（机械电子工程专业论文）面向acc的车辆定速巡航控制系统的研究.pdf

摘要 严峻的交通安全问题使得人们对汽车驾驶的安全性的要求越来 越高。自适应巡航控制( a d a p t i v ec r u i s ec o n t r o l ，简称a c c ) 系统将 汽车定速巡航控制系统和车间距离保持系统有机的结合起来，减少了 驾驶员的驾驶负担从而提高了车辆的安全性。有两方面因素对a c c 系 统实现有效的定速巡航控制造成了困难，一是车辆本身存在的非线性 环节，如发动机等，使车辆的状态参数随车辆的运动而不断变化；二 是车辆外部环境的变化，如道路情况的改变等，对车辆运动的干扰。 般的控制方法在具有上述不确定性因素的情况下难以获得满意的 控制效果。针对这一问题，本文应用了一种结合最小二乘递推算法的 广义最小方差控制方法，并基于该方法原理设计了定速巡航控制器， 实现了车辆在不确定状态和环境下的定速巡航速度控制。 论文首先利用逆模型线性化方法，建立了车辆运动的近似线性系 统，并利用c a r m a ( c o n t r o l l e da u t o r e g r e s s i v em o v i n ga v e r a g e ，即可控 自回归滑动平均模型) 模型描述该车辆动力学系统。在此基础上实时 采集被控对象的输入输出数据，利用最小二乘递推算法构建了系统状 态辨识器，得到了系统状态特性参数，这里采用了遗忘因子方法防止 数据饱和。通过仿真试验验证了辨识器的有效性。 在以上研究的基础上，利用广义最小方差控制策略，开发了广义 最小方差定速巡航控制器，该控制器将实际加速度和期望加速度以及 控制量三者的加权之差作为指标函数，通过对加速度的良好跟踪实现 了对车辆速度的控制。同时，为了保证控制的稳定性和车辆行走的平 顺性，采用了预测控制中的参考轨迹方法进行期望值的调整，并通过 仿真试验进行了控制方法的验证。 为进一步验证本文方法的有效性，进行了实车试验。首先对实验 平台车进行了功能改进，提高平台车的信息共享能力，在此基础上， 针对不同的自身条件和外界环境条件，应用试验平台车对所开发的定 速巡航控制器的控制效果进行了试验验证，结果表明，所设计的控制 器具有良好的控制性能。本文的研究成果，为在不确定性条件下实现 车辆a c c 系统定速巡航控制提供了一种有效的方法。 关键词；系统辨识；加速度控制；最d 、- - - - - 乘递推；广义最小方差 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea u s t e r es i t u a t i o n so f t h et r a f f i c ，p e o p l er e q u i r em o r e a n dm o r es a f e t yi nd r i v i n gv e h i c l e s a c cm e a n sa d a p t i v ec r u i s ec o n t r o l a n da l la c cs y s t e mc o m b i n e st h ec r u i s ec o n t r o ls y s t e ma n dt h es a f e t y d i s t a n c ek e e p i n gs y s t e m s on o to n l yd o e si th a v et h ec a p a b i l i t yo fc r u i s e b u ta l s ot h es a f e t yd i s t a n c ek e e p i n ga b i l i t y i tm a k e sd r i v i n gs a f e r t h e r e r et w of a c t o r si n f l u e n c et h ec r u i s ec o n t r o le f f e c to ft h ea c c s y s t e m t h ef i r s ti st h e i n n a t en o n l i n e a r i t yo fv e h i c l es u c ha se n g i n e c h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hr e s u l t si nt h ev a r l e t o fv e h i c l e ss t a t ep a r a m e t e r s w h e ni ti sm o v i n g a n o t h e ri st h ec h a n g eo fc i r c u m s t a n c e ss u c ha st h e v a r i e t yo fg r a d i e n t , w h i c hi n t e r f e r e st h ec o n t