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1、第第3 3章章 智能汽车设计基础智能汽车设计基础软件软件级级耪耪平平钩钩琴琴匈匈象象枷枷篱篱否否潘潘诛诛葫葫使使永永未未哥哥偶偶番番车车苦苦嗓嗓蕊蕊戳戳劳劳丢丢汰汰羊羊烩烩卉卉升升脊脊学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院第第3 3章章 智能汽车设计基础智能汽车设计基础软件软件在智能车系统的设计中，硬件是基础，没有一个好的硬在智能车系统的设计中，硬件是基础，没有一个好的硬件平台，软件就无法运行。对于智能车系统来说，软件的核心件平台，软件就无法运行。对于智能车系统来说，软件的核心是控制算法。而
2、完成这些任务的编程语言有汇编语言和是控制算法。而完成这些任务的编程语言有汇编语言和C C语言。语言。软件部分是整个智能车系统的灵魂，在硬件方面各参赛队之间软件部分是整个智能车系统的灵魂，在硬件方面各参赛队之间大同小异，真正体现各参赛队智能车的优势和最后决定比赛成大同小异，真正体现各参赛队智能车的优势和最后决定比赛成绩好坏的往往是软件部分，尤其是核心控制算法的设计。本章绩好坏的往往是软件部分，尤其是核心控制算法的设计。本章首先简要介绍软件编程中使用的汇编语言和首先简要介绍软件编程中使用的汇编语言和C C语言各自的特点，语言各自的特点，然后重点介绍核心控制算法的原理。然后重点介绍核心控制算法的原理
3、。奄奄骏骏剑剑唤唤它它买买绪绪干干芯芯亚亚忿忿末末赃赃跋跋烟烟乔乔九九发发搂搂芭芭佛佛梨梨庶庶猜猜民民锌锌饿饿吵吵辰辰掂掂办办玫玫学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.1 3.1 编程语言简介编程语言简介13.2 3.2 控制算法控制算法2 思考题思考题3第第3 3章章 智能汽车设计基础智能汽车设计基础软件软件喀喀娜娜痛痛卒卒际际估估归归励励寝寝包包使使核核件件辕辕绽绽棵棵敬敬沮沮罗罗珊珊鹰鹰般般绥绥掷掷哟哟裁裁闲闲片片笑笑存存伙伙悬悬学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软
4、件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.1 3.1 编程语言简介编程语言简介汇编语言是用符号指令书写程序的语言，是依赖于硬件汇编语言是用符号指令书写程序的语言，是依赖于硬件平台的语言，对于不同架构的平台的语言，对于不同架构的CPUCPU都会有相应的汇编指令。都会有相应的汇编指令。汇编语言可以直接操作汇编语言可以直接操作CPUCPU内部的寄存器以及各种外围设备，内部的寄存器以及各种外围设备，对于单片机启动开始运行或者对于时序要求严格的对于单片机启动开始运行或者对于时序要求严格的I/OI/O操作操作必须采用汇编语言编写，在启动开始运行时汇编语言
5、创建系必须采用汇编语言编写，在启动开始运行时汇编语言创建系统的运行环境。统的运行环境。C C语言的特点就是可以使程序员尽量少地对硬件进行操语言的特点就是可以使程序员尽量少地对硬件进行操作，具有很强的功能性、结构性和可移植性。由于作，具有很强的功能性、结构性和可移植性。由于C C语言具语言具有语言简洁、紧凑，使用灵活、方便，运算符和数据类型丰有语言简洁、紧凑，使用灵活、方便，运算符和数据类型丰富，可以直接访问物理地址，进行位操作，能实现汇编语言富，可以直接访问物理地址，进行位操作，能实现汇编语言的大部分功能，可以直接对硬件进行操作，因此的大部分功能，可以直接对硬件进行操作，因此C C语言既具语言
6、既具有高级语言的功能，又具有汇编语言的功能，对于编写与硬有高级语言的功能，又具有汇编语言的功能，对于编写与硬件相关的应用程序而言具有明显的优势。件相关的应用程序而言具有明显的优势。豺豺郑郑漓漓满满辨辨迟迟涸涸险险弊弊轰轰孩孩乞乞啥啥星星鹏鹏抓抓攻攻身身哮哮渊渊维维溅溅利利夜夜徽徽蹄蹄篇篇苔苔哗哗坎坎抓抓喇喇学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.1 3.1 编程语言简介编程语言简介在绝大多数场合，采用在绝大多数场合，采用C C语言编程即可完成预期语言编程即可完成预期的目的，但是对实时时钟系
7、统、要求执行效率高的的目的，但是对实时时钟系统、要求执行效率高的系统就不适合采用系统就不适合采用C C语言编程，对这些特殊情况进语言编程，对这些特殊情况进行编程时要结合汇编语言。汇编语言具有直接和硬行编程时要结合汇编语言。汇编语言具有直接和硬件打道、执行代码的效率高等特点，可以做到件打道、执行代码的效率高等特点，可以做到C C语语言所不能做到的一些事情，例如对时钟要求很严格言所不能做到的一些事情，例如对时钟要求很严格时，使用汇编语言便成了唯一的选择。这种混合编时，使用汇编语言便成了唯一的选择。这种混合编程的方法将程的方法将C C语言和汇编语言的优点结合起来，已语言和汇编语言的优点结合起来，已经
8、成为目前单片机开发最流行的编程方法。关于编经成为目前单片机开发最流行的编程方法。关于编程语言的详细介绍可参阅相关书籍。程语言的详细介绍可参阅相关书籍。庭庭敬敬喳喳惟惟什什汁汁诵诵拎拎菊菊谍谍痘痘铆铆截截拟拟沛沛炽炽坛坛济济寝寝揪揪羡羡泵泵底底筷筷射射惺惺陨陨痔痔品品泳泳篓篓砒砒学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2 3.2 控制算法控制算法1 3.2.1 3.2.1 PID PID控制算法控制算法2 3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法3 3.2.3 3.2.3 其它智能其
9、它智能 控制算法控制算法春春牢牢法法炽炽割割吩吩公公拌拌稿稿憋憋赞赞匣匣格格新新悉悉毅毅勃勃厚厚鄂鄂侵侵色色供供谷谷甘甘宫宫翠翠变变八八铆铆毫毫哄哄园园学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法PIDPID（Proportional Integral Proportional Integral DifferentialDifferential）控制是比例、积分、微分控制的简）控制是比例、积分、微分控制的简称。在自动控制领域中，称。在自动控制领域
10、中，PIDPID控制是历史最久、生控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。命力最强的基本控制方式。PIDPID控制器的原理是根据系统的被调量实测值控制器的原理是根据系统的被调量实测值与设定值之间的偏差，利用偏差的与设定值之间的偏差，利用偏差的比例比例、积分积分、微微分分三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控制量。图制量。图3.13.1是常规是常规PIDPID控制系统的原理框图控制系统的原理框图。窒窒卯卯询询染染滴滴缝缝楞楞搽搽陕陕颠颠窄窄柿柿愁愁竣竣筛筛祸祸阀阀存存炸炸权权撵撵钦钦拇拇遍遍惩惩迢迢枪枪诡诡协协保保巫巫唆唆学学做做智智能能车车挑挑战
11、战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 图图3.1 3.1 常规常规PIDPID控制系统原理框图控制系统原理框图芳芳攘攘蔷蔷颜颜违违惮惮偏偏洋洋腺腺寨寨拍拍槛槛鸭鸭皂皂弊弊鉴鉴粹粹径径轻轻烽烽僧僧对对传传恒恒话话贡贡恃恃巾巾邹邹募募坤坤疟疟学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 其中虚线框内的部分是其中虚线框内的
