圖3 微分先行PID控制結構圖
3 前饋控制的應用
由于智能車的跑道寬度有限制，所以在經過急轉彎的時候，如果速度和方向控制不及時，智能車就可能沖出跑道。由于前饋控制是開環(huán)控制，所以前饋控制的響應速度很快。將前饋控制引入到智能車的控制中，能夠提高舵機和伺服電機的反應速度，改善智能車系統(tǒng)的動態(tài)性能。
3.1 智能車控制系統(tǒng)結構
智能車的控制主要體現在兩個方面：一方面是方向的控制，也就是對舵機的控制；另一方面是對速度的控制，也就是對伺服電機的控制。舵機的數學模型較為簡單，具有很好的線性特征，只采用前饋控制；智能車的速度控制相對復雜一些，速度模型無法準確建立，采用前饋-改進PID算法進行控制。智能車的控制系統(tǒng)結構如圖4所示。
圖4中， 和 分別是舵機和伺服電機數學模型。從圖中可以看出，智能車的方向控制和速度控制是相互獨立的，而且它們都是由路線偏差決定的。舵機轉角與路線偏差之間的對應關系是根據舵機的數學模型得到的，在速度控制回路中，既包括反饋回路，又包括前饋環(huán)節(jié)，伺服電機的控制量是在前饋補償基礎上，再由增量式PID算法計算得到。

圖4 智能車的控制系統(tǒng)結構
3.2 在方向控制中的應用
智能車對方向的控制有兩點要求：在直道上，方向保持穩(wěn)定；在轉彎處，需要方向變化準確而且迅速。只有這樣，才能保證智能車在跑道上高速、穩(wěn)定地運行。為了提高方向控制的魯棒性，本文還對路線偏差進行了模糊化處理。圖5是智能車方向模糊前饋控制的結構圖，圖中和分別是直道和彎道兩種情況下的前饋控制函數。

圖5 智能車方向控制系統(tǒng)結構圖
3.3 在速度控制中的應用
為了使智能車在直道上以較快速度運行，在轉彎時，防止智能車沖出跑道，則必須將智能車的速度降低，這就要求智能車的速度控制系統(tǒng)具有很好的加減速性能。當智能車經過連續(xù)轉彎的跑道時，路線偏差的頻繁變化會造成速度設定的頻繁變化，這會引起速度控制系統(tǒng)的振蕩，并且微分環(huán)節(jié)對誤差突變干擾很敏感，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了解決上述存在的問題，本文對數字PID算法進行了改進，將不完全微分和微分先行引入到PID算法中，大大改善了速度控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖6 智能車速度控制系統(tǒng)結構圖