r o lo fv e h i c l e sm o v e m e m t h ep r e s e n tc o n t r o lm e t h o d sc a nh a r d i ye n s u r e as a r i s f i e dc o n t r o l p e r f o r m a n c et ot h ea b o v ef a c t o r s an o v e lm e t h o dt h a tc o m b i n e st h e r e c u r s i v el e a s ts q u a r e sm e t h o da n dg e n e r a l i z e dl e a s ts q u a r ee r r o r m e t h o di sp r o p o s e di nt h i st h e s i sa n dac n l i s ec o n t r o l l e ri sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h em e t h o d n l ec o n t r o l l e rh a so b t a i n e d9 0 0 dc o n t r o le f f e c t w h e nv e h i c l e sp a r a m e t e r sa n dt h ec i r c u m s t a n c e sc h a n g e 耽ei n v e r s em o d e la p p r o a c hm e t h o di su s e df o re s t a b l i s h i n ga n a p p r o x i m a t el i n e a rs y s t e mf o r t h em o v e m e mo fv e h i c l ea n dt h ec a r 凇 ( c o n t r o l l e da u t o r e g r e s s i v em o v i n ga v e r a g e ) m o d e li su s e df o rd e s c r i b i n g t h ed y n a m i c sm o d e lo fv e h i c l e b a s e do nt h i s ，t h em p u ta n do u t p u td a t a o ft h ec o n t r o l l e do b j e c ti ss a m p l e di nt h er e a lt i m ec a s e a ni d e n t i f i e ri s d e v e l o p e db a s e do nt h el e a s ts q u a r e se r r o rm e t h o dt og e tt h ec a r m a m o d e l sp a r a m e t e r st h a te x p r e s st h er e a lv e h i c l e sc h a r a c t e r s a n da n o b l i v i o nf a c t o ri su s e df o rp r e v e n t i n gt h es a t u r a t i o no ft h ed a t a t h e n s o m er e s u l t so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r eg i v e n b a s e do nt h ea b o v e r o r k s t h eg e n e r a l i z e dl e a s ts q u a r ee r r o r m e t h o di s p r o p o s e d i tu s e st h ed i f f e r e n c e o ft h ew e i g h to ft h r e e p a r a m e t e r s ，r e a la c c e l e r a t i o n ，e x p e c t a n ta c c e l e r a t i o na n dc o n t r o lv a l u e ，a s t h et a r g e tf u n c t i o n s ow ec a ni m p l e m e n tt h es p e e dc o n t r o lb ym i n i m i z i n g t h et a r g e tf u n c t i o nf m a l l y i no t h e rw o r d s ，t h ec o n t r o lp r o c e s st os p e e di s