自適應(yīng)巡航ACC系統(tǒng)下層控制器分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1140自適應(yīng)巡航ACC系統(tǒng)下層控制器分析案例 1180051.1車輛逆縱向動(dòng)力學(xué)模型 1156631.2電機(jī)模型的建立 6ACC系統(tǒng)的有效性急需要上層控制器能夠有效的決策出期望加速度，又需要準(zhǔn)確的下層控制器。下層控制器將期望加速度精確轉(zhuǎn)化為對(duì)每個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩和對(duì)車輛的制動(dòng)壓力從而完成對(duì)車輛的控制，是保證ACC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在有效控制的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的ACC系統(tǒng)的下層控制器主要分兩種，一種是利用駕駛員的經(jīng)驗(yàn)制動(dòng)模糊控制規(guī)則的模糊控制法，首先根據(jù)所采集到的駕駛員經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立模糊控制器，利用上層控制器決策出的期望加速度與本車實(shí)際加速度的差值作為輸入量，輸出量為油門踏板和制動(dòng)踏板的壓力大小。這種方法過(guò)度依賴經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性以及模糊函數(shù)的定義形式，一旦數(shù)據(jù)不具備代表性，模糊函數(shù)不合理，則下層控制器有效性很低。本文采用基于逆縱向動(dòng)力學(xué)模型的下層控制器。該方法是基于車輛的動(dòng)力學(xué)模型，模型精確，效應(yīng)速度快。上層控制器的輸出（期望加速度）層控制器的輸入，基于逆縱向動(dòng)力學(xué)模型和車輛的狀態(tài)信息，通過(guò)下層控制器求解得到期望電機(jī)轉(zhuǎn)矩、期望制動(dòng)壓力。下層控制器的作用類似于一名司機(jī)，在知道車輛需要多大的加速度情況下，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)踏板即對(duì)車輪施加驅(qū)動(dòng)力矩和制動(dòng)踏板即對(duì)主缸施加制動(dòng)壓力，進(jìn)而將期望加速度作用于車輛，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的縱向控制。在接收期望加速度后，下層控制器需要在較短時(shí)間內(nèi)完成響應(yīng)，使得本車實(shí)際加速度于前車加速度接近；在控制過(guò)程中下層控制器要模仿人類的操作，驅(qū)動(dòng)模式和制動(dòng)模式不能頻繁切換。1.1車輛逆縱向動(dòng)力學(xué)模型當(dāng)車輛在加速行駛時(shí)，下層控制器收到正的期望加速度信號(hào)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛加速行駛；而當(dāng)下層控制器收到負(fù)的期望加速度信號(hào)時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮作用，控制車輛減速行駛。逆縱向動(dòng)力學(xué)模型是將車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行逆向推導(dǎo)得到，它是下層控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。1.1.1車輛行駛阻力車輛在行駛過(guò)程中，與道路、空氣之間會(huì)產(chǎn)生各種阻力，同時(shí)也會(huì)受到來(lái)自于車輛動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力，為了下層控制器的準(zhǔn)確性，現(xiàn)對(duì)車輛的行駛過(guò)程進(jìn)行分析，車輛在行駛過(guò)程中受到的阻力如圖1.1所示。汽車在行駛過(guò)程中，行駛阻力包括滾動(dòng)阻力、坡度阻力、空氣阻力、加速阻力。驅(qū)動(dòng)力是由輪轂電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輪形成，制動(dòng)力是由主缸產(chǎn)生制動(dòng)壓力形成。圖1.1車輛行駛過(guò)程受力圖為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在分析過(guò)程中做以下假設(shè)：（1）忽略車輛的橫向運(yùn)動(dòng)；（2）車輛所行駛的道路為理想道路，車輛在該道路上行駛時(shí)，道路能夠提供充足的附著力；由此可得汽車行駛方程式如式（1.1）所示：（1.1）上式中，表示驅(qū)動(dòng)力，表示制動(dòng)力，表示加速阻力，表示空氣阻力，表示滾動(dòng)阻力，表示坡度阻力。車輛受到的加速阻力如式（1.2）所示：（1.2）上式中，各個(gè)變量分別表示的物理意義為：表示加速阻力，表示汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，本文中取1.06，表示車輛總質(zhì)量，表示加速度?？諝庾枇Φ谋磉_(dá)式如式（1.3）所示：（1.3）上式中，各個(gè)變量分別表示的物理意義為：表示空氣阻力，表示空氣密度，表示空氣阻力系數(shù)，本文中空氣阻力系數(shù)取0.3，表示相對(duì)速度，A表示迎風(fēng)面積，本文中迎風(fēng)面積A取2.1，表示汽車車速。車輛所受滾動(dòng)阻力如式（1.4）所示：（1.4）上式中，各個(gè)變量分別表示的物理意義為：m表示車輛總質(zhì)量，g表示重力加速度，本文中重力加速度g取9.8，f表示滾動(dòng)阻力系數(shù)，本文中滾動(dòng)阻力系數(shù)f取0.02，表示斜坡與水平路面夾角，本文的測(cè)試工況不涉及坡道情況，故取0。當(dāng)車輛在坡道上行駛時(shí)，坡度阻力是有車輛的重力在坡道方向上的分力形成的，如式（1.5）所示：（1.5）1.1.2期望驅(qū)動(dòng)力矩模型車輛在加速過(guò)程中，制動(dòng)力為0，則式（1.1）可轉(zhuǎn)變?yōu)槭剑?.6）這種形式：（1.6）電動(dòng)車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)汽車來(lái)說(shuō)較為精簡(jiǎn)，輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩直接輸入給驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)車輛行駛，車輛的驅(qū)動(dòng)力如式（1.7）所示。