（通信与信息系统专业论文）基于dsp的车内智能座椅控制系统研究.pdf

摘要 随着汽车制造技术的不断发展，人们对于汽车的要求也越来越高，如何进 一步满足用户个性化的需求以及更强调乘座舒适性、安全性和环保性已经成为 车身控制的重要课题。本文运用c a n 总线技术，阐述了汽车局域网的结构，并 针对汽车内智能座椅部分，设计了汽车座椅的减震模块和动力节点调节模块， 实现了汽车座椅控制的自动化，在低成本的情况下提高了汽车座椅控制的可靠 性、准确性、可维护性，满足了现在汽车得控制和管理要求。具体内容如下： 论文首先介绍了汽车车身控制技术的发展，同时，介绍了汽车智能座椅的 现状。从成本、性能方面阐述了减震系统与座椅转动调节系统，在此基础上， 对座椅调节模块的的硬件，软件进行了详细的总体分析与设计。 其次，确定座椅减震系统和座椅转动结点的控制方案，采用运算速度较快 的d s p 处理芯片有效的实现了p i d 控制在减震系统和电机速度控制中的运用。 通过对t i 公司d s p 的选型以及外围电路的设计，c a n 收发芯片选型以及通信接 口硬件电路的设计、减震系统硬件电路设计，无刷直流电机驱动芯片的选择和 控制电路的设计，霍尔位置传感器器件的选择和电动座椅位置的检测设计，实 现了车身控制系统中汽车座椅控制模块的设计。 通过对系统软件总体开发流程的设计，详细描述了p i d 控制的具体实现流 程。对减震系统的电流控制，转动结点的电机控制的流程进行了详细的设计。 此外，详细分析了c a n 通信的软件开发流程。实现了座椅调节模块的准确性与 可靠性。 最后，给出了测试系统软件平台，并且给出了控制电机的p v c m 波形，通 过测试证明了p i d 控制算法在具体运用中的可行性，系统具有良好的性能，较 高的智能化程度，具有广阔的应用前景。 关键词：c a n 总线、无刷电机、d s p 、p i d 控制，霍尔位置传感器 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l em a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , t h ec o n s u n l c r s h a v em o r ea n dm o r ee x p e c t a t i o nf o ra u t o m o b i l e , h o wt om e e tt h ec u s t o m e r s r e q u i r e m e n ta n di m p r o v et h ec o m f o r t ，s a f e t y ，a n de n v i r o n m e n t a l - p r o t e c t i o nh a sb e e n as t u d yt o p i co fv e h i c l ec o n t r 0 1 t h i sp a p e rd e s c r i b et h ec a nb u st e c h n o l o g ya n d d e s c r i b et h es t r u c t u r eo ft h ev e h i c l el a n w ed e s i g n e dac a s eo ft h ev i b r a t i o n c o n d i t i o n i n gm o d u l e sa n dp o w e rc o n d i t i o n i n gm o d u l e sw h i c hu s e di nt h ep a r to fc a r - i n t e l l i g e n c es e a t t m ss y s t e mi m p l e m e n tt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fc a r - s e a ta n d i m p r o v et h er e l i a b i l i t y , a c c u r a c ya n dm a i n t a i n a b i l i t yo ft h es e a tw h i c hf i tt h ev e h i c l e r e q u i r e m e n t si nt h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n t t h ed e t a i l e dc o n t e n ta sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e sc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dt h es t a t u so fi n t e l l i g e n c es e a t i tf r o mt h ec o s ta n df e a t u r e st o d e s c r i p t i o nt h ev i b r a t i o nc o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dt h es e a tr o t a t i n gc o n d i t i o n i n g s y s t e m s ，b a s eo nt