前馈-改进PID算法在智能车控制上的应用

图3 微分先行PID控制结构图
3 前馈控制的应用
由于智能车的跑道宽度有限制，所以在经过急转弯的时候，如果速度和方向控制不及时，智能车就可能冲出跑道。由于前馈控制是开环控制，所以前馈控制的响应速度很快。将前馈控制引入到智能车的控制中，能够提高舵机和伺服电机的反应速度，改善智能车系统的动态性能。
3.1 智能车控制系统结构
智能车的控制主要体现在两个方面：一方面是方向的控制，也就是对舵机的控制；另一方面是对速度的控制，也就是对伺服电机的控制。舵机的数学模型较为简单，具有很好的线性特征，只采用前馈控制；智能车的速度控制相对复杂一些，速度模型无法准确建立，采用前馈-改进PID算法进行控制。智能车的控制系统结构如图4所示。
图4中， 和 分别是舵机和伺服电机数学模型。从图中可以看出，智能车的方向控制和速度控制是相互独立的，而且它们都是由路线偏差决定的。舵机转角与路线偏差之间的对应关系是根据舵机的数学模型得到的，在速度控制回路中，既包括反馈回路，又包括前馈环节，伺服电机的控制量是在前馈补偿基础上，再由增量式PID算法计算得到。

图4 智能车的控制系统结构
3.2 在方向控制中的应用
智能车对方向的控制有两点要求：在直道上，方向保持稳定；在转弯处，需要方向变化准确而且迅速。只有这样，才能保证智能车在跑道上高速、稳定地运行。为了提高方向控制的鲁棒性，本文还对路线偏差进行了模糊化处理。图5是智能车方向模糊前馈控制的结构图，图中和分别是直道和弯道两种情况下的前馈控制函数。

图5 智能车方向控制系统结构图
3.3 在速度控制中的应用
为了使智能车在直道上以较快速度运行，在转弯时，防止智能车冲出跑道，则必须将智能车的速度降低，这就要求智能车的速度控制系统具有很好的加减速性能。当智能车经过连续转弯的跑道时，路线偏差的频繁变化会造成速度设定的频繁变化，这会引起速度控制系统的振荡，并且微分环节对误差突变干扰很敏感，容易造成系统的不稳定。为了解决上述存在的问题，本文对数字PID算法进行了改进，将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统的动态性能。

图6 智能车速度控制系统结构图