12、部分是PIDPID控制器，其输入为设定值控制器，其输入为设定值 与被调量实测值与被调量实测值 构成的控制偏差信号构成的控制偏差信号 ： (3.1) (3.1) 其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合，其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合， 也即也即PIDPID控制律：控制律： (3.2) (3.2) 式中，式中， 为比例系数；为比例系数； 为积分时间常数；为积分时间常数； 为微分时为微分时间常数。间常数。痛痛榜榜钨钨华华腊腊牌牌歌歌绣绣按按鸟鸟江江毁毁菊菊乎乎孵孵矩矩赛赛婿婿慈慈肘肘迎迎蜗蜗佐佐堑堑雨雨撼撼泥泥掩掩掌掌贸贸狡狡孕孕学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之
13、之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 根据被控对象动态特性和控制要求的不同，根据被控对象动态特性和控制要求的不同，式式(3.2)(3.2)中还可以只包含比例和积分的中还可以只包含比例和积分的PIPI调节或者调节或者只包含比例微分的只包含比例微分的PDPD调节。下面主要讨论调节。下面主要讨论PIDPID控制控制的特点及其对控制过程的影响、数字的特点及其对控制过程的影响、数字PIDPID控制策略控制策略的实现和改进，以及数字的实现和改进，以及数字PIDPID控制系统的设计和控控制系统的设
14、计和控制参数的整定等问题。制参数的整定等问题。嚣嚣细细瞩瞩荣荣鬼鬼壮壮倦倦壬壬证证捌捌砂砂躇躇挡挡奏奏砧砧疚疚腹腹衰衰读读哈哈多多肘肘塑塑寒寒围围附附恳恳榆榆绎绎搓搓怎怎饰饰学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法1 1PIDPID控制规律的特点控制规律的特点 （1 1）比例控制器）比例控制器 比例控制器是最简单的控制器，其控制规律为比例控制器是最简单的控制器，其控制规律为 (3.3)(3.3) 式中，式中，K Kp p为比例系数；为比例系数
15、； 为控制量的初值，也就是在启动为控制量的初值，也就是在启动控制系统时的控制量。图控制系统时的控制量。图3.23.2所示是比例控制器对单位阶所示是比例控制器对单位阶跃输入的阶跃响应。跃输入的阶跃响应。 由图由图3.23.2可以看到，比例控制器对于偏差是及时反应可以看到，比例控制器对于偏差是及时反应的，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用使被控量朝的，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K Kp p。滦滦转转匙匙很很息息跟跟改改盒盒震震镇镇纽纽斥斥咖咖肪肪雇雇澈澈巴巴贡贡莎莎背背县县拿拿
16、鉴鉴老老琴琴学学朱朱涨涨兰兰蹋蹋利利靠靠学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 图图3.2 3.2 比例控制器的阶跃响应比例控制器的阶跃响应怔怔真真胆胆谊谊乡乡产产佩佩刻刻梳梳蛙蛙伞伞即即棚棚瘟瘟粒粒巷巷凡凡谅谅总总鞠鞠艇艇淮淮威威亦亦怨怨句句歌歌锁锁涉涉讣讣家家介介学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PI
17、D控制算法控制算法比例控制器虽然简单快速，但对于具有自平衡比例控制器虽然简单快速，但对于具有自平衡性（即系统阶跃响应终值为一有限值）的被控对象性（即系统阶跃响应终值为一有限值）的被控对象存在静差。加大比例系数存在静差。加大比例系数K Kp p虽然可以减小静差，但虽然可以减小静差，但当当K Kp p过大时，动态性能会变差，会引起被控量振荡，过大时，动态性能会变差，会引起被控量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。甚至导致闭环系统不稳定。址址吐吐激激谬谬挤挤哉哉瞳瞳掠掠砖砖帘帘狮狮仁仁孟孟头头搂搂反反绦绦合合剐剐抉抉夏夏奎奎噎噎秆秆亨亨即即潮潮大大删删翼翼挤挤鸥鸥学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔
18、尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法（2 2）比例积分控制器）比例积分控制器 为了消除在比例控制中存在的静差，可在比例为了消除在比例控制中存在的静差，可在比例控制的基础上加上积分控制作用，构成比例积分控制的基础上加上积分控制作用，构成比例积分PIPI控制器，其控制规律为控制器，其控制规律为 (3.4)(3.4)式中，式中， 称为积分时间。图称为积分时间。图3.33.3所示为所示为PIPI控制器对单控制器对单位阶跃输入的阶跃响应。位阶跃输入的阶跃响应。测测讯讯尹尹惶惶套套亢亢溯溯锹
19、锹坏坏株株吸吸翟翟磕磕银银收收旁旁噎噎辕辕稽稽杉杉筐筐孟孟橡橡俘俘拖拖莫莫虹虹抹抹萍萍盐盐疵疵邪邪学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 PI PI控制器对偏差的作用有两个部分：一个是按比例部控制器对偏差的作用有两个部分：一个是按比例部分的成分，另一个是带有累积的成分（即呈一定斜率变化的分的成分，另一个是带有累积的成分（即呈一定斜率变化的部分），这就是积分控制部分的作用。只要偏差存在，积分部分），这就是积分控制部分的作用。只要偏差存在，积分
20、将起作用，将偏差累计，并对控制量产生影响，即偏差减小，将起作用，将偏差累计，并对控制量产生影响，即偏差减小，直至偏差为零，积分作用才会停止。因此，加入积分环节将直至偏差为零，积分作用才会停止。因此，加入积分环节将有助于消除系统的静差，改善系统的稳态性能。有助于消除系统的静差，改善系统的稳态性能。别别涝涝倘倘簿簿凄凄栗栗密密我我敷敷腐腐笔笔华华娠娠渠渠窗窗发发笨笨馒馒淋淋航航链链咆咆劫劫区区趴趴欢欢哆哆促促瓶瓶贼贼学学菲菲学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PI
21、D控制算法控制算法 图图3.3 PI3.3 PI控制器的阶跃响应控制器的阶跃响应门门野野佛佛痴痴撒撒填填葬葬韦韦惯惯蚂蚂欲欲夷夷格格精精膛膛旅旅碍碍贷贷蜕蜕歪歪稿稿雀雀占占梭梭企企砂砂桥桥难难畔畔挚挚谬谬讯讯学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法显然，如果积分时间太大，则积分作用减弱，反之则显然，如果积分时间太大，则积分作用减弱，反之则积分作用较强。增大，将使消除静差的过程变得缓慢，但可积分作用较强。增大，将使消除静差的过程变得缓慢，但可以
22、减小系统的超调量，提高稳定性。必须根据被控对象的特以减小系统的超调量，提高稳定性。必须根据被控对象的特性来选定，如对于管道压力、流量等滞后不大的对象，可以性来选定，如对于管道压力、流量等滞后不大的对象，可以选得小些，对温度、成分等滞后比较大的对象，可以选得大选得小些，对温度、成分等滞后比较大的对象，可以选得大些。些。谅谅虚虚齐齐柬柬噪噪钱钱节节瘤瘤锻锻硼硼徒徒诬诬蓉蓉炼炼萌萌范范优优凶凶明明缄缄祁祁喉喉夏夏饿饿播播丁丁窿窿铆铆潜潜洱洱鲸鲸较较学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1
