汽车自适应巡航行驶系统控制过程的研究

毕厚煌 安宗权 汪新伟 郭文举

汽车自适应巡航行驶系统控制过程的研究

毕厚煌 安宗权 汪新伟 郭文举

（芜湖职业技术学院汽车工程学院，安徽芜湖，241006）

汽车行驶控制系统为典型反馈控制类型，其主要作用是控制车辆行驶速度。通过对比汽车当前行驶速度与预定目标速度，计算二者之间差值信号来控制车辆输出匹配动力，将行驶速度稳定在目标速度值附近。行驶控制系统包含位置变换器、行驶控制器、动力执行机构三大模块。作为整个控制系统核心部件，行驶控制器模块包含典型PID闭环反馈控制环节。在模块的主要参数确定之后，重点研究积分环节对控制系统的影响。通过在MATLAB/ Simulink中建立车辆行驶控制系统模型框图，对比计算输出结果，确定选取合适积分增益值。由此，系统趋向稳态的时间缩短，同时大大降低超调量，进一步优化行驶系统的控制调节过程。

行驶控制；闭环反馈；积分增益；优化控制。

引言

随着用户对汽车驾驶安全及舒适性要求提高，汽车巡航控制系统优化成为汽车发展重要方向之一[1]。汽车配备ACC（自适应巡航控制系统）即可实现对车速的实时控制,车辆正常行驶时，遇到行驶路线前方有其它速度慢于自己车辆，ACC通过雷达测距和传感器读取车速，对比目标速度控制适当减速。如前方无阻碍车辆，ACC将控制车速始终维持在初始速度设定值附近。该操作系统优点在于没有驾驶员的干预下实现智能控制车速的增减[2]。整个系统控制的核心为车辆自动判断所处路况环境，对实时速度进行测定，并与目标速度对比计算输出速度控制信号。MATLAB/Simulink工具箱软件能够将需要分析的系统模块化，实现对动态系统建模求解计算和输出结果到指定位置。通过在Simulink工具箱中选择对应的模块，构建系统各个控制环节，在设定分析系统模块主要参数之后，进行求解计算得到结果数据能够保存为多种格式，并且与其他软件可以实现数据共享。该种建模方式将复杂的数学模型简化为对应模块，大大简化了编程过程，为控制系统的过程分析提供了便利。

1. 汽车自适应巡航控制过程

1.1 自适应巡航控制系统工作原理

自适应巡航控制系统是在传统巡航控制基础上，构建的一套完整智能化驾驶辅助系统。如下图1所示，其包括信息测量单元、运算控制单元、动力执行单元、控制交互平台四个组成部分。

图1 自适应巡航控制系统基本结构

汽车巡航控制系统包含定速巡航包含速度校正过程，其中巡航控制器采用速度差值信号（初始设定巡航车速V与车辆实际行驶速度V之差）作为控制系统输入量，系统的输出量为节气门开度位置调整量[3]。巡航控制系统工作时，各个信息测量单元测量外界实时路况信息和车辆行驶数据，并最终传向ECU单元。与目标速度比对之后，计算出控制量来调节节气门开度。通过速度操纵机构，不断对车辆行驶状态进行调整，最终将车速稳定在初始设定数值附近，实现自动驾驶调速的目的[4]。

1.2 汽车行驶控制系统数学模型与PID控制

1.2.1行驶控制系统数学模型

系统包含汽车动力执行机构、速度操纵机构的位置变换器、行驶控制器三大部分[5]。汽车动力机构的作用是在牵引力的作用下改变车辆行驶速度，使其达到设定值。牵引力和速度之间对应的数学模型关系如下：

式（1）中为汽车行驶速度，为汽车输出的牵引力。根据某车型的主要参数，m为汽车质量；b为行驶阻力因子。

位置变换器是行驶控制系统的输入部分，其作用是将速度操纵机构的位置转换为相应的速度，二者对应的数学模型关系如下：

式（2）中为速度操纵机构的位置，为与之对应的速度。

行驶控制器作为整个汽车驾驶控制系统的关键部分，其作用是根据汽车当前速度与指定速度的差值，产生对应的牵引力。控制器包含PID调节，其相应的数学模型关系如下：

式（3）中为系统中状态变量，x(n)为系统输入，为积分环节参数，为系统输出。KKK分别对应为PID控制器的比例、积分与微分的控制参数[6]。PID参数整定分为理论计算和工程整定两种类型。实际工程整定中又分为临界比例法、衰减曲线法、Ziegler -Nichols整定法。通过以上方法对PID参数整定后，优化了行驶控制器的信号输出。

