基于分數階ＰＩＤ控制器的智能車控制

吳振宇，趙　亮，馮　林
大連理工大學創新實驗學院，遼寧大連

摘　　　要：針對智能車高速行駛下對目標軌跡的快速跟蹤要求，結合預瞄跟隨理論設計了分數階ＰＩＤ控制器（ＦＯＰＩＤ）。分數階ＰＩＤ比傳統ＰＩＤ控制器多兩個參數自由度，所以在設計過程中有更大的靈活性。利用改進Ｏｕｓｔａｌｏｕｐ數字實現算法，框圖化實現分數階ＰＩＤ控制器，通過遺傳算法對ＩＡＥ性能指標尋優整定ＦＯＣ參數并應用于智能車被控系統。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真結果表明，對智能車系統，分數階ＰＩＤ控制器具有比傳統ＰＩＤ控制器更好的動態性能。并且，分數階ＰＩＤ控制器具有更強的魯棒性，當模型參數發生變化時，能夠更好地保證系統穩定性。通過對比傳統ＰＩＤ控制器和分數階ＰＩＤ控制器的數字實現，證明了分數階ＰＩＤ控制器在過程控制中的可操作性。

關　鍵　詞：預瞄跟隨；智能車；分數階ＰＩＤ

１　引　言
智能車是許多高新技術綜合集成的載體，早期的控制方法為傳統ＰＩＤ控制及預瞄跟隨理論［１�玻玻�。雖然預瞄跟隨在理論研究上和模擬仿真上都能取得良好的效果，對于人－車－路閉環模型的研究起到了很大的推動作用。然而智能車競賽不但車速較快，而且目標軌跡急劇變化，在應用過程中，模型也會受到其他諸多因素的影響，在系統描述上產生誤差。所以單純的預瞄跟隨理論并不是研究智能車的理想方法。傳統ＰＩＤ由于結構簡單，控制效果及穩定性好，在工業控制中得到廣泛應用，但是隨著智能車的發展，在高速情況下要求快速跟蹤目標軌跡，傳統ＰＩＤ的控制效果也并不理想。分數階ＰＩＤ控制［３］將傳統ＰＩＤ控制擴展到了分數階領域，比傳統ＰＩＤ控制器多２個自由度，積分和微分項的階次，因而它具有更大的調節范圍，具有比傳統ＰＩＤ更好的控制品質及更強的魯棒性。目前分數階ＰＩＤ數字實現算法及參數整定方法均有所發展，數字實現算法中Ｏｕｓｔａｌｏｕｐ及其改進算法［４�玻担萁�似效果更好，參數整定中遺傳算法［６］更適用于非線性、不具有精確傳遞函數的被控系統。本文將分數階ＰＩＤ控制與預瞄跟隨理論結合，利用預瞄跟隨理論獲得智能車簡化模型，分數階ＰＩＤ控制器改進在高速情況下的智能車的跟蹤品質�；�于改進Ｏｕｓｔａｌｏｕｐ數字實現算法框圖化實現［７］分數階ＰＩＤ控制器，并使用遺傳算法結合ＩＡＥ性能指標［８］尋優整定分數階ＰＩＤ參數，較終與傳統ＰＩＤ控制效果進行仿真比較。

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