h i s ，i ta l s om a k ead e t a i l sd e s i g nt ot h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e m o d u l eo ft h i ss y s t e m s e c o n d l y , w ec h o o s et h ec a s eo ft h ev i b r a t i o nc o n d i t i o n i n gs y s t e ma n d r o t a t i o ns y s t e m w eu s et h ed s p c h i pw h i c h h a sh i g hs p e e dc a l a c u l a t ec a p a c i t ya n d p dc o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ev i b r a t i o nc o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dt h em o t o rs p e e d c o n t r 0 1 e x c e p to fi tw ea l s om a k ead e t a i ld e s c r i p t i o na b o u tt h ec o n t r o lc h i pa n d e o n t r o lc i r c u i t f o ro n et h i n gw ec h o o s et h em o d e lo fd s pw h i c hm a d ei nt i c o m p a n y , t h ec h i pw h i c hu s e di nc 砧呵m o d u l e ，t h eb l d c m d r i v e rc h i p ，a n dt h e h a l lp o s i t i o ns e n s o rd e v i c e t h eo t h e rt h i n gw ed e s i g n e do fe x t e r n a lc i r c u i to fd s e t h ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i to fc a n ，v i b r a t i o nc o n d i t i o n i n gs y s t e mc i r c u i t ，t h ed r i v e r c i r c u i to fb l d c m a n dt h ep o s i t i o nd e t e c t i v es y s t e m i ta c h i e v et h es e a tm o d u l e s f u n c t i o n t h r o u g ht h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m d e s c r i b et h ep r o c e s so f p i d c o n t r 0 1 a n dm a k ead e t a i li l l n m i n a t i o nt ot h ec u r r e n tc o n t r o io fv i b r a t i o n c o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dt h ep r o c e s so fm o t o rc o n t r o lo ft h er o t a t i o nn o d e f u r t h e r m o r e m a k ead e t a i ld e s c r i b et ot h es o f t w a r ep r o c e s so fc a nc o m m u n i c a t i o n s o , b e c a u s eo ft h i s f u n c t i o nm a k et h es e a t - c o n d i t i o n i n gu n i t s a c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y f i n a l l y ，t h ep a p e rd i s p l a yt h et e s tp l a t f o r m ，a n dt h ep w mw a v eo fm o t o r c o n t r 0 1 t h o u g h tt h et e s t t h ep i dc o n t r o la l g o r i t h mi se f f e c t i v ei nt h es y s t e m ，a n dt h e s y s t e mh a sag o o dc a p a b i l i t y ，h i 曲i n t e l l i g e n c el e v e la n dh a sag o o dp r o s p e c t i v e k e y w o r d ：c a n b u s ，b r u s h l e s sm o t o r ，p i dc o