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摘要：智能车以飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12XSl28B为核心控制器，利用CMOS视频传感器采集路况信息，配合传感器、电机、舵机、电池等组成的驱动电路进行信息处理，以达到路径识别的目的，控制模型车高速稳定地在跑道上行驶。主要介绍利用MC9S12XSl28B进行直流电机转速控制，速度反馈以及用PID算法实现对即时速度的调节模块。车速主要通过PWM斩波进行电压控制，从而达到控制速度的目的。
关键词：直流电机速度控制
电压控制PWM斩波PID算法调节
中图分类号：TM3
文献标识码：A
文章编号：1007-3973(2011)010-029-02
1、引言
1.1 PID概述
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。P1D控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
1.2 PID参数作用
1.2.1比例(P)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)。
1.2.2积分(I)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)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
1.2.3微分(D)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(dclay)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。
2、直流电机特性介绍
2.1电机速度三中控制策略
在分析模糊控制和PID控制结合方式的基础上，设计一个二维模糊PID控制算法，该算法根据误差信号是否达到阈值来决定何时在模糊控制与PID控制之间切换．
．
(1)对直流电机的调速主要是依靠提高线圈的电流，也可以提高电压来提速．但很容易烧毁电动机。
(2)使用直流调速器控制调整转速。
(3)基于模糊PID的直流力矩电机转速控制。
2.2直流电机在智能车的控制思路
根据路径识别的情况，如果当前路径为直道，则需要加速；若是弯道，则需要降速，而且根据不同的弯道速度也是有所区别，这个区别体现在速度设定上。我们根据iend、舵机转角、bulb等多个变量的大小来确定速度设定的策略。实际的车速还需要闭环控制，用PID算法来实现稳定、准确、快速地跟随速度设定。下面介绍速度的控制算法。
系统利用测速模块反馈的当前速度值，和设定速度值来选择不同的P参数来进行调节，从而控制直流电机对当前路径进行快速反应，利用I的作用使得消除静差，加入D使得速度更加稳定。
本系统采用的是数字PID控制，通过每一控制周期读入脉冲数来间接测得小车当前转速vi FeedBack，将vi Feed．Back与模糊推理得到的小车期望速度vi－Ref比较，既而算得速度偏差error，再通过调用PID函数来获得速度的控制。
考虑到CMOS方案的控制周期较长，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调速控制中适当加入Bang-Bang控制：根据er-ror的大小，如果正大，则正转给全额占空比；如果负大，则自由停车或给一个反转的PWM，否则就采用PID来计算所需的占空比。
3、MC9S12XSl28B实现PWM斩波控制电压
3.1脉冲宽度调制(PWM)
一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
3.2程序代码
本系统利用开发工具CodeWarrior进行编程开发，用BDM进行程序下载，利用串口传输的数据进行在线调试。这些工具的使用，使得软件的设计编程和调试工作得到了保证。
3.2.1 PD结构体typedef struct PID
／定义结构体{
INTl6S vi Re￡
／速度PID，速度设定值
INTl6S vi_FeedBack；
／速度PID，速度反馈值
INTl6S vi PreError；
／速度PID，速度误差,vi_Ref
-vLFeedBack
INTl6S vi PreDerror；
／／速度PID．前一次，速度误差
之差，d error-PreDerror；
INTl6S v_Kp；
／／比例系数，Kp=Kp
INTl6SvKi；
／／积分系数，Ki=Kp*(T／T)
INTl6S v_Kd；
／／微分系数，Kd=KP*Td*T
INTl6S vl_PreU；
／／PID输出值 )PID；
3.2.2 PID函数计算
Function Name：PIDCaculate
Description：
Inputs：
None
Outputs：
None
NOTES：
INTl6S PIDCaculate(PID*pp)
／／PID函数
{
INTI 6S crror,d_error,dd_error；
error=pp->vi_Ref-pp->vi_FeedBack；／／偏差计算(积分)
a_error=error-pp->vi_PreError；
／／偏差计算(比例)
dd_error=d_error-pp->vi_PreDerror；／偏差计算(微分)
pp->vi_PreError=error；
俯储当前偏差
pp->vi_PreDerror=a_error；
if((error-W DEAD．LINE))／／设置调节死区
{
else
{
pp->vl_PreU＋=(pp->v_Kp*d_error+PP->v_Ki*error十pp->v_Kd*dd_erro)；／／PID计算式，更改系数以获得理想的输出