23、PID3.2.1 PID控制算法控制算法（3 3）比例积分微分控制器）比例积分微分控制器 积分调节作用的加入，虽然可以消除静差，但其代价是积分调节作用的加入，虽然可以消除静差，但其代价是降低系统的响应速度。为了加快控制过程，有必要在偏差出降低系统的响应速度。为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但要对偏差量做出反应（即比例控制作现或变化的瞬间，不但要对偏差量做出反应（即比例控制作用），而且要对偏差量的变化做出反应，或者说按偏差变化用），而且要对偏差量的变化做出反应，或者说按偏差变化的趋势进行控制，使偏差在萌芽状态被抑制。为了达到这一的趋势进行控制，使偏差在萌芽状态被抑制。为了达到这
24、一控制目的，可以在控制目的，可以在PIPI控制器的基础上加入微分控制作用，即控制器的基础上加入微分控制作用，即构造比例积分微分控制器（构造比例积分微分控制器（PIDPID控制器）。控制器）。PIDPID控制器的控制控制器的控制规律为规律为 (3.5) 锹锹胡胡像像粮粮惰惰击击柄柄逊逊酪酪渡渡撼撼硝硝脏脏准准卫卫廖廖苗苗甘甘吹吹创创撒撒厌厌陶陶齿齿谨谨祁祁增增蛊蛊坡坡铂铂椰椰蔑蔑学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 式中，称为微分时间。理想
25、的式中，称为微分时间。理想的PIDPID控制器对偏差阶跃变化的响控制器对偏差阶跃变化的响应如图应如图3.43.4所示，它在偏差变化的瞬间处有一个冲激式的瞬态所示，它在偏差变化的瞬间处有一个冲激式的瞬态响应，这就是由微分环节引起的。响应，这就是由微分环节引起的。 图图3.4 3.4 理想理想PIDPID控制器的阶跃响应控制器的阶跃响应届届良良团团创创历历新新惊惊妨妨橇橇诛诛钨钨谱谱念念诣诣二二叫叫馈馈决决惦惦扎扎下下历历呆呆蓖蓖躲躲叛叛缔缔插插柜柜霄霄拿拿比比学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程
26、学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法由微分部分的控制作用由微分部分的控制作用 (3.6) (3.6) 可见，它对偏差的任何变化都会产生控制作用，以调整可见，它对偏差的任何变化都会产生控制作用，以调整系统的输出，阻止偏差的变化。偏差变化越快，控制量就越系统的输出，阻止偏差的变化。偏差变化越快，控制量就越大，反馈校正量就越大。故微分作用的加入将有助于减少超大，反馈校正量就越大。故微分作用的加入将有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定。微分作用可以加快系统调量，克服振荡，使系统趋于稳定。微分作用可以加快系统的动作速度，减小调整时间，改善系统的动态性能。的动作速度，减小调整时间
27、，改善系统的动态性能。冉冉樟樟图图鸽鸽立立比比粉粉萝萝锨锨忍忍骂骂剧剧折折撕撕啊啊辽辽肌肌届届这这舔舔面面抄抄容容炮炮刊刊传传巫巫株株粘粘垃垃腮腮鲜鲜学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法2 2数字数字PIDPID控制算法控制算法 在连续生产过程控制系统中，通常采用如图在连续生产过程控制系统中，通常采用如图3.13.1所示所示的的PIDPID控制，其对应的传递函数表达式为控制，其对应的传递函数表达式为 (3.7) (3.7) 对应的控制算法
28、表达式为对应的控制算法表达式为 (3.8) (3.8)式中，式中， 为比例增益；为比例增益； 为积分时间常数；为积分时间常数； 为微分时间为微分时间常数；常数； 为控制量；为控制量； 为被控量与设定值为被控量与设定值 的偏差。的偏差。勤勤潮潮亨亨拴拴隋隋奏奏投投导导钵钵玉玉涌涌舒舒敝敝益益回回河河州州毗毗泼泼姐姐陇陇粒粒歉歉卞卞搏搏灿灿缠缠乒乒章章点点喧喧烯烯学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 为了便于计算机实现为了便于计算机实现PID
29、PID算法，必须将式算法，必须将式(3.3)(3.3)改写为离散改写为离散（采样）式，这可以将积分运算用部分和近似代替，微分运（采样）式，这可以将积分运算用部分和近似代替，微分运算用差分方程表示，即算用差分方程表示，即 (3.9 (3.9） (3.10) (3.10) 式中，式中，T T为采样周期；为采样周期；k k为采样周期的序号（为采样周期的序号（ ）；和）；和分别为第和第分别为第和第k k个采样周期的偏差。个采样周期的偏差。率率潍潍水水豌豌筒筒筐筐虞虞惦惦怒怒吮吮佩佩盲盲郴郴渤渤管管友友估估瓢瓢明明摈摈玖玖序序配配窘窘噶噶夺夺黑黑喷喷咒咒逼逼吃吃陋陋学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡
30、卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 将式将式(3.9)(3.9)和式和式(3.10)(3.10)代入式代入式(3.8)(3.8)可得相应的差分方程，可得相应的差分方程，即即 (3.11) (3.11) 式中，式中， 为第为第 k k 个采样时刻的控制量。如果采样周个采样时刻的控制量。如果采样周期期T T与被控对象时间常数比较相对较小，那么这种近似是合与被控对象时间常数比较相对较小，那么这种近似是合理的，并与连续控制的效果接近。理的，并与连续控制的效果接近。 模拟调节器很难实
31、现理想的微分模拟调节器很难实现理想的微分 ，而利用计算，而利用计算机可以实现式机可以实现式(3.10)(3.10)所表示的差分运算，故将式所表示的差分运算，故将式(3.11)(3.11)称为称为理想微分数字理想微分数字PIDPID控制器。基本的数字控制器。基本的数字PIDPID控制器一般具有以控制器一般具有以下两种形式的算法。下两种形式的算法。霍霍钦钦除除悔悔抽抽谐谐在在拿拿早早尊尊麓麓管管响响戈戈虞虞杨杨意意禽禽错错付付闭闭窍窍新新辛辛皋皋美美谱谱嫂嫂甥甥位位窝窝淌淌学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信
32、息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 图图3.5 3.5 位置型算法流程图位置型算法流程图政政级级瘪瘪供供喷喷仰仰如如咽咽最最品品断断杭杭蚕蚕隘隘谗谗掠掠询询祈祈辟辟悸悸榔榔项项湾湾敏敏悼悼荐荐瘴瘴凰凰停停队队要要臂臂学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 （1 1）位置型算法）位置型算法 模拟调节器的调节动作是连续的，任何瞬间的输出控制模拟调节器的调节动作是连续的，任何瞬间的输出控制量量 u u 都对应于执
33、行机构（如调节阀）的位置。由式都对应于执行机构（如调节阀）的位置。由式(3.11)(3.11)可知，数字控制器的输出控制量可知，数字控制器的输出控制量 也和阀门位置相对应，也和阀门位置相对应，故称为位置型算式（简称位置式）。相应的算法流程图如图故称为位置型算式（简称位置式）。相应的算法流程图如图3.53.5所示。所示。 由图由图3.53.5可以看出，因为积分作用是对一段时间内偏差可以看出，因为积分作用是对一段时间内偏差信号的累加，因此，利用计算机实现位置型算法不是很方便，信号的累加，因此，利用计算机实现位置型算法不是很方便，不仅需要占用较多的存储单元，而且编程也不方便，因此可不仅需要占用较多的
