河南理工大学毕业设计说明书
3.3车速的控制
对于车速的控制，我们采用闭环控制，控制量由MC33886给出，而速
度反馈量由编码器测得。编码器输出的脉冲输入到PACN10，通过定时器申请中断，间隔一定时间读取PACN10的值，由于是一定时间内的脉冲数，所以可以看成是电机速度。给定量是根据当前传感器的检测到黑线的位置给出的，我们选择了模糊推理给定，该模糊控制器是一个两输入，一输出。输入黑线位置和黑线位置的变化率，通过模糊推理输出一个当前所需的速度量。在通过一个增量式PID调节器使电机的实际速度尽可能快的接近给定速度。
3.3.1 模糊控制设定速度
因为弯道的分布情况也不能确定，小车可能频繁的进出弯道，不停的调整速度来适应不同轨迹。这样就难以建立精确的数学模型，且赛车对动态性能要求较高，考虑到该款单片机有一套特色指令—模糊控制指令，执行时间只有几十us级（时钟频率为25M），不会影响决策周期，且简单易行，而模糊控制具有处理不明确信号的能力，故最终选定采用模糊控制设定速度：
(1)模糊输入输出量的选取
赛车模糊控制器采用二维模糊控制器，输入变量E、△E分别选为黑线位置distance及其变化率diff，输出变量U选为赛车的速度设定值Vi_Ref。
(2) 隶属函数的确定
MC9S12DG128B的隶属函数的数值描述有固定的数据结构，即起点的坐标值、终点的坐标值、前沿斜率、后沿斜率；且输出的隶属函数须采用单值函数。故设计输出变量的模糊集为T(U)={NB,NS,Z,PS,PB}，论域输出U为{90,120,140,150,160};设计输入的隶属函数如图3-2所示：
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(a)
（a） （b） 图3-2 隶属函数
(3)模糊规则库的建立
确定控制规则是模糊控制器设计的核心工作。控制规则的制定需要大量的实时调试经验。具体可如下实现：首先可以结合自身现有的经验制定出初步规则表，然后结合串口调试工具实时返回数据，对规则进行微调。注意，在进行微调时候切忌一次进行较大的改动，否则改后无法判断到底是那条规则在起作用。见表3-1。
表3-1 模糊规则表
△E E NB Z PB NB NB NS PS NS Z PB PS PB PS PB Z NS PS NS NB NS Z PS PB (4) 模糊推理及解模糊化
在模糊推理过程中，选用了REV 指令。MC9S12DG128B单片机中规定各个前件之间只进行模糊与运算，而如果几个规则的逻辑后件影响到同一个模糊输出，它们之间隐含模糊或运算。即使用MIN－MAX法进行模糊推理。
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反模糊化采用重心法（COG法）。WAV是解模糊的核心指令，它与EDIV指令配合完成模糊输出到控制输出的变换。
3.3.2 PID控制调整速度
本系统采用的是增量式数字PID控制，它是一个闭环控制系统。闭环控制系统（closed-loop control system）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（ Negative Feedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。 （1）比例控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
（2）积分控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制
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器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （3）微分控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID控制原理图如图3-3所示
比例 E(t) R(t) 积分 U(t) 被控对象 Y(t) _ 微分
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图3-3 PID控制原理图
通过每一控制周期（10ms）读入脉冲数间接测得小车当前转速vi_FeedBack，将vi_FeedBack与模糊推理得到的小车期望速度vi_Ref比较，由以下公式求得速度偏差error1与速度偏差率d_error。
error1 = vi_Ref– vi_FeedBack; （3-1）
d_error = error1 –vi_PreError;
（3-2）
公式4中, vi_PreError为上次的速度偏差。考虑到控制周期较长，假设按2.5m/s的平均速度计算，则一个控制周期小车大概可以跑过2.5cm，如果按这种周期用上述PID调节速度，则会导致加速减速均过长的后果，严重的影响小车的快速性和稳定性。为了解决这个问题，可以在PID调速控制中加入BANG-BANG控制思想：根据error1的大小，如果正大，则正转给全额占空比；如果负大，则自由停车；否则就采用PID计算的占空比。
程序段如下： void PIDInit(void) { }
unsigned int v_PIDCalc( PID *pp )
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sPID.vi_Ref = 0 ;
sPID.vi_FeedBack = 0 ; sPID.vi_PreError = 0 ;
sPID.vi_PreDerror = 0 ;
sPID.v_Kp = VV_KPVALUE; sPID.v_Ki = VV_KIVALUE; sPID.v_Kd = VV_KDVALUE;
sPID.vl_PreU = 0 ;