}
if(pp->vl_PreU>=W_MAX)，／／速度PID，防止调节最高溢出
{
pp->vl_PreU=VV_MAX；
)
elseif(pp->vl_PreU<=VV_MIN)，／／速度PID，防止调节最低溢出
{
pp->vl_PreU=VV_MIN；
}
return(pp->vl_PreU)；／／PID返回值(电机PWM波高电平时间)，更改系数以获得理想的输出
｝
4、结论
(1)P：增加P项系数可以最强车模的沿线能力，并且可以使车模的转向提前，实现切弯效果，但在大s弯中切弯不明显，过小S弯时舵角会抖，若P系数太大，也会导致大半径弧线切弯过度。
(2)D1：算法中加入D1项后，可以使车模入弯时转向提前，出弯时转向减少，对大s弯切线很有好处。降低P系数而增加D1系数可以使车模在大s弯内切线的程度增加，在大半径弧线中的切线量减少。我们曾以一个很近的前瞻量，通过调节P系数和D1系数的比例，实现了大s弯直走。
(3)D2：算法中加入D2项后，会使弯道中的舵角普遍增加，对大S弯切线有一定好处，但大半径弧线也容易切弯过度。若采用较大的D2项系数配合较小的P项系数，车模在直线时的沿线能力会下降，而弯道中的舵角会过大。
(4)通过对智能车的仿真和实践测试，整个系统的方案是完全可行的，系统的控制策略和软硬件基本合理。运用灰度阈值自适应调整，获得准确的路径图像信息。
如图所示，根据PID调节，进行最优化控制，进行系统模拟，可以迅速克服干扰波动，跟踪外界信号的控制，从而实现智能车的准确速度控制。在智能车的实际运行过程中，根据路径的需要，调节速度。因此本设计思路可以较好的满足一般的速度要求，跟踪性能和稳定性能得到大幅度提高。对PID参数选择方面，实现最优化配合。
参考文献：
[1]卓青，黄开胜，邵贝贝．学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯
[M]．北京：北京航空航天出版社,2007：l-2．
[2]齐永利，鲁云峰，刘鸣．LM2907频率／电压转换器原理及应用
[J]．国外电子元器件,2005,5．
[3]刘淑英，蔡胜乐，王文辉．电路与电子学(第二版)[M]．北京：电
子工业出版社,2003．
[4]邵贝贝．单片机嵌入式应用的在线开发方法[M]．北京：清华
大学出版社,2004．
[5]俞斯乐，侯正信，冯启明，等．电视原理(第5版)[M]．北京：国防
工业出版社,2004．
[6]谭浩强．C语言程序设计(第二版)[M]．北京：清华大学出版
社,2003．
[7]MOTOROLA．MC68HC912DGl28 Advance Information
[M],2000．
[8]蔡萍，赵辉．现代检测技术与系统[M]．北京：高等教育出版社，
2005．
[9]张国范，顾树生，王明顺．计算机控制系统[M]．北京：冶金工业
出版社,2004．
[10]刘金琨．先进PID控制MATLAB仿真[M]．北京：电子工业
出版社,2004．
关键词：直流电机速度控制
电压控制PWM斩波PID算法调节
中图分类号：TM3
文献标识码：A
文章编号：1007-3973(2011)010-029-02
1、引言
1.1 PID概述
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。P1D控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
1.2 PID参数作用
1.2.1比例(P)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)。
1.2.2积分(I)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)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
1.2.3微分(D)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(dclay)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。
2、直流电机特性介绍
2.1电机速度三中控制策略
在分析模糊控制和PID控制结合方式的基础上，设计一个二维模糊PID控制算法，该算法根据误差信号是否达到阈值来决定何时在模糊控制与PID控制之间切换．
．
(1)对直流电机的调速主要是依靠提高线圈的电流，也可以提高电压来提速．但很容易烧毁电动机。
(2)使用直流调速器控制调整转速。
(3)基于模糊PID的直流力矩电机转速控制。
2.2直流电机在智能车的控制思路
根据路径识别的情况，如果当前路径为直道，则需要加速；若是弯道，则需要降速，而且根据不同的弯道速度也是有所区别，这个区别体现在速度设定上。我们根据iend、舵机转角、bulb等多个变量的大小来确定速度设定的策略。实际的车速还需要闭环控制，用PID算法来实现稳定、准确、快速地跟随速度设定。下面介绍速度的控制算法。
系统利用测速模块反馈的当前速度值，和设定速度值来选择不同的P参数来进行调节，从而控制直流电机对当前路径进行快速反应，利用I的作用使得消除静差，加入D使得速度更加稳定。
本系统采用的是数字PID控制，通过每一控制周期读入脉冲数来间接测得小车当前转速vi FeedBack，将vi Feed．Back与模糊推理得到的小车期望速度vi－Ref比较，既而算得速度偏差error，再通过调用PID函数来获得速度的控制。
考虑到CMOS方案的控制周期较长，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调速控制中适当加入Bang-Bang控制：根据er-ror的大小，如果正大，则正转给全额占空比；如果负大，则自由停车或给一个反转的PWM，否则就采用PID来计算所需的占空比。