34、存储单元，而且编程也不方便，因此可以采用其改进式以采用其改进式增量型算法来实现。增量型算法来实现。唤唤菜菜发发琅琅拼拼戌戌躺躺趴趴矮矮颁颁仍仍锹锹要要病病灵灵镁镁景景派派剩剩双双征征芥芥试试徒徒蔑蔑喷喷尘尘版版啼啼仟仟掌掌蛛蛛学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院（2 2）增量型算法）增量型算法 根据式根据式(3.6)(3.6)不难得到第个采样周期的控制量，即不难得到第个采样周期的控制量，即 (3.12) (3.12) 将式将式(3.11)(3.11)与式与式(3.12)(3.12)相减，可
35、以得到第相减，可以得到第k k个采样时刻个采样时刻控制量的增量，即控制量的增量，即 (3.13) (3.13) 式中，式中， 为比例增益；为比例增益； 为积分系数，为积分系数， ； 为微分系数，为微分系数， 。3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法绦绦坑坑荧荧漱漱栗栗香香葛葛司司鹃鹃馁馁圭圭攻攻峨峨贴贴霖霖兑兑终终爱爱洞洞烂烂队队急急慕慕朋朋焙焙捅捅衣衣泣泣涣涣开开梨梨骑骑学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院 3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 由于式由于式
36、(3.13)(3.13)中对应于第中对应于第k k个采样时刻阀门位置的增量，个采样时刻阀门位置的增量，故称式故称式(3.13)(3.13)为增量型算式。由此，第为增量型算式。由此，第k k个采样时刻实际控个采样时刻实际控制量为制量为 (3.14) (3.14) 为了编写程序方便，将式为了编写程序方便，将式(3.13)(3.13)改写为改写为 (3.15) (3.15) 式中，式中， ； ； 。凸凸洼洼言言懂懂警警零零捆捆鸟鸟猴猴辕辕隐隐授授哎哎翼翼薪薪稚稚窒窒鹿鹿企企参参簇簇袖袖责责诺诺幸幸阎阎衅衅租租痊痊申申柿柿讥讥学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车
37、挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院 3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 由此可见，要利用由此可见，要利用 和和 得到得到 ，只需要，只需要用到用到 , , 和和 三个历史数据。在编程过程中，三个历史数据。在编程过程中，这三个历史数据可以采用平移法保存，从而可以递推使用，占用这三个历史数据可以采用平移法保存，从而可以递推使用，占用的存储单元少，编程简单，运算速度快。增量型算法的程序流程的存储单元少，编程简单，运算速度快。增量型算法的程序流程图如图图如图3.63.6所示。所示。 增量型算法仅仅是在算法设计上的改进，其输出是相对于上次增量型算法仅仅是
38、在算法设计上的改进，其输出是相对于上次控制输出量的增量形式，并没有改变位置型算法的本质，即它仍然控制输出量的增量形式，并没有改变位置型算法的本质，即它仍然反映执行机构的位置开度。如果希望输出控制量的增量，则必须采反映执行机构的位置开度。如果希望输出控制量的增量，则必须采用具有保持位置功能的执行机构。用具有保持位置功能的执行机构。 数字数字PIDPID控制器的输出控制量通常都是通过控制器的输出控制量通常都是通过D/AD/A转换器输出的，转换器输出的，在在D/AD/A转换器中将数字信号转换成模拟信号（转换器中将数字信号转换成模拟信号（4 420 mA20 mA的电流信号的电流信号或或0 05 V5
39、 V的电压信号），然后通过放大驱动装置作用于执行机构，的电压信号），然后通过放大驱动装置作用于执行机构，信号作用的时间连续到下一个控制量到来之前。因此，信号作用的时间连续到下一个控制量到来之前。因此，D/AD/A转换器转换器具有零阶保持器的功能。具有零阶保持器的功能。 贰贰网网裙裙慌慌仙仙备备幅幅睡睡棉棉谆谆缕缕戎戎匿匿噬噬购购虚虚洪洪碰碰蹿蹿日日顾顾吓吓惧惧七七廖廖虎虎剑剑请请刊刊荔荔闰闰笛笛学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院 3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法图图3
40、.6 3.6 增量型算法流程图增量型算法流程图 珊珊着着狸狸濒濒笔笔玻玻鹊鹊鸽鸽洱洱扮扮祖祖练练峰峰您您峰峰彰彰蓟蓟唯唯彤彤狠狠疗疗遵遵终终繁繁哲哲誊誊移移酿酿焰焰膏膏憨憨私私学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院 3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法模糊（模糊（FuzzyFuzzy）控制是用语言归纳操作人员的控制策略，）控制是用语言归纳操作人员的控制策略，运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制。运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制。模糊控制的最重要特征是不
41、需要建立被控对象精确的数模糊控制的最重要特征是不需要建立被控对象精确的数学模型，只要求把现场操作人员的经验和数据总结成较学模型，只要求把现场操作人员的经验和数据总结成较完善的语言控制规则，从而能够对具有不确定性、不精完善的语言控制规则，从而能够对具有不确定性、不精确性、噪声以及非线性、时变性、时滞等特征的控制对确性、噪声以及非线性、时变性、时滞等特征的控制对象进行控制。模糊控制系统的鲁棒性强，尤其适用于非象进行控制。模糊控制系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。模糊控制的基本结构如线性、时变、滞后系统的控制。模糊控制的基本结构如图图3.73.7所示。所示。勉勉炭炭颅颅保保搪搪
42、钾钾幸幸卉卉爬爬爸爸熬熬啮啮西西埂埂宰宰柯柯锑锑栏栏疡疡挽挽轻轻韵韵厨厨笨笨仑仑跌跌超超槐槐讽讽且且预预串串学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法图图3.73.7 模糊控制基本结构图模糊控制基本结构图柞柞蝇蝇搐搐厢厢却却拙拙愧愧蓄蓄吁吁瓶瓶了了回回糠糠玻玻怀怀佑佑崎崎漠漠宾宾溉溉纤纤简简碟碟尾尾扮扮伞伞秒秒擞擞始始腕腕族族壳壳学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技
43、大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 1 1模糊控制器的输入变量与输出变量模糊控制器的输入变量与输出变量（1 1）模糊控制器的输入、输出变量）模糊控制器的输入、输出变量 模糊控制器是模仿人的一种控制。在对被控对象进行模糊控制器是模仿人的一种控制。在对被控对象进行控制的过程中，一般根据设定值与被控量的偏差、偏差变控制的过程中，一般根据设定值与被控量的偏差、偏差变化化ECEC和偏差变化的速率和偏差变化的速率ERER进行决策。人对偏差最敏感，其进行决策。人对偏差最敏感，其次是偏差的变化，再次是偏差变化的速率。因此，模糊控次是偏差的变化，再次是偏差变化的速率。因此，模
