针对纯电动汽车自适应巡航控制系统（ACC）设计分析

2015-06-09钟文京南昌市工业技术研究院

科学中国人 2015年32期

钟文京南昌市工业技术研究院

钟文京
南昌市工业技术研究院

在国家战略方针的推动下，新能源汽车行业风生水起迅速发展，为了从整车系统控制角度综合解决车辆的安全、节能和环保问题,纯电动汽车由于具有节能环保的重要特点已经成为我国汽车行业发展的重要方向。自适应巡航控制系统是关于汽车性能的重要结构，有效提高整车安全性和降低驾驶强度，也是我国未来新能源汽车行业发展中应当重点突破的环节。

纯电动汽车；自适应巡航控制系统；设计

作为纯电动汽车的重要结构的自适应巡航系统（ACC）是生产厂商和消费者关注的重要内容，本文将从自适应巡航系统控制设计方案、安全距离测算法、速度控制测算法、记录控制测算法等四个方面对纯电动汽车自适应巡航控制系统设计和测算法进行分析。

一、系统控制设计方案

每个环节的控制设计是实现退出、工作、激活功能的保障，从实际驾车操作特点出发，以系统主要工作状态和基本功能实现要求为基础，科学制定任何情况下驾驶员控制车辆的主动干预计划，以主动干预优先、系统各状态间切换、驱动与制动控制设计为主要内容。

1、驾驶员主动干预优先。减轻驾驶员负担、增强安全性是汽车自适应巡航控制系统的主要功能。汽车优先控制权应当归属驾驶员所有，进而为行驶的安全性提供保障，当驾驶员在自适应巡航控制系统工作时操作制动踏板或加速踏板时，此时车辆应当推出自适应巡航控制系统，进而确保驾驶员随时控制车辆，当自适应巡航控制系统被驾驶员再次启动时，自动恢复系统，并完成记忆参数的清除后的重新设置。

2、系统各状态间切换。自适应巡航控制系统功能的实现以合理的系统状态间切换为基础，系统状态划分在不同的研究中略有不同，其中韩国亚洲大学将其划分为距离控制、速度控制、人员控制三个方面。北京理工大学则将自适应巡航控制系统划分为距离控制、速度控制、定速巡航三个部分[1]。在国际标准ISO22179的基础上，以自适应巡航控制系统的基本控制设计需求为依据，将定速巡航模式和自适应巡航模式作为自适应巡航控制系统的两种模式分类，依据驾驶员设置的巡航车速、间隔间距、安全距离、ACC车辆实际车速、雷达探测的相对速度、相对距离、驾驶员开关信号等条件，依据制定好的控制逻辑测算法对期望车速和期望加速度进行判定。当两车相对速度不大于零且满足目标车辆在雷达有效探测范围要求时，自适应巡航模式自动取代系统定速巡航模式；当两车距离大于雷达的有效探测范围使用定速巡航模式自动取代自适应巡航模式；当驾驶员主动干预或系统开关发出关闭信号的条件下会自动退出任何一种模式[2]。

3、驱动与制动控制。一般来说制动和驱动切换过于频繁会降低车辆的经济性和执行器的使用寿命，可见性能优越的车辆需要合理的制动、驱动切换。避免驱动与制动同时作用引起的系统不稳定或发生震荡应当是制定驱动与制动控制切换的主要目的，具体切换方式包括：在主要切换为期望制动压力大于零的情况，期望制动压力为切换方式输出；在期望制动压力小于零的情况下，期望驱动转矩为切换方式输出。以制动控制优先原则进行制动与驱动切换方式的设计来保障安全距离。

二、安全距离测算法

计算安全距离是每个自适应巡航控制系统设计的第一个环节，必须考虑到驾驶员接受度、道路利用率、交通流和车队稳定性、汽车行驶安全性等环节。通常情况下，在系统设置安全距离过小的情况下虽然能够实现增大交通流量、提高道路利用率，但驾驶员主动控制或制动系统作用的时间过短，极易发生道路安全事故。当汽车行驶的安全性在系统设置安全距离过大的情况下能够得到保证，但会降低道路利用率，影响出行效率。由此可见合理的安全距离算法很大程度上决定了自适应巡航控制系统的设计成效[3]。

