基于PID的汽車自適應巡航控制系統(tǒng)算法設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u30254基于PID的汽車自適應巡航控制系統(tǒng)算法設計案例 1109411.1引言 1131151.2PID控制器 283011.2.1PID控制器概述 264731.2.1PID控制器設計 3123061.3基于PID控制的ACC模型 4244621.1.1輸入板塊 4199061.1.2輸出板塊 61.1引言汽車縱向動力學系統(tǒng)中包含發(fā)動機、液力變矩器等多個重要部件。由于這些部件大多都是非線性部件，具有非線性、不確定性和時變性，甚至會發(fā)生參數(shù)跳變。綜合這些特點考慮，常見的控制方法有兩種：一種是在設計控制策略時，忽略被控對象的非線性的特點，建立線性定常模型，這種方法便于設計控制策略，然而會導致模型嚴重失配，系統(tǒng)魯棒性也較差，這使得被控對象難以在復雜的交通環(huán)境中被有效地控制；另一種是建立精確的縱向動力學模型，但這會導致結(jié)構(gòu)變得相對復雜，且控制策略變得更加繁瑣，而且汽車參數(shù)與外部環(huán)境變化會在一定程度上對精確模型產(chǎn)生影響。綜合上述分析，由于本論文在針對傳統(tǒng)汽車縱向動力學的同時，還兼顧了汽車駕駛員的換道意圖。因此，選擇PID這種簡單有效的方法，且它廣泛應用于反饋回路的設計，具有使誤差快速收斂的特點，提高了系統(tǒng)的精度。1.2PID控制器1.2.1PID控制器概述PID是比例控制、積分控制、微分控制的縮寫，分別代表了三種控制算法。通過這三個算法的組合可有效地糾正被控制對象的偏差，從而使其達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。比例控制器的輸出u(t)與輸入偏差e(t)成正比，能迅速反映偏差，從而減小偏差，但不能消除靜差。靜差是指系統(tǒng)穩(wěn)定過程趨于穩(wěn)定時，給定值與輸出量的實測值之差。偏差存在，才能使控制器維持一定的控制量輸出，因此比例控制器必然存在著靜差。由偏差理論知，增大疋雖然可以減小偏差，但不能徹底消除偏差。比例控制作用的大小除與偏差e(t)有關之外，還取決于比例系數(shù)Kp的大小。一般校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)：G比例系數(shù)Kp越小，控制作用越小，系統(tǒng)響應越慢；反之，比例系數(shù)Kp越大，控制作用也越強，則系統(tǒng)響應越快。但是，Kp過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)和振蕩，導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變差。因此，不能將Kp選取過大，應根據(jù)被控對象的特性來折中選取Kp，使系統(tǒng)的靜差控制在允許的范圍內(nèi)，同時又具有較快的響應速度。積分環(huán)節(jié)：積分環(huán)節(jié)的作用，主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱，取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大積分作用越弱，反之Ti越小，積分速度越快，積分作用越強。在積分時間足夠的情況下，可以完全消除靜差，這時積分控制作用將維持不變。一般，比例積分的傳遞函數(shù)為：G微分環(huán)節(jié)：微分環(huán)節(jié)的作用能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。積分控制作用的引入雖然可以消除靜差，但是降低了系統(tǒng)的響應速度，特別是對于具有較大慣性的被控對象，用PI控制器很難得到很好的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的超調(diào)和振蕩，這時可以引入微分作用。一般，比例積分微分控制器傳遞函數(shù)為：G式中，Td為微分時間常數(shù)。微分環(huán)節(jié)有助于系統(tǒng)減小超調(diào)，克服振蕩，加快系統(tǒng)的響應速度，減小調(diào)節(jié)時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，但微分時間常數(shù)T1.2.1PID控制器設計由于汽車逆縱向動力學的非線性特征，本論文基于PID方法的簡單有效，建立了縱向動力學模型的前饋補償環(huán)節(jié)。其中前饋環(huán)節(jié)的設計能夠提高系統(tǒng)的快速穩(wěn)定性，而反饋環(huán)節(jié)可以保證系統(tǒng)響應維持在一個良好的魯棒水平，且前饋和反饋環(huán)節(jié)設計可單獨進行，互不影響。前饋加反饋的控制策略充分綜合并且放大了這兩種方法的優(yōu)點，使得系統(tǒng)響應可靠性更高，實用性更好，滿足設計要求。具體控制策略如圖1.1所示。圖1.1基于PID控制的ACC系統(tǒng)框架在PID控制的設計中中，最核心的部分是調(diào)整參數(shù)。在比例控制環(huán)節(jié)中，比例系數(shù)KP越大，系統(tǒng)的響應越快。