a c h i e v e do nt h et r a i lo f t h ee x p e c t a n ta c c e l e r a t i o n i nt h e1 a s t ，f o re n s u r i n g t h ec o n t r o ls t a b i l i t ya n dt h ea u t o m o b i l er i d e ，t h er e f e r e n c et r a c km e t h o di s u s e df o ra d j u s t i n gt h ee x p e c t a n ta c c e l e r a t i o n n l er e s u l t so fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t si n d i c a t et h ee f f i c i e n c yo f t h e c o n t r o lm e t h o d f u r t h e r m o r e ，t ov a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d , s o m ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eo nat e s t i n gv e h i c l ep l a t f o r mi m p r o v e d f o rs o m ei n t e l l i g e n tf u n c t i o n s s o m er e f i tw o r k sa r ed o n ef o rp r o m o t i n g t h ei n f o r m a t i o ns h a r ea b i l i t yo ft h et e s t i n gv e h i c l ep l a t f o r m t h e nt h e d e v e l o p e dc r u i s ec o n t r o l l e ri sv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t so nt h et e s t i n g v e h i c l ep l a t f o r mu n d e rv a r i o u sr u n n i n ga n de n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s 皿地 r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n t r o l l e rh a sg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e n er e s e a r c hr e s u l t so ft h et h e s i sg i v e sa ne f f e c t i v ew a yf o r i m p l e m e n t i n gt h ec r u i s ec o n t r o li nt h ea d a p t i v ec r u i s ec o n t r o ls y s t e m w h e nt h e r ea r ei n c e r t i t u d es i t u a t i o n s0 nt h ev e h i c l ec o n d i t i o na n dr u n n i n g e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ；a c c e l e r a t i o nc o n t r o l ；r e c u r s i v el e a s t s q u a r e sm e t h o d ；g e n e r a l i z e d l e a s ts q u a r ee r r o rm e t h o d 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：钴爻日期：獬f 月亏。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酬 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 5 - 月加日 r 月子d 日 年年 细叼 期期日日 炙趔交p 太专，v， 第一章引言 1 1 概述 第1 章引言 汽车已经诞生和发展了百余年，世界范围内的汽车保有量都在不断增加，随 之而来的交通安全问题也引起了汽车制造企业、汽车消费者和各国政府的高度重 视和关注【l j 。