通常情况下固定安全距离和可变安全距离是安全距离测算法的两个分类。固定安全距离为与本车速度和道路环境无关在行驶过程中安全距离适中保持不变，这种易于实现的测算法通常达不到实际情况要求。可变安全距离设计以车间时距为基础，通常包括两种可变车间时距和固定车间时距。可变车间时距计算是以车间时距th根据汽车行驶环境的改变而改变为基础，这种测算法更加符合实际情况。车间时距与车速在可变车间时距计算中成正比：

式中，th1th2是常数，并且都大于0.根据上式可知，在车速增加的情况下车间时距也会相应的增加，实践中汽车车速应当控制在设计最高车速以内Vmax，所以车间距应当符合以下要求：

将相对速度的影响考虑到车间时距的计算中，车间时距通过一个上限为1下线为0的饱和函数进行描述

式中，饱和函数为sat，th0ch是常数且都大于0，两车相对速度为vr。

该算法获得的安全距离不仅满足要求，而且误差较小。

三、速度控制测算法

汽车的实际车速趋于期望车速是速度控制测算法所要实现的主要功能，跟随模式和定速模式是期望车速的两种模式，在定速模式下驾驶员设定的巡航速度是期望车速；前方目标车辆速度是跟随模式下期望车速。速度控制算法依据以下原理实现：输入和输出分别为实际车速和期望车速之差、电气期望驱动转矩，将期望驱动转矩输入开关磁阻电机直接转矩控制模块，这样就能够实现最大限度降低汽车速度与期望车速的差距[4]。

1、运用PID控制原理。比例、积分、微分调节期望值与反馈值的差值后，利用得到控制量控制被控制对象是PID控制的基本原理。

KP、Ti、TD分别为比例控制系数、积分时间常数、微分时间常数，这三个参数在PID校正环节的作用是：首先，KP比例控制系数：比例控制环节的校正控制量为期望值与实际反馈值的差值和比例控制系数相乘的结果。在实际反馈值与期望值不一致的条件下比例控制系数会使系统向着成正比减小误差的方向发展，控制系数KP大小决定了误差减小趋势[5]。其次，Ti积分时间常数：消除过去一段时间系统产生的静差进而提升系统的无差度和准确度是该常数的主要作用。积分控制环节作用随着积分时间常数的增加而增加。再次,TD微分时间常数：利用微分时间常数TD乘以微分控制环节中期望值与实际反馈之差求的阶导数，并用该结果对误差变化趋势进行反应。在该常数增大的情况下，系统输出地结构相应速度随之提升[6]。

2、速度控制测算法设计。PID只有经过离散化处理才能通过计算机实现控制。经过离散化处理后产生数字式PID，其中增量式PID和位置式PID是根据输出控制量划分。离散化处理PID可以通过以下公式表示

式中，T、K、e分别为采样周期、采样序号、第j次采样时期望值与实际反馈值的差值。满足在定速模式、跟随模式下速度控制需要和模式切换控制平稳性需求是速度控制算法的两项基本要求。PID控制的实现应当增加积分环节[7]。

四、记录控制测算法

定速巡航系统是传统的自适应巡航系统的基础，但存在一定的缺陷，使得其适用范围仅限于市郊或高速中高于40km/h的工况。随着人们对汽车性能要求的提升，具有走—停功能的自适应控制系统被开发出来，这不仅使上述系统的存在问题得到解决具备了低速跟随能力，还能够在交通拥挤的城市工况中运行，使得系统适用范围大幅度增加。速度控制和距离控制是自适应巡航控制系统实现安全功能的条件。实践中主要有两种算法一种是模糊控制原理算法和距离控制原理算法[8]。其中模糊控制是指，在选择合理的隶属函数、定义域模糊输入数字量的基础上，让计算机识别经过转化的语言进行模糊处理，通过将结果去模糊化获得精准的数字量，运用该方法的适用性和通用性较强[9]。