1.2.2 PID控制过程

PID控制算法简单、可靠且易于操作，因此汽车巡航系统控制多采用PID控制[7-8]。典型的PID控制由比例环节、积分环节、微分环节三个部分组成。计算过程为将输出结果与目标设定值比较，二者有偏差时，由反馈环节将信号传递至PID中调整后再次输出数据结果。差值信号经过PID运算调整输出被控对象值，PID控制输出信号表达如下：

对应的传递函数表达形式如下：

式（4）、（5）中比例系数K改变系统的增益，但不影响传递相位；T为积分时间常数；T为微分时间常数，其数值变化反应控制系统误差变化率。

2. 行驶控制系统建模与计算分析

2.1 构建汽车行驶控制系统模块

根据汽车行驶控制系统的数学模型，在Simulink工具箱中选择与汽车动力执行机构、位置变化器、PID控制器相应系统模块，建立完整的行驶控制系统模块框图如下所示：

图2 汽车行驶控制系统模型框图

2.2系统模块参数设置与计算

根据研究样车测量数据和实际工况，整车质量m为1575 kg，车辆行驶阻力因子b取值为25。位置变换器中Slider Gain滑动模块初始值取0.5（对应理论计算目标速度为V=57.5 km/h），其最小值取0，最大值取1。其他模块参数依次设置。在PID控制器的比例环节和微分环节系数取定值后，定义sim函数控制积分增益参数变量逐步递增，当K取值大于0.015时超调十分明显，故定义K变化范围为0.001～0.015，设定仿真时间为1500s并进行求解。根据车辆行驶系统速度输出趋于稳态的趋势，选取关键节点数值结果绘制速度曲线如下：

（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

图3 汽车行驶控制系统实际速度输出曲线对比

从图3中可以看出积分增益取值的变化对汽车行驶控制系统具有很大影响，对比图中仿真计算速度输出曲线，数据表明在K= 0.003时系统达到稳态的所需时间最短，最终速度输出目标速度V附近，当K> 0.007时，系统出现超调现象。速度输出值随着取值增大而不断增大，差值也逐渐扩大，因此选择合适积分增益参数十分重要。

3. 总结

根据汽车自适应巡航控制系统工作原理与控制过程，结合系统的数学模型，在MATLAB/ Simulink建立系统模型框图。利用sim函数控制研究分析积分增益参数变量K对控制系统的影响。对比模型计算求解得到的曲线，找出系统最短时间趋于稳态时的合适取值，使得行驶控制器的速度控制能够实时响应，避免系统出现超调，达到设定目标预期稳定状态，为优化自适应巡航控制过程提供参考。

[1]沈承,黄光宏,曹世宏,等. PID控制系统的参数调节技巧[J]. 机械工程与自动化, 2008 (4): 155-156.

[2]田丽伟,郝文良,朱向冰. 基于模糊自适应方法对汽车定速控制的研究[J]. 自动化与仪器仪表, 2014 (9): 11-14.

[3]陈学文,李萍. 汽车巡航控制方法及Simulink仿真[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2014, 33 (2): 232-235.

[4]胡克非. 定速巡航系统的设计[D]. 武汉:武汉理工大学, 2012.

[5]石良臣. MATLAB/Simulink系统仿真超级学习手册[M]. 北京:人民邮电出版社, 2014.

[6]刘道旭东. 基于神经网络 PID 控制器的汽车自适应巡航控制系统研究[D]. 长春:吉林大学, 2017.

[7]刘文彬,黄伟,刁键,等. 基于PID 控制的汽车定速巡航系统设计与试验[J]. 内燃机与动力装置, 2015,32 (4):29-31.

[8]赵红飞,陆静平,蒋达. 电动汽车用永磁无刷直流电机 PID 控制器设计及仿真[J]. 中国科技信息, 2010 (20).

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

毕厚煌（1988—）,安徽安庆人,硕士,芜湖职业技术学院助教,研究方向为数字化设计与仿真计算。

研究项目：芜湖职业技术学院2019年度校级科研项目（“通风盘式汽车制动机构刹车过程影响因素及多场耦合分析”，编号：Wzyzr201917)）；安徽省级教研项目（“交通运输实习实训中心”）。

文稿责编 娄洁