n t r o l ，h a l lp o s i t i o ns e n s o r ，d s p n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含基他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：渤放 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权力保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规 定) 签名：孟盘圣终导师签名厂堑酝日期：巡侈 武汉理工大学硕七学位论文 丛1 立 弟1 覃 1 1 课题的背景和研究意义 绪论 汽车是现代社会必不可少的重要交通上具，也是目前最复杂的消费类电子 产品，融合了机械、电子、计算机、通讯、信息等种种先进技术。随着社会科 技的进步，很多新材料，新工艺，新设备等不断的在汽车上得到应用。人们对 于汽车的安全性、舒适性、智能性的要求也越来越高，各种各样的电子装置也 越来越多地装配到了汽车上，汽车电子简而言之就是半导体和汽车的结合，主 要分为两类：一类是汽车电子控制装置，要和机械系统配合使用，例如电子燃油 喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、悬架控制、动力转向等。另一类是车 载汽车电子装置，是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，和汽车本身性能 无直接关系，包括导航、娱乐系统及车载通信系统等。 国际上，对乘用车和商用车，汽车电子产品占整车成本的比例分别约为 3 0 一5 0 和1 5 - 2 0 截至2 0 0 5 年，国产汽车中电子和半导体产品的成本比例也达 到约4 0 左右。2 0 0 5 年，汽车电子产品市场规模大约达到2 5 0 0 亿元- - 3 0 0 0 亿元。 汽车电子的发展速度将从目前1 0 的增长率上升到2 0 。预计到2 0 0 8 年，全球 汽车电子产业的规模将达到1 5 0 0 亿美元，而我国将达到1 4 0 0 - 1 5 0 0 亿人民币， 即约占全球比重的1 8 。据市场研究公司i s u p p l i 预计：2 0 1 1 年后，中国汽车 电子系统的产量将会提高一倍，达到1 8 4 亿美元。当前，我国的汽车电子得到 了越来越多的关注，也得到了越来越大的发展，但是，大多数发动机电子和车 身电子的企业都是合资企业，我国自主品牌非常少。相对于电子产品和汽车产 业，我国的汽车电子产业发展还比较薄弱。 当前，由于轿车在追求舒适性和附加功能上要求更大，汽车电子在轿车上 的运用越来越多，如此繁多的电子设备分布在汽车的各个部位，传统的点线式 控制不仅布线复杂，而且实现和维护成本高，根本无法满足现代汽车的控制和 管理要求。如果众多采用e c u 控制的电子设备装置能连接到一起，共享信息和 分享其他设备的传感器，这对整车的电气性能、控制性能、安全和舒适性能等 将具有非常重要的意义，因此汽车电子业最大的热点就是网络化。 武汉理j r 大学硕士学位论文 1 2 智能汽车座椅控制的发展与研究应用现状 近年来，日、美、欧各大汽车公司在设计轿车内饰的过程中，除重视功能 性要求外，更重视内饰的布置外型风格的协调性，以及内饰整体的统一性，但 最重视的仍是乘坐的舒适性。为了不断提高轿车的乘坐舒适性，2 0 世纪9 0 年代 以来，日、美、欧各大公司比以往更重视应用人体工程学的研究成果，更强调 以驾驶人员和乘客心理、生理等要求为前提条件进行内饰设计，更讲究利用内 饰材料的质感和色彩来创造赏心悦目、气氛宜人的驾乘环境。在汽车上，座椅 是与人体接触最密切的部件。人们对其最基本的要求就是乘坐时要舒适。自人 体工程学原理特别是计算机控制技术广泛应用以来。汽车座椅的结构不断得到 合理改进，品质和性能也随之不断提高。目前，能适应各种身材、体型和满足 各种驾驶姿态的多功能座椅己在各类轿车上广泛普及。操作方便、使用灵活的 电动座椅，其应用范围日益扩大。如今的汽车座椅不仅设计美观，而且乘坐舒 适。轿车座椅的装饰性与舒适性己成为直接影响消费者购车的关键因素。日、 美、欧各大汽车公司生产的轿车座椅正朝着式样美观、色彩悦目、功能多样、 调节灵活的方向发展。 今后，汽车座椅将是融合装饰性、舒适性、安全性于一体的智能化的部件， 目前，国际上最先进的汽车座椅部件的代表是福特汽车公司沃尔沃系列的 e v e c a r 概念车汽车座椅，e y e c a r 概念车采用的汽车座椅新技术包括： 眼位传感器可以测定驾驶员眼睛的位置，然后据此确定、调节座椅的位 置。 电机将座椅自动升降到最佳高度上，为驾驶员提供能够掌握路面情况的 最佳视线。 e y e c a r 概念车通过使用电动座椅自动将不同身材驾驶员的眼睛调到同一高 度来解决视见度的问题。 目前国内的汽车厂商，除吉利和奇瑞等为数较少的厂商外，大都没有自主 知识产权的座椅自动调节技术，基本上都是采用国外合作厂家或购买国外厂商 的技术，即使是吉利和奇瑞，其座椅自动调节技术也仅限于少自由度调节，在 多自由度以及具有记忆功能的自适应调节座椅技术上还比较落后。从以上论述 可以看到，在车内系统智能化控制领域，我们与国际上先进技术存在很大的差 距。所以为配合国内汽车市场的迅猛发展，使得开发拥有自主知识产权的车身 2 武汉理工大学硕十学位论文 控制系统势在必行1 m 1 。 