3、MC9S12XSl28B实现PWM斩波控制电压
3.1脉冲宽度调制(PWM)
一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
3.2程序代码
本系统利用开发工具CodeWarrior进行编程开发，用BDM进行程序下载，利用串口传输的数据进行在线调试。这些工具的使用，使得软件的设计编程和调试工作得到了保证。
3.2.1 PD结构体typedef struct PID
／定义结构体{
INTl6S vi Re￡
／速度PID，速度设定值
INTl6S vi_FeedBack；
／速度PID，速度反馈值
INTl6S vi PreError；
／速度PID，速度误差,vi_Ref
-vLFeedBack
INTl6S vi PreDerror；
／／速度PID．前一次，速度误差
之差，d error-PreDerror；
INTl6S v_Kp；
／／比例系数，Kp=Kp
INTl6SvKi；
／／积分系数，Ki=Kp*(T／T)
INTl6S v_Kd；
／／微分系数，Kd=KP*Td*T
INTl6S vl_PreU；
／／PID输出值 )PID；
3.2.2 PID函数计算
Function Name：PIDCaculate
Description：
Inputs：
None
Outputs：
None
NOTES：
INTl6S PIDCaculate(PID*pp)
／／PID函数
{
INTI 6S crror,d_error,dd_error；
error=pp->vi_Ref-pp->vi_FeedBack；／／偏差计算(积分)
a_error=error-pp->vi_PreError；
／／偏差计算(比例)
dd_error=d_error-pp->vi_PreDerror；／偏差计算(微分)
pp->vi_PreError=error；
俯储当前偏差
pp->vi_PreDerror=a_error；
if((error
{
else
{
pp->vl_PreU＋=(pp->v_Kp*d_error+PP->v_Ki*error十pp->v_Kd*dd_erro)；／／PID计算式，更改系数以获得理想的输出
}
if(pp->vl_PreU>=W_MAX)，／／速度PID，防止调节最高溢出
{
pp->vl_PreU=VV_MAX；
)
elseif(pp->vl_PreU<=VV_MIN)，／／速度PID，防止调节最低溢出
{
pp->vl_PreU=VV_MIN；
}
return(pp->vl_PreU)；／／PID返回值(电机PWM波高电平时间)，更改系数以获得理想的输出
｝
4、结论
(1)P：增加P项系数可以最强车模的沿线能力，并且可以使车模的转向提前，实现切弯效果，但在大s弯中切弯不明显，过小S弯时舵角会抖，若P系数太大，也会导致大半径弧线切弯过度。
(2)D1：算法中加入D1项后，可以使车模入弯时转向提前，出弯时转向减少，对大s弯切线很有好处。降低P系数而增加D1系数可以使车模在大s弯内切线的程度增加，在大半径弧线中的切线量减少。我们曾以一个很近的前瞻量，通过调节P系数和D1系数的比例，实现了大s弯直走。
(3)D2：算法中加入D2项后，会使弯道中的舵角普遍增加，对大S弯切线有一定好处，但大半径弧线也容易切弯过度。若采用较大的D2项系数配合较小的P项系数，车模在直线时的沿线能力会下降，而弯道中的舵角会过大。
(4)通过对智能车的仿真和实践测试，整个系统的方案是完全可行的，系统的控制策略和软硬件基本合理。运用灰度阈值自适应调整，获得准确的路径图像信息。
如图所示，根据PID调节，进行最优化控制，进行系统模拟，可以迅速克服干扰波动，跟踪外界信号的控制，从而实现智能车的准确速度控制。在智能车的实际运行过程中，根据路径的需要，调节速度。因此本设计思路可以较好的满足一般的速度要求，跟踪性能和稳定性能得到大幅度提高。对PID参数选择方面，实现最优化配合。
参考文献：
[1]卓青，黄开胜，邵贝贝．学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯
[M]．北京：北京航空航天出版社,2007：l-2．
[2]齐永利，鲁云峰，刘鸣．LM2907频率／电压转换器原理及应用
[J]．国外电子元器件,2005,5．
[3]刘淑英，蔡胜乐，王文辉．电路与电子学(第二版)[M]．北京：电
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[4]邵贝贝．单片机嵌入式应用的在线开发方法[M]．北京：清华
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[5]俞斯乐，侯正信，冯启明，等．电视原理(第5版)[M]．北京：国防
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[6]谭浩强．C语言程序设计(第二版)[M]．北京：清华大学出版
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[7]MOTOROLA．MC68HC912DGl28 Advance Information
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[8]蔡萍，赵辉．现代检测技术与系统[M]．北京：高等教育出版社，
2005．
[9]张国范，顾树生，王明顺．计算机控制系统[M]．北京：冶金工业
出版社,2004．
[10]刘金琨．先进PID控制MATLAB仿真[M]．北京：电子工业
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