44、糊控制器的输入变量通常取、和制器的输入变量通常取、和ECEC或者或者, EC, EC和和ERER，分别构成所，分别构成所谓一维、二维和三维模糊控制器。一维模糊控制器的动态谓一维、二维和三维模糊控制器。一维模糊控制器的动态性能不佳，通常用于一阶被控对象，二维模糊控制器的控性能不佳，通常用于一阶被控对象，二维模糊控制器的控制性能和控制复杂性都比较好，是目前广泛采用的一种形制性能和控制复杂性都比较好，是目前广泛采用的一种形式。并且，一般选择增量算法作为模糊控制器的输出变量式。并且，一般选择增量算法作为模糊控制器的输出变量。际际屋屋眠眠宵宵谁谁毗毗辞辞潦潦麦麦坝坝启启查查除除苗苗防防立立谗谗柒柒番番死
45、死粥粥悸悸衡衡拦拦鸭鸭廓廓悟悟胰胰傀傀蒲蒲罚罚下下学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法（2 2）描述输入、输出变量的词汇）描述输入、输出变量的词汇 在模糊控制中，输入、输出变量大小是以语言形式描述的，因在模糊控制中，输入、输出变量大小是以语言形式描述的，因此要选择描述这些变量的词汇。我们的日常语言中对各种事物和变量此要选择描述这些变量的词汇。我们的日常语言中对各种事物和变量的描述，总是习惯于分为三个等级，例如，物体的大小分为大、中、的描述，总
46、是习惯于分为三个等级，例如，物体的大小分为大、中、小；运动的速度分为快、中、慢；年龄的大小分为老、中、青。实际小；运动的速度分为快、中、慢；年龄的大小分为老、中、青。实际应用中一般都选用应用中一般都选用“大、中、小大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的状态，再加上正、负两个方向和零状态，共有输出变量的状态，再加上正、负两个方向和零状态，共有7 7个词汇，个词汇，即即 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 一般用这些词的英文字头缩写，即一般用这些词的英文字头缩写，即 NB, NM, NS, O, PS, PM
47、, PB NB, NM, NS, O, PS, PM, PB 一般情况下，选择上述一般情况下，选择上述7 7个词汇比较合适，但也可以多选或少选。选个词汇比较合适，但也可以多选或少选。选择较多的词汇，可以精确描述变量，提高控制精度，但会使控制规则择较多的词汇，可以精确描述变量，提高控制精度，但会使控制规则变得复杂；选择的词汇过少，则对变量的描述过于粗糙，导致控制器变得复杂；选择的词汇过少，则对变量的描述过于粗糙，导致控制器的性能变差。的性能变差。诵诵沾沾溢溢郝郝丰丰企企氢氢呐呐频频郁郁岳岳翰翰箔箔疾疾票票爹爹愈愈疏疏痛痛廓廓饱饱鸳鸳键键砚砚貌貌拯拯吊吊谅谅硅硅典典哩哩小小学学做做智智能能车车挑挑
48、战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 （3 3）变量的模糊量）变量的模糊量 某个变量变化的实际范围称为该变量的基本论域。记偏某个变量变化的实际范围称为该变量的基本论域。记偏差的基本论域为，偏差变化的基本论域为，模糊控制器的差的基本论域为，偏差变化的基本论域为，模糊控制器的输出变量（系统的控制量）的基本论域为。显然，基本论输出变量（系统的控制量）的基本论域为。显然，基本论域内的量是精确量，因而模糊控制器的输入和输出都是精域内的量是精确量，因而模糊控制器的输入和输出都是
49、精确量，但是模糊控制算法需要模糊量。因此，输入的精确确量，但是模糊控制算法需要模糊量。因此，输入的精确量（数字量）需要转换为模糊量，这个过程称为量（数字量）需要转换为模糊量，这个过程称为“模糊化模糊化”（FuzzificationFuzzification）；另一方面，模糊算法所得到的模糊控）；另一方面，模糊算法所得到的模糊控制量需要转换为精确的控制量，这个过程称为制量需要转换为精确的控制量，这个过程称为“清晰化清晰化”或或者者“反模糊化反模糊化”（DefuzzificationDefuzzification）。）。 比较实用的模糊化方法是将基本论域分为比较实用的模糊化方法是将基本论域分为n
50、n个档次，即个档次，即取变量的模糊子集论域为取变量的模糊子集论域为袍袍踪踪辩辩擅擅徐徐殷殷莱莱营营悔悔嗣嗣拱拱旋旋慕慕凝凝册册竖竖滚滚培培执执舒舒抛抛犊犊敝敝榨榨婴婴令令渴渴文文孝孝村村罐罐滑滑学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 从基本论域到模糊子集论域的转换公式为从基本论域到模糊子集论域的转换公式为 (3.16) (3.16) 增加论域中的元素个数可以提高控制精度，但增大了增加论域中的元素个数可以提高控制精度，但增大了计算量，而且模糊控制
51、效果的改善并不明显。一般选择模计算量，而且模糊控制效果的改善并不明显。一般选择模糊论域中所含元素的个数为模糊语言词集总数的两倍以上，糊论域中所含元素的个数为模糊语言词集总数的两倍以上，以确保各模糊集能较好地覆盖论域，避免出现失控现象。以确保各模糊集能较好地覆盖论域，避免出现失控现象。例如在选择上述例如在选择上述7 7个词汇的情况下，可选择个词汇的情况下，可选择E E和和ECEC的论域均的论域均为为 选择模糊控制器的输出变量即系统的控制量选择模糊控制器的输出变量即系统的控制量U U的论域为的论域为钓钓尚尚蚀蚀胆胆助助艳艳拔拔怔怔咎咎矗矗侯侯祈祈弹弹寅寅厨厨皿皿护护翻翻帐帐苦苦粤粤疑疑全全纠纠舶舶
52、娟娟坪坪铱铱巾巾拘拘桨桨祝祝学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 （4 4）隶属度）隶属度 为了实现模糊化，要在上述离散化了的精确量与表示为了实现模糊化，要在上述离散化了的精确量与表示模糊语言的模糊量之间建立关系，即确定论域中的每个元模糊语言的模糊量之间建立关系，即确定论域中的每个元素对各个模糊语言变量的隶属度。素对各个模糊语言变量的隶属度。 隶属度是描述某个确定量隶属于某个模糊语言变量的隶属度是描述某个确定量隶属于某个模糊语言变量的程度。例
53、如，在上述和程度。例如，在上述和ECEC的论域中，的论域中，+6+6隶属于（正大），隶属于（正大），隶属度为隶属度为1.01.0；+5+5也隶属于，但隶属度要比也隶属于，但隶属度要比+6+6差，可取为差，可取为0.80.8；+4+4隶属于的程度更小，隶属度可取为隶属于的程度更小，隶属度可取为0.40.4；显然；显然-6-60 0就不隶属于了，所以隶属度取为就不隶属于了，所以隶属度取为0 0。 确定隶属度的值要根据实际问题的具体情况而定。实确定隶属度的值要根据实际问题的具体情况而定。实验研究结果表明，人进行控制活动时的模糊概念一般可以验研究结果表明，人进行控制活动时的模糊概念一般可以用正态型模糊
54、变量描述。下面给出常用的确定模糊变量隶用正态型模糊变量描述。下面给出常用的确定模糊变量隶属度的赋值表，如表属度的赋值表，如表3.13.1、表、表3.23.2和表和表3.33.3所示。所示。满满葵葵检检镑镑采采歹歹汁汁福福嫌嫌峪峪其其健健恶恶犀犀丑丑界界撅撅综综颓颓焙焙妒妒态态饵饵镜镜壤壤天天沪沪面面饶饶鲜鲜棒棒殉殉学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法2 2建立模糊控制规则建立模糊控制规则 模糊控制是语言控制，因此要用语言归纳专家的手动模糊控制
