第3章 智能汽车设计基础——软件

第3章

智能汽车设计基础—软件

第3章

智能汽车设计基础—软件

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 是控制算法。而完成这些任务的编程语言有汇编语言和C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 首先简要介绍软件编程中使用的汇编语言和C语言各自的特点， 然后重点介绍核心控制算法的原理。

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第3章

智能汽车设计基础—软件

1 3.1

编程语言简介

2 3.2

控制算法

3

思考题

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3.1

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 件平台的语言，对于不同架构的CPU都会有相应的汇编指令。 汇编语言可以直接操作CPU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I/O操作 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。 C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C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 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C语言既具 有高级语言的功能，又具有汇编语言的功能，对于编写与硬 件相关的应用程序而言具有明显的优势。

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3.1

编程语言简介

在绝大多数场合，采用C语言编程即可完成预 期的目的，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C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 硬件打道、执行代码的效率高等特点，可以做到C 语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 编程的方法将C语言和汇编语言的优点结合起来， 已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。武汉科技大学信息科学与工程学院

3.21

控制算法23.2.2 模糊控制算法

33.2.3 其它智能 控制算法

3.2.1 PID控制算法

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3.2.1

PID控制算法

PID(Proportional Integral Differential) 控制是比例、积分、微分控制的简称。在自动控制 领域中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本 控制方式。 PID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，利用偏差的比例、积分、微 分三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控 制量。图3.1是常规PID控制系统的原理框图。

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3.2.1

PID控制算法

图3.1 常规PID控制系统原理框图武汉科技大学信息科学与工程学院

3.2.1

PID控制算法

其中虚线框内的部分是PID控制器，其输入为设定值 r (t ) 与被调量实测值 y(t ) 构成的控制偏差信号 e(t ) : e(t ) r (t ) y(t ) (3.1)

其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合， 也即PID控制律：

1 u (t ) K P e(t ) TI

de(t ) e(t )dt TD 0 dt t

(3.2)

K T 式中， P为比例系数；TI 为积分时间常数； D为微分 时间常数。武汉科技大学信息科学与工程学院

3.2.1

PID控制算法

根据被控对象动态特性和控制要求的不同， 式(3.2)中还可以只包含比例和积分的PI调节或者 只包含比例微分的PD调节。下面主要讨论PID控制

的特点及其对控制过程的影响、数字PID控制策略的实现和改进，以及数字PID控制系统的设计和控

制参数的整定等问题。

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3.2.1

PID控制算法

1.PID控制规律的特点 (1)比例控制器 比例控制器是最简单的控制器，其控制规律为 (3.3) u 式中，Kp为比例系数； 0 为控制量的初值，也就是在启 动控制系统时的控制量。图3.2所示是比例控制器对单位 阶跃输入的阶跃响应。 由图3.2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 朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例 系数Kp。武汉科技大学信息科学与工程学院

u (t ) K p e(t ) u0

3.2.1

PID控制算法

图3.2

比例控制器的阶跃响应

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3.2.1

PID控制算法

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 存在静差。加大比例系数Kp虽然可以减小静差，但 当Kp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。

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3.2.1

PID控制算法

(2)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 控制的基础上加上积分控制作用，构成比例积分PI 控制器，其控制规律为 1 u (t ) K p e(t ) Ti

e(t )dt u0 0 t

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