基于增量型积分分离式PID的机场无人驾驶拖头车速度控制方法

摘要

本发明涉及一种基于增量型积分分离式PID的机场无人驾驶拖头车速度控制方法，其解决了现有机场用拖头车速度控制难度较大，速度控制精度低的技术问题，其将经典PID算法进行优化，减少超调及震荡，并增加刹车控制PID旁路，在增量型积分分离式PID算法的基础上完成速度的闭环控制，将速度的超调量控制在1km/h以内，完全满足车路协同系统对速度控制精度的技术要求。

说明书

技术领域

本发明涉及空港地面服务设备技术领域，具体而言，涉及一种基于增量型积分分离式PID的机场无人驾驶拖头车速度控制方法。

背景技术

用于机场的拖头车是重要的机场特种设备，无人驾驶技术在5G网络覆盖应用的背景下飞速发展，用于机场的拖头车正在向无人驾驶方向发展。用于机场的拖头车具有自重大、载荷大，行驶惯性大，电机无负扭矩输出、液压式刹车等特点，造成速度控制难度较大，速度控制的精度低。

发明内容

本发明就是要解决现有机场用拖头车速度控制难度较大，速度控制精度低的技术问题，提供一种基于增量型积分分离式PID的机场无人驾驶拖头车速度控制方法。

本发明通过基于增量型积分分离式PID算法的闭环控制系统实现对速度的精准控制。

本发明提供的基于增量型积分分离式PID的机场无人驾驶拖头车速度控制方法，包括以下步骤：

无人驾驶控制器VCU发送目标速度值给MCU单片机；

车辆信息采集模块将采集到的拖头车实际行驶速度发送给MCU单片机；

MCU单片机通过以下增量型积分分离式PID模型输出控制量：

ΔU(k)＝K

该公式中，

当目标速度小于当前实际速速时，MCU单片机通过以下刹车PID模型输出控制量：

ΔU

MCU单片机通过CAN总线发送控制信号给电机控制器、刹车控制模块。

本发明的有益效果是，实现了机场无人驾驶拖头车的速度精准控制。基于增量型积分分离式PID算法的基础上，增加刹车控制旁路，协同完成对机场无人驾驶拖头车的速度闭环控制，将速度的超调量控制在1km/h以内，完全满足车路协同系统对速度控制精度的技术要求

本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是本发明控制系统的原理框图；

图2是PID闭环控制原理图；

图3是带刹车PID旁路的PID闭环控制原理图；

图4是本发明基于增量型积分分离式PID的机场无人驾驶拖头车速度控制方法的流程图。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，无人驾驶控制器VCU可以发送目标速度值给MCU单片机，车辆信息采集模块可以采集拖头车实际行驶速度、车辆转向数据、刹车状态数据等数据。MCU单片机可以对数据进行计算处理，从而发送控制信号给电机控制器、刹车控制模块，电机控制器控制用于驱动拖头车行驶的带编码器的直流电机工作，刹车控制模块用于控制刹车执行机构工作。刹车执行机构通常设置有刹车片、液压比例阀、液压泵等。

参照附图2，PID速度闭环控制原理，通过不断输入目标设定值，经由PID控制器完成控制参数的输出，通过电机控制器、直流电机完成执行动作。最终实现速度稳定在设置值。

参考图3，算法为了适配机场无人驾驶拖头车，增加了刹车PID控制旁路，弥补执行机构减速控制的不足。

参考图4，机场无人驾驶拖头车中的车辆信息采集模块采集到车辆当前的速度，与无人驾驶控制器VCU发过来的目标速度做差值，通过阈值的大小来决定使用PID控制还是舍去积分量只使用PD控制。

本发明是经过反复对比各种类型的PID算法，并经过试验验证，最终决定使用积分分离的增量式PID算法。根据速度偏差的大小改变积分控制的权重，目的是实现PID算法的快速响应，又减小超调量。根据机场无人驾驶拖头车自重大、载荷重、惯性大的特点，增加了刹车PID旁路算法，弥补减速执行机构的不足。

本发明的构思是，先对相对直观的位置式PID算法进行分析。想要达到积分分离的目的，根据实际情况，设定一个阈值，当偏差大于阈值时，消除积分仅用PD控制；当偏差小于等于阈值时，引入积分采用PID控制，公式为：

公式(1)中，β称为积分开关系数，其取值范围为：

由上述表述及公式，我们可以知道，积分分离算法的效果其实与ε值的选取有莫大关系，所以ε值的选取实际上是算法实现的难点之一，ε值过大则达不到积分分离的效果，而ε值过小则难以进入积分区。

比如设定K

而对于经典的增量式PID算法，似乎没有办法由以上的公式推导而来，因为β随着err(k)的变化在不断修改着控制器的表达式。只有当设定值改变时，系统才会响应而开始调节，设定值的改变实际上是一个阶跃变化，此时的控制输出记为U

ΔU(k)＝K

该公式中，

β的取值与位置式PID算法一致。不必担心偏差来回变化，造成积分作用的频繁分离与引入，在开始时，由于设定值变化引起的偏差大而分离了积分作用，在接近设定值时，偏差变小就引入了积分，一边消除静差，而后处于稳态，直到下一次变化。

在实际调试过程中，由于无人驾驶拖头车自重大、负荷大以至于车辆行驶惯性较大的特点，以及直流电机没有负扭矩输出的现状，减速时只能依靠摩擦力做功，车辆很难在短时间内减到目标速度，也就是减速响应模型不符合PID控制模型，理论值计算结果满足不了减速响应执行，以至于减速时的超调量较高。

于是通过在PID控制器中增加了刹车PID控制旁路，输出不断变化的刹车力度值使得刹车执行机构动作适时介入到减速控制，提高减速响应速度。刹车力度值为0-5000的数值，液压比例阀的控制成线性关系，通过CAN线传送给PLC，由PLC完成液压比例阀的控制，比如输出2500就对应相当于刹车踏板一半的刹车效果。当目标速度低于当前速度1Km/h以上时，刹车PID介入，当前速度达到目标速度80％时，刹车值清零，同时撤出刹车PID控制。

刹车PID模型公式如下：

ΔU

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。