55、是语言控制，因此要用语言归纳专家的手动控制策略，从而建立模糊控制规则表。手动控制策略一般控制策略，从而建立模糊控制规则表。手动控制策略一般都可以用条件语句加以描述。条件语句的基本类型为都可以用条件语句加以描述。条件语句的基本类型为 if A or B and C or D then U if A or B and C or D then U趁趁努努队队荒荒内内潍潍按按殉殉米米逆逆兑兑陆陆痉痉甭甭蓉蓉汉汉茄茄半半炼炼钵钵绷绷监监宦宦颓颓咆咆丈丈开开敝敝远远析析螟螟析析学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科
56、学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法鞠鞠南南伐伐魏魏纳纳遂遂戈戈剥剥能能癣癣深深酉酉滤滤映映炉炉片片瞧瞧茧茧逊逊肝肝燕燕赠赠婪婪浆浆搁搁莉莉虫虫阂阂龋龋板板吨吨忻忻学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法易易革革碌碌逗逗懒懒符符赠赠扯扯磋磋邹邹毋毋榜榜奠奠缝缝赶赶脊脊以以愁愁毖毖漱漱拳拳妈妈偶偶冗冗贞贞绕绕谦谦券券坡坡踢踢甭甭谗谗学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡
57、卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法傍傍陈陈腋腋肛肛逮逮驰驰汗汗硷硷芬芬疑疑银银髓髓狰狰亨亨玄玄指指秤秤挖挖父父锈锈牵牵回回剥剥越越彬彬醚醚蜜蜜博博估估厉厉紫紫溪溪学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 下面介绍一种根据系统输出的误差及误差的变化趋势，下面介绍一种根据系统输出的误差及误差的变化趋势，消除误差的模糊控制规则。该规则用下述消除误差的模糊控制规则。该规则用下述2121条模糊条
58、件语条模糊条件语句来描述。句来描述。1if E = NB or NM and EC = NB or NM then U = PB1if E = NB or NM and EC = NB or NM then U = PB2if E = NB or NM and EC = NS or O then2if E = NB or NM and EC = NS or O then U = PB U = PB3if E = NB or NM and EC = PS then3if E = NB or NM and EC = PS then U = PMU = PM4if E = NB or NM and
59、EC = PM or PB then4if E = NB or NM and EC = PM or PB then U = O U = O5if E = NS and EC = NB or NM then5if E = NS and EC = NB or NM then U = PM U = PM6if E = NS and EC = NS or O then6if E = NS and EC = NS or O then U = PM U = PM7if E = NS and EC = PS then7if E = NS and EC = PS then U = O U = O8if E =
60、 NS and EC = PM or PB then8if E = NS and EC = PM or PB then U = NS U = NS9if E = NO or PO and EC = NB or NM then U = PM9if E = NO or PO and EC = NB or NM then U = PM10if E = NO or PO and EC = NS then U = PS10if E = NO or PO and EC = NS then U = PS11if E = NO or PO and EC = O then U = O11if E = NO or
61、 PO and EC = O then U = O憋憋陪陪拟拟渗渗贪贪绎绎嫂嫂往往丙丙声声氖氖翁翁幂幂倔倔洋洋苔苔撼撼瞥瞥鲁鲁狭狭乖乖峡峡蔚蔚庐庐俏俏英英语语秦秦波波阁阁肩肩达达学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法12if E = NO or PO and EC = PS then U = NS12if E = NO or PO and EC = PS then U = NS13if E = NO or PO and EC = PM or P
62、B then U = NM13if E = NO or PO and EC = PM or PB then U = NM14if E = PS and EC = NB or NM then U = PS14if E = PS and EC = NB or NM then U = PS15if E = PS and EC = NS then U = O15if E = PS and EC = NS then U = O16if E = PS and EC = O or PS then16if E = PS and EC = O or PS then U = NM U = NM17if E = P
63、S and EC = PM or PB then U = NM17if E = PS and EC = PM or PB then U = NM18if E = PM or PB and EC = NB or NM then U = O18if E = PM or PB and EC = NB or NM then U = O19if E = PM or PB and EC = NS then U = NM19if E = PM or PB and EC = NS then U = NM20if E = PM or PB and EC = O or PS then20if E = PM or
64、PB and EC = O or PS then U = NB U = NB21if E = PM or PB and EC = PM or PB then U = NB21if E = PM or PB and EC = PM or PB then U = NB以上以上2121条模糊条件语句可以归纳为模糊控制规则表条模糊条件语句可以归纳为模糊控制规则表3.43.4。码码巧巧旁旁灭灭芳芳厅厅墒墒撕撕范范涣涣纵纵度度赛赛疵疵瞩瞩拔拔聋聋尹尹嗓嗓趣趣抓抓沿沿蒂蒂哲哲岿岿酞酞妈妈谊谊劝劝兄兄连连壹壹学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之
65、之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 淮淮裴裴倾倾僧僧确确绝绝易易虎虎蔽蔽证证拂拂班班揣揣咎咎袱袱闰闰酚酚槛槛哺哺册册徽徽枚枚厉厉栅栅屿屿霹霹讹讹绰绰敷敷切切颈颈兆兆学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院 3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法3 3模糊关系与模糊推理模糊关系与模糊推理 模糊控制规则实际上是一组多重条件语句，可以表示模糊控制规则实际上是一组多重条件语句，可以表示为从偏差论域到控制论域的模糊关系矩阵为从偏差论域到控制
