畢厚煌 安宗權(quán) 汪新偉 郭文舉

汽車自適應(yīng)巡航行駛系統(tǒng)控制過程的研究

畢厚煌 安宗權(quán) 汪新偉 郭文舉

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖，241006）

汽車行駛控制系統(tǒng)為典型反饋控制類型，其主要作用是控制車輛行駛速度。通過對比汽車當(dāng)前行駛速度與預(yù)定目標(biāo)速度，計算二者之間差值信號來控制車輛輸出匹配動力，將行駛速度穩(wěn)定在目標(biāo)速度值附近。行駛控制系統(tǒng)包含位置變換器、行駛控制器、動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大模塊。作為整個控制系統(tǒng)核心部件，行駛控制器模塊包含典型PID閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)。在模塊的主要參數(shù)確定之后，重點研究積分環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的影響。通過在MATLAB/ Simulink中建立車輛行駛控制系統(tǒng)模型框圖，對比計算輸出結(jié)果，確定選取合適積分增益值。由此，系統(tǒng)趨向穩(wěn)態(tài)的時間縮短，同時大大降低超調(diào)量，進(jìn)一步優(yōu)化行駛系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)過程。

行駛控制；閉環(huán)反饋；積分增益；優(yōu)化控制。

引言

隨著用戶對汽車駕駛安全及舒適性要求提高，汽車巡航控制系統(tǒng)優(yōu)化成為汽車發(fā)展重要方向之一[1]。汽車配備ACC（自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)）即可實現(xiàn)對車速的實時控制,車輛正常行駛時，遇到行駛路線前方有其它速度慢于自己車輛，ACC通過雷達(dá)測距和傳感器讀取車速，對比目標(biāo)速度控制適當(dāng)減速。如前方無阻礙車輛，ACC將控制車速始終維持在初始速度設(shè)定值附近。該操作系統(tǒng)優(yōu)點在于沒有駕駛員的干預(yù)下實現(xiàn)智能控制車速的增減[2]。整個系統(tǒng)控制的核心為車輛自動判斷所處路況環(huán)境，對實時速度進(jìn)行測定，并與目標(biāo)速度對比計算輸出速度控制信號。MATLAB/Simulink工具箱軟件能夠?qū)⑿枰治龅南到y(tǒng)模塊化，實現(xiàn)對動態(tài)系統(tǒng)建模求解計算和輸出結(jié)果到指定位置。通過在Simulink工具箱中選擇對應(yīng)的模塊，構(gòu)建系統(tǒng)各個控制環(huán)節(jié)，在設(shè)定分析系統(tǒng)模塊主要參數(shù)之后，進(jìn)行求解計算得到結(jié)果數(shù)據(jù)能夠保存為多種格式，并且與其他軟件可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。該種建模方式將復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型簡化為對應(yīng)模塊，大大簡化了編程過程，為控制系統(tǒng)的過程分析提供了便利。

1. 汽車自適應(yīng)巡航控制過程

1.1 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)工作原理

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)巡航控制基礎(chǔ)上，構(gòu)建的一套完整智能化駕駛輔助系統(tǒng)。如下圖1所示，其包括信息測量單元、運算控制單元、動力執(zhí)行單元、控制交互平臺四個組成部分。

圖1 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

汽車巡航控制系統(tǒng)包含定速巡航包含速度校正過程，其中巡航控制器采用速度差值信號（初始設(shè)定巡航車速V與車輛實際行駛速度V之差）作為控制系統(tǒng)輸入量，系統(tǒng)的輸出量為節(jié)氣門開度位置調(diào)整量[3]。巡航控制系統(tǒng)工作時，各個信息測量單元測量外界實時路況信息和車輛行駛數(shù)據(jù)，并最終傳向ECU單元。與目標(biāo)速度比對之后，計算出控制量來調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度。通過速度操縱機(jī)構(gòu)，不斷對車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，最終將車速穩(wěn)定在初始設(shè)定數(shù)值附近，實現(xiàn)自動駕駛調(diào)速的目的[4]。

1.2 汽車行駛控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與PID控制

1.2.1行駛控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)包含汽車動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)、速度操縱機(jī)構(gòu)的位置變換器、行駛控制器三大部分[5]。汽車動力機(jī)構(gòu)的作用是在牽引力的作用下改變車輛行駛速度，使其達(dá)到設(shè)定值。牽引力和速度之間對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型關(guān)系如下：

式（1）中為汽車行駛速度，為汽車輸出的牽引力。根據(jù)某車型的主要參數(shù)，m為汽車質(zhì)量；b為行駛阻力因子。

位置變換器是行駛控制系統(tǒng)的輸入部分，其作用是將速度操縱機(jī)構(gòu)的位置轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的速度，二者對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型關(guān)系如下：

式（2）中為速度操縱機(jī)構(gòu)的位置，為與之對應(yīng)的速度。

行駛控制器作為整個汽車駕駛控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其作用是根據(jù)汽車當(dāng)前速度與指定速度的差值，產(chǎn)生對應(yīng)的牽引力?？刂破靼琍ID調(diào)節(jié)，其相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型關(guān)系如下：

