劉逸群，張利新，鄭志敏，孫 煒，明杰婷

(中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007)

定速巡航系統(tǒng)(CCS)是指在一定的車速范圍內(nèi)，駕駛員不用控制加速踏板而能夠使汽車保持設(shè)定速度行駛的控制系統(tǒng)。定速巡航系統(tǒng)有效地減輕了駕駛疲勞，提高了駕駛的便利性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性。由于純電動(dòng)客車由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)控制的穩(wěn)定性和精度要求更高，而傳統(tǒng)PID控制算法需要一定的標(biāo)定工作，且控制精度相對(duì)較低，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，無法有效地滿足純電動(dòng)客車CCS的控制需求。

本文通過對(duì)純電動(dòng)客車定速巡航控制原理的研究，設(shè)計(jì)一種基于雙閉環(huán)控制策略的定速巡航系統(tǒng)，并通過搭建的Cruise/Simulink純電動(dòng)客車聯(lián)合仿真平臺(tái)和實(shí)車工況驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性。

1 雙閉環(huán)定速巡航控制系統(tǒng)

1.1 雙閉環(huán)定速巡航控制系統(tǒng)組成

雙閉環(huán)定速巡航控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要由外部輸入、巡航控制策略和MCU控制組成。外部輸入包括巡航設(shè)定車速、加速信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)、實(shí)際車速、實(shí)際加速度。巡航控制策略采用由速度轉(zhuǎn)化環(huán)和速度調(diào)節(jié)環(huán)組成的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中速度轉(zhuǎn)化環(huán)將速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為加速度信號(hào)，速度調(diào)節(jié)環(huán)將加速度信號(hào)調(diào)節(jié)為扭矩信號(hào)。MCU控制根據(jù)巡航控制策略算出的車輛需求扭矩控制電機(jī)的巡航扭矩，進(jìn)而控制車速。該雙閉環(huán)中的速度轉(zhuǎn)化環(huán)可以有效提升汽車巡航控制的反應(yīng)速度，速度調(diào)節(jié)環(huán)能夠調(diào)節(jié)速度變化率，使得輸出扭矩更為快速、準(zhǔn)確地接近穩(wěn)定值，從而快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)巡航車速。

圖1 雙閉環(huán)定速巡航控制系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 雙閉環(huán)控制策略設(shè)計(jì)

1.2.1 傳統(tǒng)單環(huán)控制策略

定速巡航的傳統(tǒng)單環(huán)控制策略如圖2所示，由單一的速度偏差作為輸入，輸出為踏板開度，根據(jù)踏板開度和驅(qū)動(dòng)扭矩的關(guān)系，通過大量的標(biāo)定得到被控車輛的經(jīng)驗(yàn)扭矩。汽車在巡航過程中具有時(shí)變非線性特性，其力(力矩)平衡方程中包含有速度和加速度兩個(gè)運(yùn)動(dòng)特性。單一的速度變化與車輛控制扭矩并不成線性關(guān)系。因此，傳統(tǒng)單環(huán)控制對(duì)于復(fù)雜工況下的巡航控制存在缺陷：當(dāng)車速不斷變化時(shí)，PID 控制器中的積分控制環(huán)節(jié)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至導(dǎo)致產(chǎn)生較大的扭矩震蕩，從而無法滿足對(duì)巡航扭矩控制的要求。

圖2 傳統(tǒng)單環(huán)控制策略

1.2.2 雙閉環(huán)控制策略總體方案

為了應(yīng)對(duì)汽車在巡航過程中的時(shí)變非線性問題，本文設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)PID控制策略，同時(shí)考慮速度和加速度兩個(gè)因素的影響，以更為準(zhǔn)確地描述車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更靈敏的定速巡航控制。策略方案如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)PID控制策略方案