1 3 研究的基本内容 目前，随着汽车的普及度的增加，对汽车自身的舒适性和安全性能的要求已 经提升到了一个很高的地位，这样，汽车内的座椅就显得格外的重要，国内轿车 的座椅除了完成简单的基本功能以外，基本上没有一些附加的功能所以现在汽 车的设计需要一种人性化的，合理的，舒适安全座椅，能够及时应对外界环境的 改变，在遇到轿车出故障的时候，座椅能够及时的反映过来，保护椅上乘客的安 全所以本课题的研究目的是研究一个智能的座椅，把他分为一些部分，每个活 动的部分用电机控制，所以就需要多个电机控制，而电机的运行情况由一个d s p 芯片进行统一的管理，所以课题的核心问题就在于d s p 如何能有效的，快速的对 座椅上的各个电机进行控制。达到一个和谐统一的效果。现在的电机一搬都采 用的是无刷电机，因为直流无刷电机属于永磁同步电机，一般转子为永磁材料， 随定子磁场同步转动。这种电机结构简单，而且由于移去了物理电刷，使得电 磁性能可靠，维护简单，从而被广泛应用于办公自动化、汽车等领域。直流无 刷电机运行过程要进行两种控制，一种是转速控制，也即控制提供给定子线圈 的电流；另一种是换相控制，在转子到达指定位置改变定子导通相，实现定子 磁场改变，这种控制实际上实现了物理电刷的机制。因此这种电机需要有位置 反馈机制，比如霍尔元件、光电码盘，或者利用梯形反电动势特点进行反电动 势过零检测等。利用光电编码器的系统在软件实现上更方便。电机速度控制也 是根据位置反馈信号，计算出转子速度，再利用pi 或pid 等控制方法，实 时调整pwm 占空比来实现定子电流调节。因此，控制芯片要进行较多的计算 过程。当然也有专门的直流无刷电机控制芯片；但一般来说，在大多数应用中， 除了电机控制，总还需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，选用带pw m ，同时又有较强数学运算功能的芯片也是一种很好的选择。t i 的数字信号处 理器dsp2 0 0 0 系列整合了通用数字信号处理器快速运算功能和单片机外围丰 富的特点，使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理能力，同时又要 有较多控制功能的应用中，对直流无刷电机的控制就是这一系列dsp 的典型 应用之一h 1 。 与永磁同步电机和感应电机的控制相比，无刷直流电动机的控制方法相对 3 武汉理工大学硕士学位论文 简单和可靠，在一般情况下，同一时刻只有两相绕组通电，转矩与方波电流的 幅值成正比，可以看出，无刷直流电机的控制系统相当简单，它无需i m 和p m s m 复杂的坐标变换就可以通过电流对转矩进行有效的控制，这主要是由于b l d c m 是 梯形波的电压、感应电势和绕组电流，因此参考电流可以直接从给定转矩得到。 无刷直流电动机存在的主要问题是转矩脉动相对较大，这与它的工作原理有关。 b l d c m 的理想电流波形为方波，理论上转矩为恒定值，无脉动现象。但是换相时 电流不能突变，实际上只能是梯形波，通过气隙传到转子的电磁功率也是梯形 波，因此在电磁转矩的平均值上，每隔6 0 。电角度都会有一个缺口，造成不可 避免的转矩脉动。另外还有其它的可能原因造成转矩脉动，如永磁体磁场不理 想，定子绕组与励磁磁场空间分布匹配不当，定子齿槽的存在等。更多的研究 表明b l d c m 的转矩脉动可能对于精确的伺服控制不利，但是对于控制精度要求 不高的汽车座椅而言，还是可以接受的。另外无刷直流电机的高速运行也值得 更深入研究，永磁同步电机可以通过对l d 的控制实现弱磁调速，但是这种方法 不能直接应用于b l d c m 的控制，因为d q 变换已经不适合梯形波电机。采用混合 励磁无刷直流电机和五相b l d c m 电机可以较好地解决弱磁调速问题。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章车内座椅减震系统的研究 2 1 车辆座椅减震控制系统 车辆内智能座椅的减震控制系统，从其控制原理可分为三种：( a ) 被动悬架 系统、( b ) 半主动悬架系统、( c ) 主动悬架系统，简化模型如图2 1 所示【6 】。 ll ( a ) 被动悬架( b ) 半主动悬架( c ) 主动悬架 卜弹簧上的质量，卜弹簧刚度，卜减震器阻尼 图2 - 1 减震系统模型 ( 1 ) 被动控制 一般的车辆座椅绝大多数装有由弹簧和减振器组成的机械式悬架，简化模 型如图2 - 1 ( a ) 所示。其中，簧主要用来支承簧上质量的静载荷，减振器主要用 于控制响应特性。悬架系统的阻尼和刚度参数一般是通过经验设计或优化设计 方法选择的，一旦确定，车辆行驶过程中就无法随外部状态变化而改变，对车 辆悬架的要求：一是为提高转弯、制动等操纵过程的稳定性，要求悬架应具有 高阻尼系数；二是为隔开随机路面不平对车辆的扰动，高乘坐舒适性，要求悬 架应具有低阻尼系数。被动悬架由于参数不能任意选择和调节，限制了其性能 的进一步提高，因此，减振性能很差。随着车辆性能的不断完善和发展，己无 法满足人们对乘坐舒适性和驾驶稳定性的要求。所以，自上世纪7 0 年代以来， 工业发达国家便开始研究基于控制技术的主动、半主动悬架系统，并在理论研 究和方法以及在工程实际应用方面都取得了较大的发展。 ( 2 ) 半主动控制 半主动悬架的简化模型如图2 - 1 ( b ) 所示，由可变特性的弹簧和减振器组成。 5 武汉理工大学硕士学位论文 其基本工作原理是根据簧上质量相对车轮的速度响应和加速度响应等反馈信 号，按照一定的控制规律调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力。