49,P5,7）;
R7_=dikaer（xbing（P2,P3）,7,P2,7）;
R7_=reshape（R7_,1,49）;
R7=dikaer（R7_,49,P4,7）;
R8_=dikaer（P0,7,P3,7）;
R8_=reshape（R8_,1,49）;
R8=dikaer（R8_,49,P5,7）;
R9_=dikaer（xbing（P1,P2）,7,P3,7）;
R9_=reshape（R9_,1,49）;
R9=dikaer（R9_,49,P4,7）;
R10_=dikaer（P3,7,P3,7）;
R10_=reshape（R10_,1,49）;
R10=dikaer（R10_,49,P3,7）;
R11_=dikaer（xbing（P0,P1）,7,P4,7）;
R11_=reshape（R11_,1,49）;
R11=dikaer（R11_,49,P4,7）;
P45=xbing（P4,P5）;
R12_=dikaer（xbing（P2,P3）,7,P45,7）;
R12_=reshape（R12_,1,49）;
R12=dikaer（R12_,49,P3,7）;
R13_=dikaer（P0,7,P5,7）;
R13_=reshape（R13_,1,49）;
R13=dikaer（R13_,49,P4,7）;
R14_=dikaer（P1,7,P5,7）;
R14_=reshape（R14_,1,49）;
R14=dikaer（R14_,49,P3,7）;
P01=xbing（P0,P1）;
R15_=dikaer（xbing（P01,P2）,7,P6,7）;
R15_=reshape（R15_,1,49）;
R15=dikaer（R15_,49,P3,7）;
R16_=dikaer（P3,7,P6,7）;
R16_=reshape（R16_,1,49）;
R16=dikaer（R16_,49,P2,7）;
R17_=dikaer（P4,7,P0,7）;
R17_=reshape（R17_,1,49）;
R17=dikaer（R17_,49,P4,7）;
R18_=dikaer（xbing（P5,P6）,7,P0,7）;
R18_=reshape（R18_,1,49）;
R18=dikaer（R18_,49,P3,7）;
R19_=dikaer（xbing（P4,P5）,7,P1,7）;
R19_=reshape（R19_,1,49）;
R19=dikaer（R19_,49,P3,7）;
R20_=dikaer（P6,7,xbing（P1,P2）,7）;
R20_=reshape（R20_,1,49）;
R20=dikaer（R20_,49,P2,7）;
P23=xbing（P2,P3）;
R21_=dikaer（P4,7,xbing（P23,P4）,7）;
R21_=reshape（R21_,1,49）;
R21=dikaer（R21_,49,P3,7）;
R22_=dikaer（P5,7,xbing（P23,P4）,7）;
R22_=reshape（R22_,1,49）;
R22=dikaer（R22_,49,P2,7）;
R23_=dikaer（P6,7,xbing（P3,P4）,7）;
R23_=reshape（R23_,1,49）;
R23=dikaer（R23_,49,P1,7）;
R24_=dikaer（P4,7,P5,7）;
R24_=reshape（R24_,1,49）;
R24=dikaer（R24_,49,P2,7）;
R25_=dikaer（P5,7,P5,7）;
R25_=reshape（R25_,1,49）;
R25=dikaer（R25_,49,P1,7）;
R26_=dikaer（P6,7,xbing（P6,P5）,7）;
R26_=reshape（R26_,1,49）;
R26=dikaer（R26_,49,P0,7）;
R27_=dikaer（xbing（P4,P5）,7,P6,7）;
R27_=reshape（R27_,1,49）;
R27=dikaer（R27_,49,P1,7）;
m=[R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10,R11,R12,R13,R14,R15,R16,R17,R18,R19,R20,R21,R22,R23,R24,R25,R26,R27];
R=bingji（m）;
%*************³
õ
»
¯
ä
e=0;
ec=0;
y_1=0;
y_2=0;
u=0;
u_1=0;
u_2=0;
u_3=0;
e_1=0;
e_2=0;
Eswith=10;
throttle_1=0;
brake_1=0;
x=[000];
ts=0.001;
sys=tf（1,[1,2,1],'
inputdelay'
0.5）;
dsys=c2d（sys,ts,'
zoh'
）;
[num,den]=tfdata（dsys,'
v'
fork=1:
1:
40000
%****************¿
Í
³
time（k）=k*ts;
if（k<
20000）
vd（k）=50;
vd（k）=0;
y（k）=-den
（2）*y_1-den（3）*y_2+num
（2）*u_1+num（3）*u_2;
e=vd（k）-y（k）;
ec=e-e_1;
u_3=u_2;
u_2=u_1;
u_1=u;
y_2=y_1;
y_1=y（k）;
x
（1）=e;
x
（2）=（e-e_1）/ts;
x（3）=x（3）+e*ts;
%*******************************Ó
Ã
Å
kp=0.42;
Ti=30;
Td=0.0018;
%***vd（k）=1
%kp=0.42;
%kp=0.0015;
Ti=0.01;
Td=0.002;
%***vd（k）=1*time（k）+10
%kp=0.0015;
Ti=0.001;
%***vd（k）=1*time（k）^2+time（k）+2;
ki=kp*ts/Ti;
kd=kp*Td/ts;
dthrottle=kp*x
（1）+kd*x
（2）+ki*x（3）;
throttle=u_1+dthrottle;
if（throttle>
2000）
throttle=2000;
if（throttle<
-2000）
throttle=-2000;
%****
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