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                        汽車行駛速度控制系統中PID控制算法的運用

                        添加時間:2018/07/11 來源:汽車實用技術 作者:趙斌 董浩 張建
                        汽車行駛控制系統是應用非常廣泛的控制系統之一, 其主要的目的是對汽車的速度進行合理的控制, 它是一個典型的反饋控制系統。在控制領域當中, 運用較多的是PID控制器。PID控制器 (比例-積分-微分控制器) , 由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。
                        以下為本篇論文正文:

                          摘要:文章以現有汽車行駛速度系統的數學模型為基礎, 將PID控制算法引入其中, 在Simulink仿真軟件中, 建立汽車行駛速度PID控制系統的仿真模型, 分析系統在有阻尼和無阻尼情況下, 繪制汽車行駛速度曲線圖, 同時建立無PID控制時汽車行駛速度系統模型。分析結果表明, 在有阻尼的情況下, 汽車行駛速度曲線很快收斂并達到穩定狀態, 在無阻尼的情況下, 汽車行駛速度曲線超調量較大并且達到穩定狀態所需時間較長。若去掉PID控制, 汽車行駛速度只能達到在最小車速以下某一值, 若無阻尼, 則汽車行駛速度收斂于最小車速。該研究對提高汽車行駛速度控制系統的精度和穩定性有一定參考價值。

                          關鍵詞:汽車; 行駛速度; 控制; 仿真;

                          Abstract:Based on the mathematical model of the existing vehicle speed system, this paper introduces the PID control algorithm into it, and establishes the simulation model of the vehicle speed PID control system in the Simulink simulation software. In the case of damped and undamped, the vehicle speed curve is drawn, and the vehicle speed system model without PID control is established at the same time. The analysis results show that the vehicle speed curve converges quickly and reaches the stable state under the condition of damping, and the vehicle speed curve overshoot is larger and the time to reach the stable state is longer under the condition of no damping. If the PID control is removed, the vehicle speed can only reach a certain value below the minimum speed. If there is no damping, the vehicle speed converges to the minimum speed. The research has certain reference value for improving the precision and stability of the vehicle speed control system.

                          Keyword:vehicle; driving speed; control; simulation;

                          汽車行駛控制系統是應用非常廣泛的控制系統之一, 其主要的目的是對汽車的速度進行合理的控制, 它是一個典型的反饋控制系統。在控制領域當中, 運用較多的是PID控制器。PID控制器 (比例-積分-微分控制器) , 由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成[2]。通過kp, ki和kd三個參數的設定。PID控制器主要適用于基本上線性, 且動態特性不隨時間變化的系統。PID控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件[6]。

                          文章將PID控制算法應用于汽車行駛速度控制系統中, 在Matlab的Simulink模塊中, 建立汽車行駛控制系統的仿真模型并進行分析。

                          1、汽車行駛速度控制原理

                          汽車行駛速度PID控制系統實質是一個速度反饋控制系統, 通過系統的輸出信號改變系統的輸入信號, 其工作原理[1]為:

                          (1) 通過汽車的速度操縱機構操縱桿的位置變化控制發動機節氣門開度以改變發動機牽引力從而實現汽車行駛速度的變化。

                          (2) 由于慣性的存在, 汽車的行駛速度不可能立即達到期望速度, 實際車速與期望車速之間必然會有差值, 系統實時測量并反饋實際車速, 并與期望車速取差值。

                          (3) 根據速度差值改變節氣門開度以改變發動機牽引力從而實現當前汽車行駛速度, 直到與期望車速一致。

                          2、汽車行駛速度PID控制系統數學模型

                          汽車行駛簡易模型如圖1所示:

                        圖1 汽車行駛簡易模型

                        圖1 汽車行駛簡易模型

                          汽車行駛速度PID控制系統包括以下三部分:汽車速度操縱機構位置變換器、汽車行駛速度PID控制器和汽車動力機構[3], 各部分的數學模型如下。

                          2.1、汽車速度操縱機構位置變換器

                          汽車行駛速度控制系統的速度操縱機構位置變換器的作用, 是將操縱桿的位置轉換為汽車期望行駛速度, 操縱桿的位置與期望車速為線性關系, 其對應數學模型為:

                        其對應數學模型

                          式中:

                          v——與操作機構位置相對應的汽車行駛速度目期望值, km/h;

                          k——操縱機構的位置變化率與速度變化率的比值;

                          x——速度操縱桿的位置, 單位:米 (m) ;

                          b——汽車行駛最小車速, km/h。

                          2.2、汽車行駛速度PID控制器

                          汽車行駛速度PID控制器是汽車行駛速度PID控制系統的核心部分, 其原理是根據當前實際車速與期望車速的差值來控制發動機節氣門開度以改變發動機牽引力, 進而使汽車行駛速度達到期望車速。其實質為速度反饋控制, 反饋控制的數學模型為:

                        反饋控制的數學模型

                          式中:

                          u (t) ——控制量;

                          kp——比例控制部分的增益系數, 其作用是減少被控制系統的上升時間和靜態誤差, 但不能消除靜態誤差;

                          e (t) ——偏差 (汽車當前實際車速與期望車速的差值) ;

                          ki——積分控制部分的增益系數, 其作用是消除靜態誤差;

                          kd——微分控制部分的增益系數, 其作用是提升系統穩定性, 減少過渡時間, 降低超調量。

                          2.3、汽車動力機構

                          汽車動力機構的作用是在牽引力的作用下改變汽車的運行速度。牽引力與汽車行駛速度的關系為:

                        牽引力與汽車行駛速度

                          式中:

                          m——汽車的質量;

                          v——汽車行駛過程中的實際速度;

                          F——汽車行駛過程中發動機的牽引力;

                          c——汽車行駛過程中的阻尼系數。

                          3、汽車行駛速度PID控制系統仿真模型的建立與仿真

                          根據汽車行駛速度PID控制系統的工作原理組建的汽車行駛速度PID控制流程圖如圖2所示。

                        圖2 汽車行駛速度PID控制流程圖
                        圖2 汽車行駛速度PID控制流程圖

                        表1 某小車參數
                        表1 某小車參數

                          現以某小車為例, 進行建模并仿真分析, 具體參數如表1所示。

                          該車所能達到的最高車速為240km/h, 我國規定高速路最高限速為120km/h, 現擬該車行駛最小車速為10km/h, 期望車速為120km/h, 則速度變化率為110, 操縱桿的位置與期望車速之間的數學模型為:

                        操縱桿的位置與期望車速之間的數學模型

                          此時操縱桿的位置為:

                        操縱桿的位置

                          仿真時間設置為1000s, 系統采樣周期為0.02s, 即示波器數據點數為50000, 建立汽車行駛速度PID控制系統Simulink仿真模型如圖3所示。如果沒有阻尼, 汽車行駛速度PID控制系統Simulink仿真模型如圖4所示。若去掉PID控制, 汽車行駛速度Simulink仿真模型如圖5所示。

                          運行仿真模型輸出汽車行駛速度曲線圖, 結果分別如圖6-8所示。

                        圖3 汽車行駛速度PID控制Simulink仿真模型
                        圖3 汽車行駛速度PID控制Simulink仿真模型

                        圖4 汽車行駛速度PID控制無阻尼Simulink仿真模型
                        圖4 汽車行駛速度PID控制無阻尼Simulink仿真模型

                        圖5 汽車行駛速度無PID控制Simulink仿真模型
                        圖5 汽車行駛速度無PID控制Simulink仿真模型

                        圖6 汽車行駛速度有阻尼曲線圖
                        圖6 汽車行駛速度有阻尼曲線圖

                        圖7 汽車行駛速度無阻尼曲線
                        圖7 汽車行駛速度無阻尼曲線

                        圖8 汽車行駛速度無PID控制曲線圖
                        圖8 汽車行駛速度無PID控制曲線圖

                          4、結果分析

                          對比圖6與圖7可知, 在有阻尼的情況下, 汽車行駛速度曲線很快收斂并達到穩定狀態, 在無阻尼的情況下, 汽車行駛速度曲線超調量較大并且達到穩定狀態所需時間較長。由圖8可知, 若去掉PID控制, 汽車行駛速度只能達到在最小車速以下某一值, 若無阻尼, 則汽車行駛速度收斂于最小車速。

                          參考文獻
                          [1]尤嚴俊.基于多目標PID的重型汽車ESP控制系統研究[D].石家莊鐵道大學, 2016.
                          [2]祝東鑫.汽車巡航系統模糊控制與仿真研究[D].遼寧工業大學, 2016.
                          [3]白永鑫.基于汽車行駛速度隨動系統的模糊PID控制及仿真[J].唐山師范學院學報, 2015, 37 (05) :60-63.
                          [4]劉大鵬, 宋娟, 周唯.基于VRT車輛速度控制系統的設計[J].電子科學技術, 2014, 01 (02) :218-223.
                          [5]陳學文, 張衍成, 李萍, 王陽.汽車主動懸架自適應模糊PID控制研究[J].機械設計與制造, 2014, (02) :153-156.
                          [6]齊忠琪, 魯斐.PID控制器在智能汽車速度控制方面的應用[J].中國教育技術裝備, 2012, (21) :105-106.
                          [7]馮勇, 吳凱, 劉夢安.基于模糊PID算法的汽車半主動懸架振動控制[J].汽車零部件, 2012, (05) :50-54+69.
                          [8]吳慧峰.汽車懸架并聯式模糊PID控制的仿真研究[J].制造業自動化, 2012, 34 (09) :102-104+108.

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