据统计，全世界范围内平均每分钟至少有一人死于交通事故【2 】。 面对日益严峻的交通安全形势，传统的针对碰撞发生时的乘员保护技术和措施已 经不能满足现代交通的要求，发展以预防为核心的现代汽车主动安全技术已成为 现代交通的迫切需求 3 1 1 4 1 。 自适应巡航控制系统a c c ( a d a p t i v ec r u i s ec o n t r 0 1 ) 是一种构想于2 0 世纪 7 0 年代末期的汽车安全辅助驾驶系统。它将汽车定速巡航控制系统c c s ( c r u i s e c o n t r o ls y s t e m ) 和车间安全距离保持系统s d k s ( s a f e t yd i s t a n c e k e e p i n gs y s t e m ) 有机地结合起来，既有自动巡航功能，又有防止前向撞击功能。由于当时传感器 技术、信号处理技术、汽车电子技术以及交通设施等方面的因素阻碍了a c c 的 发展，直到2 0 世纪9 0 年代中期，随着各项技术的进步和对汽车行驶安全性要 求的提高，特别是对有效地防止追尾碰撞要求的不断提高，才使得a c c 迅速发 展起来1 5 。 作为a c c 系统的重要功能之一，定速巡航控制在a c c 功能的实现上占有 重要的作用。定速巡航控制是将车辆自动控制在一个驾驶员设定的速度下，而将 驾驶员从驾驶动作中解脱出来，在减轻了人们驾驶车辆疲劳的同时提高了驾驶的 安全性。最早的定速控制系统仅仅是将节气门保持在一个固定的角度嘲，只能 实现一种速度方案，五十年代以后控制系统开始使用反馈控制 7 1 ，使用比例控 制来反馈车速的误差，后来在比例控制的基础上又增加了积分控制田，使系统 的误差进一步的减小。近年来，随着电子技术的发展，微处理器的广泛使用，许 多经典的控制理论都开始应用到定速巡航控制上来，如p i d 控制，最优l q 控制， 模糊逻辑控制等等，使定速巡航控制系统取得了较快的发展。随着自适应巡航控 制( a c c ) 系统受到越来越多的重视，由于需要结合安全车距保持的功能，对定 速巡航的控制的要求也在不断提高，控制的功能方法也在不断的改进。 在这个发展巨大的市场方面，目前市场上的a c c 产品，欧洲和美国的产品 占绝对主导的地位。德国的b o s c h 和美国的e a t o n 公司都是目前的主流厂商， 除了这些专门的汽车配件生产企业，国外的许多汽车公司也自己开发用于旗下车 第一章引言 辆的a c c 产品，例如戴克集团的b e n zs 级轿车基本上都配备了专属的a c c 系统。而国内在a c c 系统的产品化道路上还只是刚刚起步，自主品牌的车辆在 开发过程中基本上没有涉及a c c 系统。在汽车产业竞争日益激烈的情况下，没 有自主知识产权的产品不仅意味着生产成本的增加，而且还会处处受制于人。针 对这种情况，进行有关于a c c 系统的研究是很有必要的。 本文的主要工作是面向a c c 系统迸行其定速巡航控制控制系统的设计，着 重考虑的是如何克服在车辆纵向运动中存在的各种各样的不确定因素，例如由于 车辆本身的非线性环节例如发动机，液力变矩器，轮胎而导致的自身的结构，参 数的变化；由于内外部环境的改变例如道路坡度的改变、风速的大小以及自身质 量的变化等对系统造成的干扰。因此如果想要达到最好的控制效果，需要实时的 根据系统结构和参数的改变进行对应的控制，同时又能够有效抑制在控制过程中 出现的各种干扰，使整个闭环系统具有较好的稳定性和鲁棒性。最终的目的是希 望所设计的结构和功能在经过适当的扩展后就能实现a c c 系统所需要的功能， 这和普通的定速巡航控制系统的要求有较大的区别。 自适应控制是针对具有一定不确定性的系统而设计的。它可以自动监测系统 的参数变化，实时调整控制器的参数，从而时刻保持系统的各项性能指标为最优。 例如其中的模型参考自适应控制，输入量直接加在控制器和参考模型上，由于参 考模型的理想输出和实际输出不一致，产生偏差，自适应机构监测到这一偏差之 后，经过一定的运算，产生适当调整信号改变控制参数，从而使实际输出能够趋 进于理想输出。鉴于上述特点，自适应控制比较适合像汽车这样的一类具有不确 定性系统的控制。当汽车行驶过程中遇到上下坡，或者由于风力而使车速发生变 化，系统也会如上述过程一样，对控制器进行调整【l o j 。 由此，本文开展了利用自适应控制理论进行定速巡航控制器设计的研究。首 先，在对控制系统进行了线性化的的基础上，利用参数辨识的最i x - - 乘递推算法 结合系统的输入输出进行系统结构参数的辨识在其基础上拓展了最d * - - 乘递推 算法进行了外界干扰的辨识。结合辨识出的系统参数和干扰值，利用广义最小方 差控制理论和使用参考轨迹调节控制系统的输入，设计了面向a c c 系统的定速 巡航控制系统，分别进行了仿真实验和实车实验。本课题的研究为面向a c c 系 统开发定速巡航系统设计提供了一个解决的方案，并就定速巡航系统控制中如何 克服车辆的不确定性和抑制外界干扰提供了一条途径，具有一定的理论价值和实 用价值。 