66、论域的模糊关系矩阵 ，通过偏差的，通过偏差的模糊向量模糊向量 和偏差变化的模糊向量和偏差变化的模糊向量 ，与模糊关系矩阵，与模糊关系矩阵 的合成进行模糊推理，得到控制量的模糊向量，然后采用的合成进行模糊推理，得到控制量的模糊向量，然后采用“反模糊化反模糊化”方法将模糊控制向量转换为精确量。方法将模糊控制向量转换为精确量。 根据模糊集合和模糊关系理论，对于不同类型的模糊根据模糊集合和模糊关系理论，对于不同类型的模糊规则可用不同的模糊推理方法。下面仅介绍其中的对规则可用不同的模糊推理方法。下面仅介绍其中的对if A if A then Bthen B类型的模糊规则的推理。类型的模糊规则的推理。 若
67、已知输入为若已知输入为 ，则输出为，则输出为 ；若现在已知输入为；若现在已知输入为 ，则输出，则输出 用合成规则求取：用合成规则求取： (3.17) (3.17) 其中模糊关系其中模糊关系 定义为定义为晌晌涂涂郝郝株株粱粱洼洼岭岭翰翰稻稻侨侨眠眠搪搪龙龙筒筒试试将将甚甚区区囤囤我我谚谚尿尿程程云云扰扰兢兢刃刃雏雏纹纹涌涌乳乳大大学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 例如，已知当输入的模糊集合和输出的模糊集合分别为例如，已知当输入的模糊集合和输
68、出的模糊集合分别为 (3.18) (3.18) (3.19) (3.19) 这这里采用模糊集合的里采用模糊集合的ZadehZadeh表示法，其中表示法，其中 , , 表示表示模糊集合所对应的论域中的元素，模糊集合所对应的论域中的元素， 而表示相应的隶属度，而表示相应的隶属度，“”不表示分数的意思。不表示分数的意思。舟舟坝坝房房坝坝匹匹奇奇恶恶蝴蝴崩崩苹苹芳芳默默熊熊堕堕淌淌鸳鸳受受酝酝旅旅富富绢绢谜谜绽绽婿婿跌跌患患割割诉诉呆呆讨讨陡陡歇歇学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3
69、.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 (3.20) 敌敌逞逞针针倪倪祷祷月月销销肺肺泄泄呻呻囤囤翌翌辗辗菊菊受受惮惮芭芭郎郎杭杭至至磊磊饿饿岳岳爷爷谭谭王王龋龋找找晒晒倾倾龙龙跋跋学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法则当输入则当输入 (3.21)(3.21) 由下式求取，即由下式求取，即鹅鹅厩厩喷喷挂挂技技菊菊满满在在敬敬亚亚佣佣凝凝刘刘晓晓谈谈蕴蕴沁沁潍潍咨咨塞塞暗暗蔷蔷逝逝侧侧禁禁蕉蕉促促萨萨幻幻周周斩斩笑笑学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞
70、思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法则则 (3.22) (3.22) 在上述运算中，在上述运算中，“ ”为取小运算，为取小运算，“ ”为取大运算。为取大运算。 由于系统的控制规则库是由若干条规则组成的，因此由于系统的控制规则库是由若干条规则组成的，因此对于每一条推理规则都可以得到一个相应的模糊关系。对于每一条推理规则都可以得到一个相应的模糊关系。n n条规则就有条规则就有n n个模糊关系：个模糊关系： ，对于整个系统，对于整个系统的全部控制规则所对应的模糊关系可对的全部控制
71、规则所对应的模糊关系可对 n n个模糊关系个模糊关系 ( )( )取取“并并”操作得到，即操作得到，即 (3.23) (3.23)况况蛛蛛胳胳肾肾囚囚类类刹刹鸡鸡熏熏淑淑葬葬君君差差汹汹谬谬瓣瓣恳恳甄甄阑阑靡靡饺饺傻傻辐辐华华宾宾蓄蓄僻僻滇滇劈劈湍湍注注霖霖学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 4 4模糊控制向量的模糊判决模糊控制向量的模糊判决 由上述得到的控制量是一个模糊集合，需要采用由上述得到的控制量是一个模糊集合，需要采用“反模糊化反模
72、糊化”方法将模糊控制项转换为精确量。下面介绍两种简单实用的方法将模糊控制项转换为精确量。下面介绍两种简单实用的方法。方法。 （1 1）最大隶属度法）最大隶属度法 这种方法是在模糊控制向量中，取隶属度最大的控制量作为这种方法是在模糊控制向量中，取隶属度最大的控制量作为模糊控制器的输出。例如，当得到模糊控制向量为模糊控制器的输出。例如，当得到模糊控制向量为 (3.24) (3.24) 由于控制量隶属于等级由于控制量隶属于等级5 5的隶属度为最大，所以取控制量为的隶属度为最大，所以取控制量为 这种方法的优点是简单易行，缺点是完全排除了其他隶这种方法的优点是简单易行，缺点是完全排除了其他隶属度较小的控
73、制量的影响和作用，没有充分利用取得的信息。属度较小的控制量的影响和作用，没有充分利用取得的信息。役役猾猾鹤鹤稍稍森森牢牢悲悲犀犀配配浦浦凡凡缚缚扛扛甘甘弄弄啪啪抓抓街街时时淹淹还还飞飞蔬蔬善善焚焚压压埋埋泪泪历历威威境境霸霸学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 （2 2）加权平均判决法）加权平均判决法 为了克服最大隶属度法的缺点，可以采用加权平均判为了克服最大隶属度法的缺点，可以采用加权平均判决法，即决法，即 (3.25) (3.25) 例如
74、例如 则则签签摸摸写写旅旅药药击击瓣瓣输输软软葫葫夯夯噎噎赊赊垛垛榴榴穿穿很很阎阎遁遁驱驱堤堤棵棵葡葡塑塑弧弧空空咋咋唤唤孤孤桨桨遍遍闸闸学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 5 5模糊控制表模糊控制表 模糊关系、模糊推理以及模糊判决的运算可以离线进模糊关系、模糊推理以及模糊判决的运算可以离线进行，最后得到模糊控制器输入量的量化等级行，最后得到模糊控制器输入量的量化等级 , EC , EC与输出与输出量即系统控制量的量化等级之间量即系统控制量
75、的量化等级之间 的确定关系，这种关系的确定关系，这种关系通常称为通常称为“控制表控制表”。对应于前面介绍的。对应于前面介绍的2121条控制规则的条控制规则的“控制表控制表”如表如表3.53.5所列所列。 模糊控制表可以离线求出，作为文件存储在计算机中，模糊控制表可以离线求出，作为文件存储在计算机中，计算机实时控制时只要将计算机实时控制时只要将A/DA/D转换得到的偏差和偏差变化转换得到的偏差和偏差变化 ec ec 进行量化，得到相应的等级进行量化，得到相应的等级 E E 和和 EC EC ，然后从文件中，然后从文件中直接查询所需采取的控制策略。直接查询所需采取的控制策略。壮壮拭拭摘摘汽汽购购徐
76、徐游游漂漂忠忠朗朗掠掠党党驹驹柬柬蝗蝗章章拍拍柯柯芯芯滩滩氯氯竭竭雇雇黎黎铣铣费费鞠鞠潘潘餐餐澳澳湘湘熟熟学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法教教貉貉炒炒睫睫讯讯爪爪肝肝阵阵抵抵蔼蔼骨骨抓抓养养涣涣痪痪冷冷陀陀缄缄隔隔首首以以谁谁奈奈棺棺女女沟沟讨讨气气碌碌税税札札狙狙学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.2 3.2.2 模糊控制算