式（3）中為系統(tǒng)中狀態(tài)變量，x(n)為系統(tǒng)輸入，為積分環(huán)節(jié)參數(shù)，為系統(tǒng)輸出。KKK分別對應(yīng)為PID控制器的比例、積分與微分的控制參數(shù)[6]。PID參數(shù)整定分為理論計算和工程整定兩種類型。實際工程整定中又分為臨界比例法、衰減曲線法、Ziegler -Nichols整定法。通過以上方法對PID參數(shù)整定后，優(yōu)化了行駛控制器的信號輸出。

1.2.2 PID控制過程

PID控制算法簡單、可靠且易于操作，因此汽車巡航系統(tǒng)控制多采用PID控制[7-8]。典型的PID控制由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)三個部分組成。計算過程為將輸出結(jié)果與目標(biāo)設(shè)定值比較，二者有偏差時，由反饋環(huán)節(jié)將信號傳遞至PID中調(diào)整后再次輸出數(shù)據(jù)結(jié)果。差值信號經(jīng)過PID運算調(diào)整輸出被控對象值，PID控制輸出信號表達(dá)如下：

對應(yīng)的傳遞函數(shù)表達(dá)形式如下：

式（4）、（5）中比例系數(shù)K改變系統(tǒng)的增益，但不影響傳遞相位；T為積分時間常數(shù)；T為微分時間常數(shù)，其數(shù)值變化反應(yīng)控制系統(tǒng)誤差變化率。

2. 行駛控制系統(tǒng)建模與計算分析

2.1 構(gòu)建汽車行駛控制系統(tǒng)模塊

根據(jù)汽車行駛控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在Simulink工具箱中選擇與汽車動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位置變化器、PID控制器相應(yīng)系統(tǒng)模塊，建立完整的行駛控制系統(tǒng)模塊框圖如下所示：

圖2 汽車行駛控制系統(tǒng)模型框圖

2.2系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置與計算

根據(jù)研究樣車測量數(shù)據(jù)和實際工況，整車質(zhì)量m為1575 kg，車輛行駛阻力因子b取值為25。位置變換器中Slider Gain滑動模塊初始值取0.5（對應(yīng)理論計算目標(biāo)速度為V=57.5 km/h），其最小值取0，最大值取1。其他模塊參數(shù)依次設(shè)置。在PID控制器的比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)系數(shù)取定值后，定義sim函數(shù)控制積分增益參數(shù)變量逐步遞增，當(dāng)K取值大于0.015時超調(diào)十分明顯，故定義K變化范圍為0.001～0.015，設(shè)定仿真時間為1500s并進(jìn)行求解。根據(jù)車輛行駛系統(tǒng)速度輸出趨于穩(wěn)態(tài)的趨勢，選取關(guān)鍵節(jié)點數(shù)值結(jié)果繪制速度曲線如下：

（a）KI 取值0.001和0.003 （b）KI 取值0.005和0.007

（c）KI 取值0.009和0.011 （d）KI 取值0.013和0.015

圖3 汽車行駛控制系統(tǒng)實際速度輸出曲線對比

從圖3中可以看出積分增益取值的變化對汽車行駛控制系統(tǒng)具有很大影響，對比圖中仿真計算速度輸出曲線，數(shù)據(jù)表明在K= 0.003時系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的所需時間最短，最終速度輸出目標(biāo)速度V附近，當(dāng)K> 0.007時，系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。速度輸出值隨著取值增大而不斷增大，差值也逐漸擴(kuò)大，因此選擇合適積分增益參數(shù)十分重要。

3. 總結(jié)

根據(jù)汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)工作原理與控制過程，結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/ Simulink建立系統(tǒng)模型框圖。利用sim函數(shù)控制研究分析積分增益參數(shù)變量K對控制系統(tǒng)的影響。對比模型計算求解得到的曲線，找出系統(tǒng)最短時間趨于穩(wěn)態(tài)時的合適取值，使得行駛控制器的速度控制能夠?qū)崟r響應(yīng)，避免系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，達(dá)到設(shè)定目標(biāo)預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)，為優(yōu)化自適應(yīng)巡航控制過程提供參考。

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Research on Control Process of Vehicle Adaptive Cruise Traveling System

BI Hou-huang & AN Zong-quan & WANG Xin-wei & GUO Wen-ju

The vehicle driving control system is a typical type of feedback control, whose main function is to control vehicle driving speed. By comparing the D-value between current drivinging speed and the predetermined target speed as well as controlling outputting matching power for vehicle through calculating the difference between two signals, the driving speed was stabilized near the target speed. The driving control system consists of position converter, driving controller and power actuator. As the core component in whole control system, the driving controller module contains a typical PID closed-loop feedback control link. After determining the main parameters of modules, emphasis was focused on the influence of the integrator on the control system. By establishing the model block diagram of vehicle driving control system in MATLAB/Simulink, Comparing the calculated output results, the appropriate integral gain was determined. Hence the time during w3hich system tends to be steady is shortened, meanwhile the overshoot was dramatically reduced, and the control and regulation of the driving system is further optimized.

driving control; closed-loop feedback; integral gain; optimal control.

U270.2

A

1009-1114（2019）02-0016-04

2019-03-05

畢厚煌（1988—）,安徽安慶人,碩士,蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教,研究方向為數(shù)字化設(shè)計與仿真計算。

研究項目：蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院2019年度校級科研項目（“通風(fēng)盤式汽車制動機(jī)構(gòu)剎車過程影響因素及多場耦合分析”，編號：Wzyzr201917)）；安徽省級教研項目（“交通運輸實習(xí)實訓(xùn)中心”）。

文稿責(zé)編 婁潔