第一章引言 1 2 自适应巡航控制( a c c ) 系统简介 l 伽暇m m 匀速控制 l o o 8 0 k m ，l i8 明( i n ，l i 减速控制跟随控制 8 0 - 1 0 0 k m h 加速控制 目标车辆 a c e 车辆 雷达探测范围 图1 - 1a c e 系统的功能 如图1 1 所示，a c c 系统的功能是： ( 1 ) 如果前方没有车辆时，a c c 车辆将处于普通的巡航驾驶状态，按照驾驶 员设定的车速行驶，驾驶员只需要进行方向的控制( 匀速控制) 。这里还包括一 个工况，就是当驾驶员在设定的速度基础上加速时，a c c 车辆将按驾驶员意图 行驶。当驾驶员不再加速以后，如果没有新的速度设定，a c c 车辆将继续按照 原先设定的车速行驶。 ( 2 ) 当a c c 车辆前方出现目标车辆时，如果目标车辆的速度小于a c c 车辆 时，a c c 车辆将自动开始进行平滑的减速控制。 ( 3 ) 当两车之间的距离等于安全车距后，采取跟随控制，即与目标车辆以相 同的车速行驶。 ( 4 ) 当目标车换道或者a c c 车辆换道后，前方又没有其他的目标车辆，那么 a c c 车辆恢复到初期的设定车速( 加速控制) 行驶。 可见，a c c 系统可以自动控制自车的加、减速以保持自车与前车的距离， 从而大大减轻驾驶员在驾驶时的劳动强度，让驾驶员从频繁的加速和减速中解脱 出来，在享受更加舒适的驾驶的同时，增加了行驶的安全性。 1 3a c c 系统中的定速巡航控制系统简介和研究现状 根据国际标准化组织( i s o ) 在2 0 0 2 年出台的交通信息与控制系统自适 应巡航控制系统性能要求与检测方法中的规定，a c c 系统中的定速巡航控制 需要具备以下的控制目的： 园固 第一章引言 ( 1 ) a c c 巡航功能可以控制的本车行驶速度。 ( 2 ) 由驾驶员或由a c c 系统以外的其它控制系统设定的期望行驶速度，亦即 车辆在a c c 系统控制下的最高期望速度。 ( 3 ) 当a c c 巡航功能处于工作状态时，本车对速度的控制可以通过保持一定 的车间时距或预先的设定速度( 以二者中速度低者为准) 来实现。这两种控制模 式之间的转换可由a c c 系统自动完成。 ( 4 ) 当本车的速度低于最低工作速度时，将禁止a c c 巡航功能由等待状 态向工作状态的转换。此外，如果系统处于工作状态并且速度低于吃，时，自动 加速功能将被禁止，此时a c c 巡航功能将由工作状态自动转换为等待状态。 设计巡航控制系统主要包括控制结构的设计和控制器的设计。以上国际标准 化组织的规定表明，在控制结构上，a c c 系统中的定速巡航系统不仅需要具有 普通定速巡航系统所具备的定速功能，还需要根据前方车辆进行条件判定，以决 定是减速还是保持原速度。因此在进行面向a c c 系统的定速巡航控制系统的结 构设计时，要考虑所设计的系统结构能在扩展到a c c 系统后能和安全车距保持 功能之间进行有效的切换。而在控制器的设计上，目前研究主要包括两个部分， 即定速巡航控制系统的建模和设计控制算法。 1 3 1 定速巡航控制系统的控制结构 在a c c 系统的发展过程中，按实现方式的不同，可以将a c c 系统的控制 结构分为直接式和分层式两种。 直接式就是用一个控制器实现车辆纵向运动控制的目的，控制器的输入量是 期望的车辆速度和前车信息，在经过控制器根据行驶情况的判断后，锝到需要的 期望的制动压力和节气门开度，然后直接传递给车辆的控制执行机构，以实现期 望的控制结果。 分层式控制结构将车辆纵向运动控制的目的分为两层实现，上位控制器输入 量是期望的车辆速度和前车信息，在经过上位控制器根据行驶情况的判断后得到 需要的期望车辆加速度，并且该期望加速度作为下位控制器的输入量，下位控制 器经过控制后得到期望的制动压力和节气门开度，作用于车辆。两者分别如图 1 2 所示。 在进行面向a c c 系统的定速巡航控制结构的设计中，人们逐渐由直接式结 构过渡到了分层式结构。因为在a c c 系统中，上位控制器可以不用考虑被控对 象的影响，而将控制重点放在驾驶员个体分别，车辆的燃油性和动力性上。丽下 位控制器则可以不用考虑这些问题，仅考虑如何有效实现期望加速度。因此两者 第一章引言 直接式控制结构 分层式控制结构 图l - 2 车辆纵向运动控制结构 分工明确，控制目的各有侧重，有利于进行模块化的设计和程序的编写，并有利 于进行功能的扩展和维护，这些都是直接式控制所不具备的优点。而在设计面向 a c c 系统的定速巡航系统结构时，需要考虑控制系统在扩展成a c c 系统后满足 a c c 系统的各项要求，因此采用目前a c c 系统广泛使用的分层式结构是比较适 合的。它由上位控制器将期望的车速和反馈的实际的车速进行控制后得到期望的 加速度再由下位控制器对车辆进行控制，如图1 3 所示。 l。 图1 3 面向a c c 系统的定速巡航控制系统结构 这种控制结构在结合雷达系统采集到的前车信息后，就可以方便的扩展为典 型的a c c 系统，需要做的仅是在上位控制器的控制算法中增加前车信息的输入 和控制功能的切换逻辑。