半主动 悬架在产生力的方面近似于被动悬架，但是其阻尼系数或刚度系数是可变的。 半主动悬架的研究工作始于1 9 7 3 年，由d a c r o s b y 和d c k a r n o p p 首先提出。 1 9 8 4 年日产公司研制出一种声纳式半主动悬架，它能通过声纳装置预测前方路 面信息，及时调整悬架减振器的三种状态。另外，d a c r o s b y 等人提出了阻尼 连续可调的半主动悬架系统。 ( 3 ) 主动控制 主动控制悬架简化模型如图2 1 ( c ) 所示，由弹性元件和一个力发生器组成。 力发生器的作用在于改进系统中能源的消耗并供给系统以能量，该装置的控制 目标是要实现一个优质的隔振系统，而又无需对系统作出较大的变化。因此， 只需使力发生器产生一个正比于绝对速度负值的主动力，即可实现该控制目标。 这种悬架的减振效果非常理想。 2 2 磁流变液的应用 磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d s 即m r f ) 属可控流体，是智能材料 中研究较为活跃的一支。磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒 和非导磁性液体混合而成的悬浮体。 这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；但在中等强度 磁场作用下可在短时间( 毫秒级) 内增加2 个数量级以上的表观粘度，并呈现类 似固体的力学性质，且粘度呈连续、无极、可逆变化，即一旦撤掉磁场后，又 还原为流动液体。整个转化过程极快，易于控制，能耗极小，可实现实时主动 控制。 由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪 切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，因此是一种用途广泛、性能优良 的智能材料。 目前，磁流变液已经开始应用于研磨( 抛光) 工艺、阀门和密封、家庭健 身器、机械手的抓持机构、装配车间不规则形体的依托架、以及自动化仪表、 机器人的传感器和采矿、印刷等行业。 在其众多应用领域当中，研究最多、发展最快的应用领域是汽车座位减振 6 武汉理l 大学硕十学位论文 器、刹车器、主动驱动器以及土模机构减振器。 磁流变液应满足的指标： ( 1 ) 零磁场粘度低，以便使其在磁场作用下，具有同等剪切屈服强度增长 时，具有更大的可调范围： ( 2 ) 强磁场下剪切屈服强度高，至少应达到2 0 - - 3 0 k p a ，这是衡量磁流变 液特性的主要指标之一； ( 3 ) 杂质干扰小，以增加其使用范围； ( 4 ) 温度使用范围宽，即在相当宽的温度范围具有极高的稳定性； ( 5 ) 响应速度快，最好能达到毫秒级，以使磁流变液减振器作为主动和半 主动控制器时，基本不存在延时问题； ( 6 ) 抗沉降性好，长时间存放应基本不分层； ( 7 ) 能耗低，在较弱的磁场下可产生较大的剪切屈服强度； ( 8 ) 无毒、不挥发、无异味，这是由其应用领域所决定的； 磁流变液减振器的特点： ( 1 ) 磁流变液减振器精确的实时控制： ( 2 ) 连续可逆变化的阻尼力； ( 3 ) 低电压低功耗； ( 4 ) i 业级的稳定性和耐久性； ( 5 ) 简洁的机电结构； ( 6 ) 使用寿命长。 作为结构振动控制装置，磁流变液减振阻尼器的主要性能指标除了阻尼力 大小可调以外，响应时间是另一个重要指标，它直接决定着减振阻尼器的控制 周期、应用范围和使用效果。显然，如果响应时间大于结构的振动周期，则减 振阻尼器就无法达到预期的减振效果。磁流变液的响应时间一般为1 2 m s ，磁 路的响应时间为0 2 m s ( 可忽略) ，而磁流变液减振阻尼器的响应时间与阻尼器的 设计有关，且比磁流变液自身的响应时间长得多，所测得的阻尼器响应时间为 3 2 - 4 0 m s 。要使磁流变液减振阻尼器在结构振动控制领域展现出良好的应用前 景，未来的发展趋势是优化设计阻尼器，尽量缩短响应时间，以解决常规结构 控制装置的时滞问题。磁流变液减振阻尼器商业化的另一个问题是应用装置的 价格较贵，如l o r d 公司全产的小型直动式阻尼器减振系统每套为3 0 0 美元。这 就使得磁流变液装置的推广应用受到了限制。推行磁流变液装置商业化，应尽 7 武汉理t 大学硕十学位论文 可能降低零件、密封件、电磁铁等的制造、加工成本盯q 们。 2 3 座椅底盘减震系统p i d 控制算法研究 在工业控制过程中，由于p i d 控制器结构简单，性能良好，广泛应用于不 同领域。尤其是在过程的参数固定，非线性现象不很严重的情况下，p i d 控制器 更受工程技术人员欢迎。但是在参数变化大的工程中p i d 控制器难以收到很好 的效果，它往往需要在参数估计的基础上，对p i d 控制器的参数在线地进行调 整。于是就形成了一种新的控制器，即模糊p i d 控制器，它运用模糊控制器建 立p i d 的模糊控制规则表，输出p i d 的比例、积分、微分控制参数，能在参数 变化大的情况下也能收到很好的效果。 