速度偏差經(jīng)過速度轉(zhuǎn)化環(huán)輸出的不再是踏板開度，而是速度PID控制器輸出的與扭矩強(qiáng)相關(guān)的加速度補(bǔ)償值,同時(shí)通過設(shè)計(jì)速度不滿度因子對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算的目標(biāo)加速度進(jìn)行調(diào)節(jié)與修正計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)設(shè)定車速的目標(biāo)加速度。速度轉(zhuǎn)化環(huán)輸出的加速偏差作為速度調(diào)節(jié)環(huán)中加速度PID控制器的前饋輸入，得到扭矩補(bǔ)償，同時(shí)速度調(diào)節(jié)環(huán)根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和目標(biāo)加速度值計(jì)算車輛的目標(biāo)扭矩，通過將轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩融合，使車輛所獲得的控制扭矩更為準(zhǔn)確。傳統(tǒng)的單環(huán)控制策略需要根據(jù)踏板開度與扭矩的線性關(guān)系去標(biāo)定，該雙閉環(huán)策略減少了大量標(biāo)定工作。兩個(gè)環(huán)組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，有效地避免了單環(huán)PID控制產(chǎn)生較大超調(diào)量的缺陷，從而確保被控車輛巡航速度的穩(wěn)定性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

1.2.3 速度轉(zhuǎn)化環(huán)控制策略設(shè)計(jì)

速度轉(zhuǎn)化環(huán)控制策略設(shè)計(jì)主要有兩部分。

1)速度PID控制器策略設(shè)計(jì)。速度PID控制器采用PI控制，其輸入為目標(biāo)車速與實(shí)際速度的一系列的速度偏差信號(hào)。

()=-()

(1)

速度偏差()的正負(fù)值決定輸出的加速度(補(bǔ)償)的正負(fù)值和計(jì)算的目標(biāo)加速度的正負(fù)值。

速度PID控制器關(guān)于加速度補(bǔ)償()的傳遞函數(shù)可以寫成

(2)

式中：為比例系數(shù)，適當(dāng)調(diào)大可以提高響應(yīng)速度,過大則會(huì)放大噪聲,且導(dǎo)致控制器輸出飽和,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；為積分系數(shù)。

由于CAN總線采集的數(shù)據(jù)是按周期進(jìn)行離散的，因此需要進(jìn)行時(shí)間間隔的離散化處理：

()=·()+

(3)

式中：()為速度PID控制器輸出的加速度(補(bǔ)償)值，為周期時(shí)間的間隔數(shù)。

2)目標(biāo)加速度計(jì)算。目標(biāo)加速度值為驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)時(shí)二者的綜合值，計(jì)算公式見式(4)。其中、為權(quán)重分配系數(shù)。

=+

(4)

① 若()≥0，則是正值的驅(qū)動(dòng)目標(biāo)加速度，此時(shí)、的計(jì)算公式見式(5)和式(6)。

···=

(5)

···=

(6)

式中：為當(dāng)前采樣時(shí)刻的驅(qū)動(dòng)加速度；為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大驅(qū)動(dòng)加速度；為整車質(zhì)量；為傳動(dòng)比；為主減速比；為滾動(dòng)半徑；為電機(jī)效率；為采樣時(shí)刻的電機(jī)扭矩；為當(dāng)前轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電機(jī)外特性最大扭矩。

② 若()<0，則是負(fù)值的制動(dòng)目標(biāo)減速度，此時(shí)、的計(jì)算公式見式(7)。

=-0177,=Δ

(7)

式中：Δ為當(dāng)前時(shí)刻速度與上一時(shí)刻速度的速度差；為重力加速度，取9.81 m/s。

為使計(jì)算的目標(biāo)加速度更為準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)速度不滿度因子來表征駕駛員對(duì)速度需求的滿意度。第個(gè)采樣點(diǎn)的當(dāng)前車速的速度不滿度因子()的表達(dá)式為

()=(-)

(8)

速度不滿度因子越大，駕駛員期望獲得的目標(biāo)加速度就越大。而=+，由于權(quán)重系數(shù)+=1，>，因此，為使得增大，此時(shí)應(yīng)提升的占比，即增大，而適當(dāng)減少的占比，即減小，從而調(diào)高的值。當(dāng)車速達(dá)到目標(biāo)車速后，()相應(yīng)清零。

1.2.4 速度調(diào)節(jié)環(huán)控制策略設(shè)計(jì)

速度調(diào)節(jié)環(huán)控制策略設(shè)計(jì)包括加速度PID控制器策略設(shè)計(jì)和目標(biāo)扭矩計(jì)算。

1)加速度PID控制器策略設(shè)計(jì)。采用PID控制，其輸入為速度轉(zhuǎn)化環(huán)輸出的加速度補(bǔ)償()、目標(biāo)加速度以及車輛運(yùn)行實(shí)際加速度三者的加速度偏差():

()=()+-()

(9)