而对后续的过程没有任何的影响，并且可以实现a c c 系统的所有功能。虽然和普通定速巡航系统相比多了一个过程，增加了计算量， 但目前的电子控制器的计算能力是可以满足这种要求的。因此本论文在定速巡航 系统的控制结构上将采用了如图1 - 3 所示的控制结构，本论文主要的研究内容是 针对这个控制结构进行控制器中算法的设计。 l 3 , 2 定速巡航控制系统建模 定速巡航控制需要通过对车辆纵向运动系统的精确控制来实现，建立合适的 车辆纵向运动模型是控制的基础。另外对于后面控制方法的研究及评价是基于系 统仿真及实验的结果进行的，对此也需要建立比较准确的车辆模型。 第一章 l 言 早期美国加州大学伯克利分校的d o n nh m e m a h o n 等人在1 9 8 9 年的p a t h ( p a r m e r s f o r a d v a n c e d t r a n s i t a n d h i g h w a y s ) 项目中建立的车辆纵向运动模型如 图1 _ 4 所示【l i 】： 图1 - 4p a t h 系统车辆纵向运动模型 模型将车辆纵向运动的部件划分为发动机( 包括发动机和其控制部分) ，变 速机构( 包括液力耦合器和自动变速器) 和车辆传动行驶系( 包括传动轴、主减 速器、半轴、车轮及制动系) 三个部分，通过力矩和转速传递连接。其中发动机 的模型综合考虑了发动机空燃比、废气再循环率( e g r ) 、大气压力、迸气歧管 内空气流动特性、点火提前角、以及发动机转速和节气门开度对发动机性能的影 响，建立了一个包括四个状态和两个时间延时的四冲程燃油喷射式发动机模型， 这四个状态是：进气歧管的压力，发动机废气再循环率，发动机的喷油量和发动 机转速，两个时间延时是从进气到力矩产生的时间延时和从点火到力矩产生的时 间延时。变速机构的模型包括一个液力变矩器模型和一个自动变速器模型，共有 两个状态，液力变矩器涡轮转速和自动变速器输出轴转速。在车辆传动行驶系建 模时将车辆简化为双轮自行车模型，考虑了传动系统弹性变形、轮胎特性等的影 响，建立了一个六状态传动行驶系模型，这六个状态是：传动轴转速、前轮( 驱 动轮) 转速、后轮( 从动轮) 转速、车速、前轮制动力矩和后轮制动力矩。 该模型综合考虑了车辆的纵向运动涉及的诸多因素，精度较高。但也因此导 致模型的复杂度比较高，运算量很大，需要控制硬件有较高的计算能力，这意味 着使用成本的增加，限制了此模型的产品化应用。另外由于该模型对定速控制缺 第一章引言 乏针对性，不方便用于控制器算法的设计。 1 9 9 3 年美国南加州大学的ei o a n n o u 等人以j k h e d r i c k 等人建立的多状态 车辆纵向运动模型为基础 1 7 ，针对车辆智能巡航系统，将车辆纵向运动系统看 作一个输入节气门命令、制动命令，输出车速的双输入单输出的系统，将一些输 入例如道路情况，风阻都当作扰动来处理，对模型进行了简化，得到两个表征车 辆纵向运动的子模型，分别是节气门开度到车速、车辆位置的模型和从制动压力 到车速、车辆位置的模型。由于简化了h e d r i c k 等人的模型，使运算量明显降低， 用于后续的控制器设计后取得了较好的效果。 随着国内从九十年代以后对a c c 控制系统的逐渐重视，相关的研究得到了 较快的开展，建立了一些针对性较强的车辆纵向运动模型。吉林大学詹军等人【1 3 l 在根据定速巡航控制的工况特点，对汽车纵向运动模型做如下假设：( 1 ) 轮胎相 对地面的滑动可忽略；( 2 ) 从发动机到后轴的扭矩传递中无相对滑动。在其制动 系模型的基础上【1 4 】，引入发动机- - 状态模型，给出了驱动与制动的切换标准，建立 了基于自适应巡航控制的汽车纵向运动模型。该模型的优点是可以利用发动机制 造商提供的发动机扭矩与歧管压力和发动机速度关系的m a p 图进行查表计算， 利用了车辆的标准数据，参数的获得相对容易。 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的侯德藻，宾洋，高锋等人在车辆 a c c 系统的研究中总结了前期国内外建模的特点，在车辆各纵向动力总成的理 论分析的基础上，应用混合建模技术和方法，针对定速控制对于车辆纵向模型的 要求，将理论分析模型和车辆实际实验数据有机结合，充分利用各动力总成现有 的标准数据，建立了可模拟车辆运行全过程的车辆纵向运动模型l l ”。其中发动 机模型通过发动机特性曲线描述发动机输出转矩与油门及转速间的非线性关系， 用l 阶惯性环节描述发动机的动态过程。传动系模型包含液力变矩器和一个4 挡变速器。液力变矩器用速比容量系数和速比力矩比特性曲线描述。变速器挡 位是油门开度和车速的非线性函数。行驶系输入量是驱动力矩，输出量是车速，受 空气阻力、滚动阻力和道路坡度等环境因素影响。