2 3 1 典型的pid 控制分析 p i d 控制器系统原理框图如图2 2 所示 图2 2 典型p i d 控制流程 p i d 控制是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构成控 制偏差： p ( f ) = r ( t ) - c ( t ) ( 2 1 ) 将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控 制，故称为p i d 控制器，其控制规律为： 砸) = r p 印) + 去晰) d tt d 警】 ( 2 _ 2 ) 8 武汉理工大学硕士学位论文 其中：k p 为比例系数；t i 为积分时间常数；t d 为微分时问常数。 数字p i d 控制算法分为位置式p i d 算法和增量式p i d 算法n 。 1 位置式p i d 算法： 一般数字控制系统需要将控制信号采样，所以只能根据采样时刻的偏差值 计算控制量，因此，式( 2 2 ) 中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离 散化处理。现以一系列的采样时刻点k t 代表连续时间t ，以和的形式代替积分， 以增量代替微分，则可做如下近似变换： t k r ( k = 0 , 1 ，2 ) f 印) d t r 圭p ( _ ，r ) = 丁圭p u ) 1 = oi = o d e ( t ) e ( k t ) - e ( k - 1 ) t d tt e ( k ) - e ( k - 1 ) = 一 r ( 2 3 ) 其中：t 为采样周期。 显然，上述离散化过程中，采样周期t 必须足够短，才能保证足够的精度。 为书写方便，以下将e ( k t ) 简写为e ( o 将式( 2 3 ) 代入( 2 2 ) 可以得到离 散p i d 表达式为： 上 u ( d = 勋p ( 七) + 舫乏：e ( j ) + k d e ( k ) - e ( k - 1 ) ( 2 - - 4 ) 面 其中：u ( k ) 为第k 次采样时刻的控制系统输出值： e ( k ) 为第k 次采样时刻输入的偏差值： e ( k 一1 ) 为第( k 一1 ) 次采样时刻输入的偏差值； k i 为积分系数，k i = k p * t t i ； k d 为微分系数，k d = k p * t d t 。 2 增量式p i d 算法： 由于位置式p i d 算法，要计算u ( k ) ，不仅需要本次的偏差信号e ( k ) 和e ( k 一1 ) ，而且还要在积分项把历次偏差信号e ( j ) 进行相加。这样，不仅计算繁琐， 而且为保存e ( j ) 还要占用很多内存。为此，可作如下改动。 根据递推原理，可写出( k - - i ) 次的p i d 输出表达式： 上 ”( 七一1 ) = k p e ( k 一1 ) + 肠e ( j ) + k d e ( k 一1 ) 一p ( 七一2 ) 】( 2 - - 5 ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 用式( 2 - - 5 ) 减去( 2 - - 4 ) 可得： ：, , u ( k ) 一= l u ) ( + k ) - u ( k - d 1 ) 】+ 一1 ) +】(2-6)u(kk p e ( k ) - e ( kk e ( k ) + k d e ( k ) - 2 e ( ke ( k - 2 ) = 一1 ) +一1 ) 】+ 一1 ) +】 式中，k ：助要称为积分系数，k d ：助孕称为微分系数。由上式可知，要 计算第k 次输出值，只需要知道u ( k - 1 ) 、p ( 七) 、“七一1 ) 、p ( 七一2 ) 即可，比用 式( 2 - - 4 ) 计算简单的多。 式( 2 - - 6 ) 表明，第k 次输出的增量a u ( k ) ，等于第k 次与第k 一1 次调节 器的输出的差值，即在第k - - 1 次的基础上的增加( 或减少) 量，所以称式( 2 - 6 ) 为增量型p i d 算法。 2 3 2 模糊控制系统分析 模糊控制系统一般按输出误差和误差变化对过程进行控制，其基本的结构 表示如图2 3 所示。首先将实际测得的精确量误差e ( k ) 和误差变化a e ( k ) 经过 模糊处理而而变换成模糊量，在采样时刻k ，误差和误差变化的定义为n ： “j | ) = ，一“七) ( 2 7 ) 厶“七) = e ( k ) - d 七- 1 ) ( 2 8 ) 上式中r 和c ( k ) 分别表示设定值和k 时刻的过程输出，e ( k ) 即为k 时刻的 输出误差。用这些量来计算模糊控制规则，然后变换成精确量对过程进行控制。 卜- 一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 图2 - 3 模糊控制系统组成框图 1 0 武汉理一i ：大学硕士学位论文 模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能优劣，主要 取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊控制规则、合理推理算法，以及模糊 决策方法。 模糊控制器也称为模糊逻辑控制器，由于其所采用的模糊控制规则是一种 语言型控制器，故也称为模糊语言控制器。它主要分为以下几点： ( 1 ) 模糊化接口( f u z z y i n t e r a f e c ) 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于 控制输出的求解，因此它际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用就是将 真实的确定值输入转换为一个模糊矢量。 ( 2 ) 知识库( k n o w l e d g eb a s e - - k b ) 由数据库和规则库两部分构成。 数据库( d a t ab a s e d b ) 数据库所存放的是所有的输入、输出变量的 全部子集的隶属度矢量值( 即经过论域等级离散化以后对应值的集合) ，若论域 为连续域，则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理 机提供数据。 规则库( r u l eb a s r r b ) 模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作 熟练人员长期积累的经验，他是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊库 的“准确性 与专家知识的准确度有关。 ( 3 ) 推理与解模糊接口( i n t e r e n c ea n dd e f u z z y - - i n t e r f a c e ) 推理是模糊控 制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程， 并获得模糊控制量的功能部分。最简单的有z a d e h 近似推理，它包含有正向推 理和逆向推理两类，正向推理常被用于模糊控制，而逆向推理一般用于知识工 程学领域的专家系统中。 推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是，至此所 获得的结果仍然是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转 换，求得清晰的控制量输出，即为解模糊。通常把具有转换功能作用的部分称 为解模糊接口。 在模糊控制系统中，根据输入变量和输出变量的个数，可以划分为单变量 模糊控制和多变量模糊控制。对于多变量的模糊控制器的设计涉及控制器的解 耦，分解后再采用单变量模糊控制器的方法设计，是一个相当复杂和困难的过 程。在本文中，我们主要是用到单变量模糊控制器。在单变量模糊控制器中， 将其输入变量的个数定义为模糊控制器的维数，可以分为：一维模糊控制器、 二维模糊控制器和三维模糊控制器，如图2 4 所示 武汉理工大学硕十学位论文 厂一e 叫二维i 出一旦1 面de 一警 。二。 o - j 叫 嚣 三维 兰一f ， 模糊 出控制 0 旦e c 譬 器 图2 - 4 单变量模糊控制器 从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制效果越好。但是维数高的模糊 控制器实现起来相当复杂和困难，通常采用二维模糊控制器。二维模糊控制器 是以被调量与定值之间的误差量e 和误差的变化量e c 为输入变量，因此它具有 类似于常规p d 控制器的作用，采用该类模糊控制器的控制系统可以获得良好的 动态品质，但被调量的静态偏差难于消除。 2 3 3 模糊p id 控制系统分析 工业控制过程中，由于比例一微分一积分( p i d ) 控制器结构简单，性能良好， 广泛地应用于不同的领域。尤其是在过程的参数固定，非线性现象不很严重的 情况，p i d 控制器更受工程技术人员欢迎。但是在参数变化大的过程中p i d 控制 器难以收到良好的效果，它往往要在参数估计的基础上，对p i d 控制器的参数 在线地进行调整。这时，要求对过程有某些先验知识。譬如，要估计被控对象 的模型结构，这种控制器就叫做自适应p i d 控制器n 1 司。 传统的模糊控制器和p i d 控制器的结合分为两种，串联结构和并联结构： ( 1 ) 串联结构如图2 5 所示： 图2 - 5 串联模糊p i d 控制器结构 当系统的偏差c 大于语言变量值零档时，即在动态过程中，e 和u f ( t ) 同 用做p i d 控制器的输入信号，即e ( t ) - - e ( t )+ u f ( t ) ，对p i d 控制器产生 较强的控制信号，系统的动态响应较快；而当偏差信号e 小于语言变量值零档 1 2 武汉理工大学硕七学何论文 时，模糊控制器通过开关k 断开，这时e ( t ) = e ( t ) ，只有偏差信号进入p i d 控制器，由于此时系统的输出和给定值已经很接近，所以能很快地趋于给定值， 消除稳念误差。 ( 2 ) 并联结构如图2 - 6 所示： r 厂一模糊控制卜一 i 一 一旦( 弘 图2 - 6 串联模糊p i d 控制器结构 它是将模糊控制器和p i d 控制器并联起来对系统进行控制，即有模糊和p i d 两种模态。其中模糊控制器采用常规模糊控制器，输入变量为偏差。和偏差变 化a e 。，输出为u ，模糊控制规则采用i f t h e n 形式，推理合成采用删一 m i n 算法，反模糊化采用面积重心法。这种模糊控制器本质上是p d 控制器，由 于缺乏积分环节，系统有稳态误差，为此在偏差e 小于某一闭值m 时，控制切 换至常规p i d 控制器，从而使得这种双模控制器具有响应快，稳态精度高的特 点。 模糊控制器在控制过程中，以语言描述人类知识，并把它表示成模糊规则 后关系。通过推理，利用知识库，把某些知识与过程状态相结合来决定控制行 为。虽然模糊控制器并不具有明显的p i d 控制结构，但它可以称为非线性p i d 控制器，根据系统的误差信号和误差的微分或差分来决定控制器的参数。