（1.7）式中表示車輛驅(qū)動(dòng)力，表示電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，表示車輪滾動(dòng)半徑，本文中取0.34m，表示傳動(dòng)比，由于動(dòng)力傳輸路線是由輪轂電機(jī)到車輪，所以傳動(dòng)比取1，表示傳動(dòng)效率，本文中傳動(dòng)效率取1，k表示電機(jī)個(gè)數(shù)，本文中輪轂電機(jī)個(gè)數(shù)為4。然后將式（1.4）~（1.8）聯(lián)立得到期望的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩如式（1.8）所示：（1.8）期望電機(jī)轉(zhuǎn)矩模塊Simulink仿真模型如圖1.2所示。圖1.2期望電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型1.1.3期望制動(dòng)壓力模型車輛在制動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)力為0，則式（1.1）可轉(zhuǎn)變成式（1.9）這種形式。（1.9）式中表示期望制動(dòng)力。期望制動(dòng)力如式（1.10）所示。（1.10）當(dāng)期望制動(dòng)力小于地面最大制動(dòng)力時(shí)，制動(dòng)力與制動(dòng)壓力存在近似線性關(guān)系，如式（1.11）所示。（1.11）式中表示線性系數(shù)，表示期望制動(dòng)壓力。則制動(dòng)壓力如式（1.12）所示。（1.12）根據(jù)上文中的數(shù)學(xué)公式在Simulink中搭建逆制動(dòng)器模型如圖1.3所示。圖1.3期望制動(dòng)壓力模型1.1.4驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)切換策略由于本文中所提到的車輛模型是在仿真軟件Carsim中建立的，相當(dāng)于一個(gè)數(shù)學(xué)模型，如果車輛以上層控制器決策出的期望加速度的正負(fù)來(lái)控制汽車的狀態(tài)（期望加速度為正為驅(qū)動(dòng)模式，加速度為負(fù)則為制動(dòng)模式），僅僅通過(guò)這種簡(jiǎn)單的邏輯判斷的話車輛模型在行駛過(guò)程中驅(qū)動(dòng)模式和制動(dòng)模式會(huì)頻繁地來(lái)回切換。這樣會(huì)對(duì)車輛本身?yè)p害較大，而且會(huì)使得駕駛員和乘員的舒適性大大下降，所以要制定合適的驅(qū)動(dòng)模式和制動(dòng)模式的切換策略，確保切換策略工作效果好、平穩(wěn)切換，可以使車輛實(shí)際加速度有效地跟蹤期望加速度。若車輛沒(méi)有驅(qū)動(dòng)制動(dòng)輸入時(shí)，根據(jù)式（1.1）可知，此時(shí)車輛只受空氣阻力和滾動(dòng)阻力兩個(gè)外力，此時(shí)車輛的最大減速度即為最大滑行減速度，如式（1.13）所示。（1.13）如果驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)切換僅僅存在最大滑行減速度這條切換邊界，那么驅(qū)動(dòng)模式和制動(dòng)模式就會(huì)一直地切換，這樣就會(huì)導(dǎo)致上文提到的影響行駛的情況，故而需要在最大滑行減速度上下各設(shè)置一個(gè)閾值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，將閾值設(shè)置為，加速度每次在過(guò)0時(shí)，都會(huì)進(jìn)行判斷，則此時(shí)車輛不會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)工況和制動(dòng)工況的來(lái)回切換，該閾值設(shè)置稱為驅(qū)動(dòng)模式和制動(dòng)模式的過(guò)渡帶，改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)切換策略如圖1.4所示。圖1.4驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)切換策略當(dāng)上層控制器輸出的期望加速度時(shí)，此時(shí)車輛處于驅(qū)動(dòng)模式，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛；當(dāng)上層控制器輸出的期望加速度時(shí)，車輛處于制動(dòng)模式，而當(dāng)期望加速度為過(guò)渡帶即時(shí)，車輛驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)切換策略不起作用，車輛繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的模式。1.2電機(jī)模型的建立由于Carsim中不存在電動(dòng)車模型，所以需要新建一個(gè)輪轂電機(jī)作為動(dòng)力輸入源，本文所采用的輪轂電機(jī)為兩極三相無(wú)刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)的等效電路如圖1.5所示。圖1.5輪轂電機(jī)等效電路圖簡(jiǎn)化電機(jī)的模型，根據(jù)等效電路圖，則電壓方程的矩陣形式表示為式（1.14）所示：（1.14）式中，，，分別為三相輸入電壓；，，分別為三相電動(dòng)勢(shì)；，，分別為三相定子電流；為定子繞組自感與兩項(xiàng)相繞組的互感數(shù)值之差；R為定子每相電阻。當(dāng)a、b兩相連通時(shí)，電機(jī)的平衡電壓方程可以變化成式（1.15）：（1.15）將式（1.15）簡(jiǎn)化得到：（1.16）根據(jù)電機(jī)基本拖動(dòng)原理得到：（1.17）（1.18）（1.19）上式中，表示電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；表示電機(jī)角速度；表示反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；表示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。根據(jù)式（1.15）~（1.19）推導(dǎo)可以得到該輪轂電機(jī)的狀態(tài)方程如式（1.20）、（1.21）所示。（1.20）（1.21）在輪轂電機(jī)模型中，電機(jī)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速為狀態(tài)變量，設(shè)計(jì)單閉環(huán)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電流得反饋控制[26]，且電機(jī)的電流的輸出轉(zhuǎn)矩成正比，搭建了如圖1.6的單閉環(huán)