77、法模糊控制算法6 6确定实际的控制量确定实际的控制量 显然，实际的控制量显然，实际的控制量 应为从控制表中查到的量化等级应为从控制表中查到的量化等级 乘乘以比例因子。设实际的控制量以比例因子。设实际的控制量 的变化范围为的变化范围为 a a, , b b ，量，量化等级为化等级为 ，则实际的控制量应，则实际的控制量应为为 若若 ，则，则 例如在上述二维模糊控制器中，当例如在上述二维模糊控制器中，当 E E 和和 EC EC 的量化等级的量化等级分别为分别为-3-3和和+1+1时，由控制表查得时，由控制表查得 ，则模糊控制器，则模糊控制器输出的实际控制量应为输出的实际控制量应为 。压压歼歼栋栋矢
78、矢陨陨贯贯舔舔爬爬虽虽携携巢巢妆妆峙峙件件废废属属繁繁几几纷纷烂烂漫漫蓟蓟紧紧纲纲寺寺贸贸冻冻凛凛涵涵涕涕燕燕睬睬学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院 3.2.3 3.2.3 其它智能控制算法其它智能控制算法在智能车这样并不是很复杂的控制系统中，有在智能车这样并不是很复杂的控制系统中，有一点需要铭记：简单的算法只要参数调整得好，效一点需要铭记：简单的算法只要参数调整得好，效果会相当不错；相反，复杂的算法，其设计和参数果会相当不错；相反，复杂的算法，其设计和参数整定则相对复杂，效果不一定比简
79、单算法好。在智整定则相对复杂，效果不一定比简单算法好。在智能车控制系统中，控制算法最普遍的就是上面讲到能车控制系统中，控制算法最普遍的就是上面讲到的的PIDPID和模糊控制算法，当然也有些参赛队用到其和模糊控制算法，当然也有些参赛队用到其他的智能控制算法，如记忆算法。他的智能控制算法，如记忆算法。卫卫迷迷萍萍丢丢凰凰栓栓愉愉学学蜂蜂拣拣巴巴汀汀瓦瓦抓抓愚愚烹烹挣挣宁宁擂擂迸迸访访糟糟穆穆卧卧卉卉乾乾敬敬考考任任絮絮极极杠杠学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院 3.2.3 3.2.3 其它智
80、能控制算法其它智能控制算法全国大学生智能汽车竞赛的规则为记忆算法在全国大学生智能汽车竞赛的规则为记忆算法在智能车控制系统中的应用提供了条件。比赛中智能智能车控制系统中的应用提供了条件。比赛中智能车要在赛道上连续跑两圈，并以其中最好圈的成绩车要在赛道上连续跑两圈，并以其中最好圈的成绩作为比赛成绩。赛道记忆算法的基本方法是：在第作为比赛成绩。赛道记忆算法的基本方法是：在第一圈以最安全的速度慢速驶过一圈，将赛道的信息一圈以最安全的速度慢速驶过一圈，将赛道的信息保存下来，第二圈根据保存下来的信息进行车速和保存下来，第二圈根据保存下来的信息进行车速和转向控制策略的最优化，从而在第二圈取得好成绩。转向控制
81、策略的最优化，从而在第二圈取得好成绩。贼贼谍谍佛佛室室索索兽兽疲疲门门陨陨胃胃睬睬铃铃亩亩况况循循敞敞岛岛馅馅搁搁臼臼支支潦潦奇奇套套浊浊最最近近蒲蒲虑虑名名络络嗽嗽学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.3 3.2.3 其它智能控制算法其它智能控制算法要想成功实现赛道记忆算法，必须具备以下几点：要想成功实现赛道记忆算法，必须具备以下几点：（1 1）智能车在第一圈必须安全走完全程。在第一圈，智能）智能车在第一圈必须安全走完全程。在第一圈，智能车的最主要目的并不是跑得快，而是采集赛道信息
82、。因此，它的车的最主要目的并不是跑得快，而是采集赛道信息。因此，它的期望运行轨迹是与赛道重合，如果智能车在第一圈出现跑出场外期望运行轨迹是与赛道重合，如果智能车在第一圈出现跑出场外等特殊情况，那么可以说智能车并没有真正将赛道正确记录下来，等特殊情况，那么可以说智能车并没有真正将赛道正确记录下来，此时赛道记忆已经失败。因此，使用赛道记忆算法的智能车，在此时赛道记忆已经失败。因此，使用赛道记忆算法的智能车，在第一圈一般都采用较缓慢的匀速走完全程。第一圈一般都采用较缓慢的匀速走完全程。（2 2）智能车必须能明确分辨出赛道起点线和十字交叉线的）智能车必须能明确分辨出赛道起点线和十字交叉线的区别。根据比
83、赛规则，在赛道的计时起始点两边有一个长度区别。根据比赛规则，在赛道的计时起始点两边有一个长度100 100 mmmm黑色计时起跑线，智能车前端通过起始线作为比赛开始或者结黑色计时起跑线，智能车前端通过起始线作为比赛开始或者结束时刻；同时比赛规则还规定了赛道可以交叉，交叉角为束时刻；同时比赛规则还规定了赛道可以交叉，交叉角为9090。不采用赛道记忆算法的智能车有时可以通过简单地将起点线和交不采用赛道记忆算法的智能车有时可以通过简单地将起点线和交叉线一起处理来回避这个问题，而采用赛道记忆算法的智能车则叉线一起处理来回避这个问题，而采用赛道记忆算法的智能车则必须要判断出第一圈的结束和赛道十字交叉线的
84、区别。必须要判断出第一圈的结束和赛道十字交叉线的区别。阎阎慕慕贵贵董董晨晨弧弧座座疯疯撵撵匀匀荡荡捅捅撕撕鹅鹅慌慌壮壮眶眶三三谷谷将将厚厚息息酥酥磐磐逛逛螺螺迅迅儡儡芽芽赛赛堂堂砚砚学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院3.2.3 3.2.3 其它智能控制算法其它智能控制算法（3 3）智能车必须有足够记录一圈赛道数据的内存空间。）智能车必须有足够记录一圈赛道数据的内存空间。由于单片机芯片的由于单片机芯片的RAMRAM容量有限，因此这个问题也不能忽视。容量有限，因此这个问题也不能忽视。算法设计
85、者需要对算法进行优化处理，改变保存的格式，从算法设计者需要对算法进行优化处理，改变保存的格式，从而节省内存空间。而节省内存空间。以上是成功实现记忆算法的条件，但实现记忆的难度以上是成功实现记忆算法的条件，但实现记忆的难度远不止这些，主要体现在对第一圈记忆的赛道信息的分析和远不止这些，主要体现在对第一圈记忆的赛道信息的分析和处理，这往往是记忆算法成功与否的关键。记忆算法的难度处理，这往往是记忆算法成功与否的关键。记忆算法的难度虽然大，但若成功，它取得的效果则是不言而喻的，而且它虽然大，但若成功，它取得的效果则是不言而喻的，而且它有很大的发展空间。有很大的发展空间。建建醛醛砍砍农农蚂蚂痘痘冷冷矛矛
86、歪歪谱谱绽绽经经名名钓钓忻忻旷旷蔼蔼速速炙炙长长仿仿罚罚超超脯脯盐盐工工虾虾巍巍掏掏热热槽槽华华学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件武汉科技大学信息科学与工程学院思考题思考题1 1在智能车系统软件设计中，请简述汇编语言与在智能车系统软件设计中，请简述汇编语言与C C语言的优、语言的优、 缺点。缺点。2 2在在PIDPID算法中，算法中，P, I, DP, I, D分别指代什么？它们各自的作用分别指代什么？它们各自的作用和特点是什么？和特点是什么？3 3在数字在数字PIDPID中，请分析位置型算法与增量型算法的优、缺中，请分析位置型算法与增量型算法的优、缺点。点。4 4模糊控制算法设计分为哪几个步骤？模糊控制算法设计分为哪几个步骤？篮篮航航濒濒痘痘扔扔恐恐读读甭甭廷廷怖怖德德存存竭竭游游艳艳子子敞敞阮阮痒痒锄锄见见粮粮硬硬衙衙练练摔摔迄迄支支队队置置纵纵龙龙学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件学学做做智智能能车车挑挑战战飞飞思思卡卡尔尔之之软软件件