在本 文中我们采用不并联的模糊p i d 控制规则，只是在运用中直接掺入到p i d 控制 中，而并不需要进行选择。所以本文的控制规则如图2 - 7 所示。 图2 - 7 直接掺入模糊控制的并联p i d 控制 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 4 车辆座椅减震系统结构分析 加速度和位移传感器分别用来采集座椅的垂直振动加速度信号和底盘与座 椅的相对位移信号；信号放大调理电路将采集到的加速度和位移信号放大、整 流、滤波等，并输入d s p 控制系统；d s p 控制系统主要是用来接收己经经过放大 调理的加速度和位移信号，对其进行a d 转换，并处理转换后的数据，输出控 制信号控制电流驱动器中m o s f e t 管的开关；电流驱动器是为磁流变液减振 阻尼器提供改变阻尼力的控制电流。减震系统结构图如图2 - 8 所示： 图2 8 减震系统结构 为简化研究，将人体作为一个刚体等效到座椅运动质量中，建立单自度的 座椅振动模型，并且不计座椅对车辆底盘的反馈作用。振动激励x l ，用随机信 号来模拟，如图2 8 中所示： 运动微分方程为： m x 2 + 【c ( x 2 一x 1 ) + ，】+ k ( x 2 一x 1 ) = 0 ( 2 - 9 ) 假设m 为人体质量，x 1 为振动激励，我们用随机信号来模拟，x 2 为位移量， 戈2 为加速度，k 为弹簧刚度系数，f 为磁流变阻尼器的可调阻尼力。 其传递函数表达式为： g ( j ) = 丽c 再s + 而k ( 2 - 1 0 ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 简化为： g = 丽淼 ( 2 - 对于座椅减震系统的模糊p i d 控制，我们首先要确定输入到模糊控制器的 误差e 、误差变化率e c 与模糊控制器输出的k p 、k d 和k i 的关系。 当i e l 较大时，为了加快系统的响应速度，并避免因开始时偏差e 的瞬 间变大，可能引起微分过饱和，而使控制作用超出许可范围，因此应取较大的 k p 和较小k d 。同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现较大的超调，此时应 去掉积分作用，取k i = o 。 当iel 和ie ci 为中等大小时，为使系统响应的超调减少，k p 、k d 和k ：的 值都不能取大，应取较小的k i 值，k p 和k d 值大小应适中，以保证系统的响应 速度。 当iei 较小时，为使系统具有良好的稳态性能，应增大k p 和k i 值，同 时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，应适当地选 取k d 值，其原则是：当ie ci 较小时，k d 值可取大些，通常取为中等大小，当ie cl 较大时，k d 应取小些。 1 5 武汉理l 一人学硕十学位论文 第3 章节点动力控制系统方案论证 3 1 座椅转动控制模块的分析和总体设计 智能座椅的关键要求是要满足汽4 三座椅的自动控制，其操作的准确与稳定 性是该控制模块所要考虑的主要指标，同时在满足基本需求的条件下控制开发 成本。座椅控制模块总体要求具体包括以f - - 个方面“叫： 控制的可靠性与方便的操作模式； 满足汽车座椅自动控制的位置精度要求； 具有竞争力的开发成本； 随着智能座椅的要求越来越多，其结构也将会越来越复杂。图3 - i 描述了座 椅的主要结构，表3 - 1 介绍了其主要的计数参数 底座滑轨结构 图3 - 1 座椅主要结构 表31 节点控制模块需求 靠背结构 项目指标 前后滑动距离1 3 5 r n 瑚 座椅靠背调节的最大范围 7 0 。 座椅升降而的高度 l o o n 硼 靠枕调节角度 4 5 。 控制方式闭环控制 传动方式永磁无刷直流电动机( 1 2 v 。6 a ，4 部) 电源2 4 v 车载电瓶提供1 2 v 电压 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 智能座椅控制系统的要求 汽车座椅的自动控制，其操作的准确与稳定性是该控制模块所要考虑的主 要指标，同时在满足基本需求的条件下控制开发成本。系统的总体要求具体包 括以下四个方面： 控制的可靠性与方便的操作模式； 满足汽车座椅自动控制的位置精度要求； 具有竞争力的开发成本： 响应迅速，特别是座椅减震系统的响应速度； ( 2 ) 智能座椅控制系统的总体结构 对汽车座椅运动的准确及平稳的控制是该电动座椅调节模块的主要任务， 为了能达到实时控制性能好、控制精度高的要求，根据对c a n 总线技术的研究， 采用了基于c a n 总线的控制结构，如图3 2 所示。其中，d s p 控制系统负责4 台无刷直流电动机的控制和位置传感器的信号采集等。 基于c a n 总线的并行d s p 控制系统具有结构简单、安装方便、性价比高等 优点，使系统实现了高效率运行，同时满足了系统对控制精度、控制性能上的 要求 图3 - 2 座椅节点总体结构 ( 3 ) 智能座椅控制系统模块功能 电动座椅控制系统主要控制4 台无刷直流电动机的起动、停止以及换向， 此外，还对汽车座椅位置信号进行检测、计算、存储等处理，其控制系统示意 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 图如图3 - 3 所示。 电动座椅控制系统的主要功能是：