因此，相應(yīng)扭矩補(bǔ)償()的函數(shù)可寫成

(10)

式中：、、分別為比例、積分、微分系數(shù)。

同樣，將()離散化為加速度PID控制器輸出的扭矩(補(bǔ)償)值()：

(11)

2)目標(biāo)扭矩計(jì)算。根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)方程，目標(biāo)扭矩有：

···=

·+··2115+··

被控車輛的總控制扭矩為

=()+

(12)

>0則車輛處于加速狀態(tài)；=0，則車輛處于定速巡航狀態(tài)；<0則車輛處于減速狀態(tài)。

2 聯(lián)合仿真分析與實(shí)車應(yīng)用

2.1 仿真模型建立

根據(jù)現(xiàn)有的一款10.5 m純電動(dòng)客車參數(shù)、電機(jī)參數(shù)、電池參數(shù)在Cruise中分別建立其模型，在Simulink中建立電機(jī)控制模型；再通過Cruise提供的外部接口連接Cruise整車模型和Simulink電機(jī)控制模型，建立起純電動(dòng)客車的聯(lián)合仿真模型，其架構(gòu)如圖4所示。

圖4 純電動(dòng)客車聯(lián)合仿真模型架構(gòu)

Cruise整車模型和Simulink模型的輸入輸出參數(shù)如圖5所示。

圖5 Cruise與Simulink交互參數(shù)

2.2 仿真對(duì)比分析

在Cruise軟件中建立路譜數(shù)據(jù)，設(shè)置采樣時(shí)間間隔為0.02 s，電機(jī)采用目標(biāo)扭矩控制模式，車輛半載，外部連接方式為Interface方式。在Simulink中進(jìn)行聯(lián)合仿真，并與傳統(tǒng)PID控制方式的仿真進(jìn)行對(duì)比，設(shè)置定速巡航速度為60 km/h，并與傳統(tǒng)PID控制方式進(jìn)行對(duì)比。自設(shè)路譜工況仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 自設(shè)路譜工況算法效果仿真圖

1)車輛在起步后40 s進(jìn)入車速為60 km/h的定速巡航模式。40～44 s為水平路面巡航路況，雙閉環(huán)控制策略的車速始終能夠保持穩(wěn)定；而傳統(tǒng)單環(huán)PID控制的車速控制誤差較大。

2)巡航車速逐步設(shè)定為40 km/h,增加8%的坡度設(shè)置。在58 s后進(jìn)入40 km/h定速巡航階段，雙閉環(huán)控制策略的車速能夠穩(wěn)定在40 km/h，實(shí)現(xiàn)速度的快速跟隨；而傳統(tǒng)單環(huán)PID控制的車速發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)車速穩(wěn)定功能。

3)77 s后，將巡航車速逐步設(shè)定為50 km/h,繼續(xù)保持8%的坡度設(shè)置。在84 s后進(jìn)入50 km/h定速巡航階段，雙閉環(huán)控制策略的車速穩(wěn)定在50 km/h，誤差?。欢鴤鹘y(tǒng)單環(huán)PID控制的車速誤差較大。

2.3 實(shí)車試驗(yàn)效果

試驗(yàn)樣車與仿真對(duì)象相同，采用雙閉環(huán)控制策略，道路為平直干燥路面，車輛半載。實(shí)車在42 s時(shí)啟動(dòng)了定速巡航模式，巡航車速從13 km/h通過手動(dòng)設(shè)置逐步增加到18 km/h，然后逐步減小到8 km/h，該過程中實(shí)際車速能夠迅速響應(yīng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)小段速度調(diào)節(jié)，實(shí)際速度呈梯度變化。設(shè)置在8 km/h、10 km/h、14 km/h的定速巡航保持階段，實(shí)際速度跟隨設(shè)定變化，誤差小，能夠?qū)崿F(xiàn)車速的準(zhǔn)確跟隨和快速穩(wěn)定。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)車試驗(yàn)工況

3 結(jié)束語

針對(duì)純電動(dòng)客車扭矩控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種由速度轉(zhuǎn)化環(huán)和速度調(diào)節(jié)環(huán)組成的雙閉環(huán)控制策略的定速巡航控制系統(tǒng)。通過Cruise/Simulink聯(lián)合仿真和實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)單環(huán)PID巡航系統(tǒng)，該雙閉環(huán)定速巡航控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的適應(yīng)能力及較高的控制精度。