積分環(huán)節(jié)中，KL越小，積分環(huán)節(jié)則越不敏感。本文所設計的整車模型中的PID算法主要運用在發(fā)動機力矩控制和車輛制動輪缸壓力的控制。主車車速的變化主要通過對制動輪缸壓力的控制和對左右輪轂發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的控制來實現(xiàn)。車輛制動輪缸壓力的控制模塊中，通過雷達輸出探測到的兩車間距與所設定的安全距離進行運算，通過PID算法對主車制動輪缸壓力進行控制。當兩車間距小于所設計的安全距離時，經(jīng)過PID控制后，制動輪缸壓力增大，車輛減速運動以保證安全行駛。當兩車間距小于所設計的安全距離時,經(jīng)過PID控制后，主車的制動輪缸壓力減小，車輛加速運動跟上前車。車輛發(fā)動機輸出力矩模塊中，目標車輛車速和主車車速之差通過PID控制輸入到左右輪轂發(fā)動機，由主車左右輪轂發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩控制主車車速變化。1.3基于PID控制的ACC模型本文所設計的自適應巡航控制主要控制過程如圖所示。本文所設計的自適應巡航控制主要采用PID控制。下面將會對該模型進行分析。如圖1.2所示。圖1.2CarSim與Simulink聯(lián)合仿真模型圖1.1.1輸入板塊制動主缸壓力考慮到主車既能跟上目標車輛，又能使目標車輛在主車的雷達探測范圍內(nèi)，經(jīng)過調(diào)試，在水平路面仿真時，本模型中將兩車之間的最小安全距離SetupDistance設置為2m。在本文所選坡道上仿真時，最小安全距離設置為4m。隨后，將所設置的安全距離與雷達監(jiān)測到的主車的車頭與目標車輛的車位之間的距離進行減法運算，然后經(jīng)過一個PID控制，即PIDController2。如圖1.3所示。圖1.3制動主缸壓力板塊其中PID控制中比例系數(shù)KP取0.3，積分環(huán)節(jié)系數(shù)Ti取0，微分環(huán)節(jié)系數(shù)Td取0。由于該部分主要控制制動版塊，所以算法較為簡單，只需要一個比例控制，且這樣已達到本論文所設計的要求。經(jīng)過PID控制之后，將會輸出一個數(shù)值FB，作為主車制動主缸壓力的數(shù)值，而制動主缸的壓力是需要在一定的數(shù)值范圍的。根據(jù)CarSim車輛模型的制動主缸的上下線數(shù)值，將該數(shù)值下限設置為0，即下限為沒有制動壓力，上限即最大的制動主缸壓力設置為15，15可看作是車輛剎車踩到底時產(chǎn)生的制動壓力。FB是制動壓力的信號，這個信號將會輸入到主車的車輛模型當中，也就是前文中所提到的主車的輸入變量中的IMP_PCON_BK制動主缸壓力。前輪兩發(fā)動機轉(zhuǎn)矩在兩車車速經(jīng)過PID控制輸入?yún)?shù)到前輪左右兩側(cè)發(fā)動機中之后，兩個輪轂發(fā)動機將輸入轉(zhuǎn)矩給主車，即減速或加速運動，或者保持車速不變，以實現(xiàn)主車的巡航控制。如圖1.4所示。圖1.4車輛左右前輪輸入轉(zhuǎn)矩模型雷達探測結(jié)果通過雷達控制器對主車與目標車輛的距離及角度的監(jiān)測，當目標車輛超出雷達探測范圍時，雷達控制器將會輸出一個信號給控制系統(tǒng)，控制車輛加速前進，跟上目標車輛。當目標車輛在雷達探測范圍時，雷達控制器經(jīng)過監(jiān)測，將會輸出兩車的實際距離，通過控制系統(tǒng)運算，從而控制主車的制動輪缸壓力，實現(xiàn)主車的加速或減速運動。如圖1.5所示。圖1.5雷達探測控制器1.1.2輸出板塊兩車車速目標車輛輸出車速Vx1，為了完成ACC控制的實現(xiàn)，將目標車輛的車速作為主車的速度的控制，用目標車輛的速度Vx1減去主車的實際速度Vx，得到其差值，再輸入到PID控制模塊，即下圖1.6中的PIDController。圖1.6關于車速的PID控制器該PID控制由于需要滿足主車的跟隨工況，情況較為復雜，所以需要比例、積分、微分環(huán)節(jié)都運用。經(jīng)過調(diào)試，最終確定當比例系數(shù)KP取200，積分環(huán)節(jié)系數(shù)Ti取190，微分環(huán)節(jié)系數(shù)Td取2時，可以更好地實現(xiàn)巡航控制效果。PIDController和PIDController1的作用是將目標車輛與主車的速度差值分別轉(zhuǎn)化為左右前輪輪轂發(fā)動機的目標轉(zhuǎn)矩。Simulink整車模型中Motor_Left和Motor_Right模塊代表主車左側(cè)和右側(cè)的輪轂發(fā)動機。車輛坐標主車的橫縱坐標和橫擺角是其輸出變量，并且該三者作為雷達模塊RadarSensor的數(shù)據(jù)輸入，即MyData為主車的Xo、Yo、Yaw三個數(shù)據(jù)。如圖1.7所示。圖1.7輸出橫縱坐標和橫擺角經(jīng)過雷達控制之后，雷達模塊輸出一個間距值Distance，與初始設置的SetupDistance的數(shù)值進行比較，兩者差值輸入到PIDController2中，再進入后續(xù)控制模塊。當兩者差值大于安全距離時，主車制動主缸壓力減小，同時轉(zhuǎn)矩增大，車輛將進行加速運動；當兩者差值小于安全距離時