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1、 基于非线性变阻尼转向控制策略Direction Control Strategy Based on nonlinear variable damping李登峰 乔美娜 贺文杰 陆嘉恒 张玉望（长安大学，长安大学电磁六队）摘要：本设计以第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛为背景，提出了一种引入非线性环节，根据非线性变阻尼控制舵机实现快速准确转向的方案。本文介绍了这一方案的基本思想和控制原理，给出了控制框图，并实际测试了该方案。数据显示该方案是可行的。关键词：飞思卡尔；非线性；变阻尼；转向控制I.引言以往的智能车竞赛中，舵机的控制大多采用线性控制，通过调整PID中的比例、积分、微分系数，来达
2、到使舵机快速响应的目标，而本文则通过引入非线性控制，将非线性因素以反馈结构的形式加入到原系统，使系统性能大幅度提高，甚至达到纯线性控制无法达到的效果。II. 设计原理通常情况下，非线性因素对线性系统的性能带来不利影响，但如果人为地在线性系统中加入某些非线性环节，却有可能使系统的性能大幅度地提高，以致达到单纯线性系统根本无法实现的预期效果。我们知道，在线性系统中，在实现性能指标的问题上存在一些矛盾，诸如为了提高系统稳态精度则希望增大系统的开环放大倍数，或者在系统的开环传递函数中添加s=0的极点，但由于可能导致系统的相对稳定性能降低，因此，在设计线性系统时，往往只能采取某种折衷方案。但是如果人为地
3、在线性系统中加入一些非线性特性，上述矛盾就有可能得到圆满的解决。将舵机这一系统看做线性二阶系统，此系统传递函数为：() = ( + 1) 则使用PD控制的系统，其框图为：设定值输出值PD控制图1 原系统方框图原系统采用PD控制，若要系统响应速度快，则需增大P，但同时会增大超调量，出弯时舵机打角摆动较大，从而使车的轨迹变长，并且在十字弯时容易产生误判；若要减小超调，使舵机打角精确，则需增大D，但响应时间会加长。而将非线性因素以反馈的形式加入原系统后，其框图为：设定值输出值Ps图 2 基于非线性变阻尼控制当输出值很小时，由于非线性死区的存在，内环反馈断开，此时只有比例（P）控制，阻尼小，系统响应速
4、度快；当输出值超过死区的阈值时，内环反馈开始接入系统，引入微分反馈，阻尼大（理想情况下为过阻尼），此时有比例（P）和微分（D）控制，适当增大D参数，可使超调减小。两种情况下的响应曲线如图所示：1-原系统 2-引入微分反馈 3-非线性阻尼所以，非线性变阻尼控制综合了响应速度快和超调小两个优点，具有纯线性控制无法达到的满意的效果。III. 设计方案在原有智能车车模的基础上，增加陀螺仪作为系统的微分反馈，安装图如下：图 3 陀螺仪安装图使用蓝牙将智能车在行驶过程中舵机打舵的波形传到计算机，并用虚拟示波器显示波形。原系统舵机使用PD控制，其打舵波形：基于非线性变阻尼控制的舵机打舵波形：黄色曲线-比例控制 蓝色曲线-微分控制紫色曲线-非线性阻尼控制从波形中我们不难看出，原系统舵机打舵超调较大，车在出弯进入直道时会晃动，走的轨迹并非最佳路径；使用非线性变阻尼控制，系统响应时间缩短，且超调远远小于原系统，路径得到了优化。经过实践，我们证实了基于非线性变阻尼的转向控制集合了响应速度快和超调小两个优点，达到了纯线性系统无法达到的效果，非常适合智能车的转向控制。主要参考文献1 卓晴, 黄开胜, 邵贝贝. 学做智能车M. 北京:北航出版社,2007.3 2 夏德妗，翁贻方.自动控制理论M.北京：机械工业出版社，2012年6月第3版
