前饋-改進(jìn)PID算法在智能車控制上的應(yīng)用

圖3 微分先行PID控制結(jié)構(gòu)圖
3 前饋控制的應(yīng)用
由于智能車的跑道寬度有限制，所以在經(jīng)過急轉(zhuǎn)彎的時候，如果速度和方向控制不及時，智能車就可能沖出跑道。由于前饋控制是開環(huán)控制，所以前饋控制的響應(yīng)速度很快。將前饋控制引入到智能車的控制中，能夠提高舵機和伺服電機的反應(yīng)速度，改善智能車系統(tǒng)的動態(tài)性能。
3.1 智能車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
智能車的控制主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是方向的控制，也就是對舵機的控制；另一方面是對速度的控制，也就是對伺服電機的控制。舵機的數(shù)學(xué)模型較為簡單，具有很好的線性特征，只采用前饋控制；智能車的速度控制相對復(fù)雜一些，速度模型無法準(zhǔn)確建立，采用前饋-改進(jìn)PID算法進(jìn)行控制。智能車的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4中， 和 分別是舵機和伺服電機數(shù)學(xué)模型。從圖中可以看出，智能車的方向控制和速度控制是相互獨立的，而且它們都是由路線偏差決定的。舵機轉(zhuǎn)角與路線偏差之間的對應(yīng)關(guān)系是根據(jù)舵機的數(shù)學(xué)模型得到的，在速度控制回路中，既包括反饋回路，又包括前饋環(huán)節(jié)，伺服電機的控制量是在前饋補償基礎(chǔ)上，再由增量式PID算法計算得到。

圖4 智能車的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.2 在方向控制中的應(yīng)用
智能車對方向的控制有兩點要求：在直道上，方向保持穩(wěn)定；在轉(zhuǎn)彎處，需要方向變化準(zhǔn)確而且迅速。只有這樣，才能保證智能車在跑道上高速、穩(wěn)定地運行。為了提高方向控制的魯棒性，本文還對路線偏差進(jìn)行了模糊化處理。圖5是智能車方向模糊前饋控制的結(jié)構(gòu)圖，圖中和分別是直道和彎道兩種情況下的前饋控制函數(shù)。

圖5 智能車方向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.3 在速度控制中的應(yīng)用
為了使智能車在直道上以較快速度運行，在轉(zhuǎn)彎時，防止智能車沖出跑道，則必須將智能車的速度降低，這就要求智能車的速度控制系統(tǒng)具有很好的加減速性能。當(dāng)智能車經(jīng)過連續(xù)轉(zhuǎn)彎的跑道時，路線偏差的頻繁變化會造成速度設(shè)定的頻繁變化，這會引起速度控制系統(tǒng)的振蕩，并且微分環(huán)節(jié)對誤差突變干擾很敏感，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了解決上述存在的問題，本文對數(shù)字PID算法進(jìn)行了改進(jìn)，將不完全微分和微分先行引入到PID算法中，大大改善了速度控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖6 智能車速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