通过实车实验与仿真结果的对 比得知该模型能够准确地反映车辆纵向动力学特性且兼顾了模型的准确性和简 洁性，满足了车速控制系统对车辆纵向动力学模型的要求。 总结车速控制系统的建模情况可以发现，模型的建立需要针对具体的研究对 象和要求，一个合适的模型既要符合设计系统的需要，保证系统描述的准确性， 又要考虑到其应用的简洁性，为下一步车速控制算法的研究提供基础。 第一章引言 1 3 3 定速巡航控制系统的控制算法设计 国外关于a c c 控制系统的研究开始的较早，针对1 3 1 节中两种a c c 系统 的控制结构，在定速巡航控制系统的控制算法设计中获得了许多有价值的研究成 果。 美国加州大学伯克利分校在进行p a t h 项目的研究时针对定速控制采用的 是直接式的控制结构。z x u 和p i o a n n o u 等人在对j k h e d r i c k 等人建立的模型 上忽略了制动作用并进行了线性化处理以后采用了基于参考模型自适应控制的 算法【i q ，给出基于连续时间和离散时间控制率，节气门的开度由设定速度以及 自车速度和设定速度差的饱和函数来决定，每个变量前的系数都有自适应算法来 根据扰动的变化来辨识，此算法对于外界干扰和系统的不确定性具有较强的鲁棒 性，能够实现较好的控制效果，但对于实用化来说，稍显复杂，不利于底层硬件 的实现。 美国密歇根洲工程局的系统控制中心联合戴姆勒一奔驰公司设计控制器采 用的也是直接式的控制方式。最初他们采用了基于多个线性控制器的增益调节控 制【1 7 】【堋，实现了由输入的节气门开度和档位信号对输出车速的调节。这种方法 和传统的增益调节有很大的不同，它根据由试验得到的各种工况下的结果，建立 了许多线性控制器，每个分控制器都被设计用来解决相应工况下的问题。此方法 的优点在于将车辆的非线性问题用多个模型进行了线性化处理，在相应的工况下 能够在车辆的工作范围内较好的跟踪设定车速。缺点是面对行驶中遇到的各种情 况例如道路坡度、风阻和车辆自重的改变导致不同工况下参数的变化，对不确定 性系统控制效果的稳定性有所欠缺。 美国f o r d 汽车公司的m k l i n b a l d a 等人设计的控制器也是基于直接式控制 【埘，采用基于梯度算法的自适应控制和p i 控制的结合，和p a t h 项目中的算法 类似，他们也是使用基于梯度算法的自适应控制率来实时辨识控制参数，只是控 制的是p i 控制中的比例和积分器的参数，但由于结合了结构简单的p i 控制，使 得算法趋于简捷，实现起来较之p a t h 容易了一些。 随着控制要求的逐渐增高，在控制器的设计中人们发现在考虑驾驶员特性和 车辆行驶环境和车辆本身状态的条件下，由单个控制器实现较多的控制要求有较 大的困难，例如给出的期望速度以后。需要根据车辆所处的环境或者驾驶员的驾 驶特性对设定值进行一定的修正，此时，分层式控制结构由于采用模块化的设计， 上、下位控制器分工明确，就可以通过上下位控制器的分别设计，满足多项控制 要求。这样就为车速控制算法的设计提供了一个新的方向。 韩国汉阳大学的k y o n g s u y i 等人设计的a c c 系统中的定速巡航控制中采用 第一章引言 的是基于上下位控制器的分层式设计。其主要思想是由上位控制器将期望的速度 转换成期望的加速度输入到下位控制器，继而控制油门和制动。上位控制器的算 法是基于p 反馈 1 9 1 1 2 0 1 1 2 。将期望的速度转换为加速度的过程使用了p 反馈，其 表达式如下： u = k 忆一) ( 1 - 1 ) 其中k 是增益系数，是a c c 车辆行驶中的速度，有两种情况，当前方没 有目标车时，它是驾驶员设定的速度；如果前方有目标车，它由下式定义： 1 0 = + 1 锄 ( 1 - 2 ) 其中是前车的速度，。是一个速度的偏置量，在其研究中被定义为 5 1 a n h 。这样控制器就可以在前方没有车辆时按驾驶员设定的速度得到一个加速 度，从而实现巡航行驶，( 而在有前车并且速度小于a c c 车辆时，将前车的速度 和偏移量的和作为设定的速度，实现跟车行驶) 。为了得到一个满意的期望加速 度，考虑到乘坐人员的舒适性，加速度的值还需要利用一个二次滤波函数和截至 函数来控制： ! 熊：t 尘， ( 1 3 ) ，+ 2 分m s + o j 2 = s a t ( u ) = 甜i f f 甜一矿 【矿 u 甜m “ u r u “( i - 4 ) u u m i a 其中和。分别为1 埘s e c 2 和_ 2 5 m l s e c 2 。 下位控制是将上位控制器得到的期望加速度根据其建立的动力学模型逆推 得到一个节气门开度，再结合p i 反馈得出最终用于执行机构的节气门开度。其 过程如图1 5 所示： 图l - 5 汉阳大学车速控制过程 汉阳大学的这个方法使用了上下层控制的形式，采用p i 控制算法，可以控制车 辆实现期望的速度，系统响应快速性较好；又考虑了乘坐的舒适性，分工明确， 满足了多项控制要求。但此控制器未考虑车辆自身状态参数变化及车辆应用环境 第一章引言 变化的影响，导致鲁棒性较差。 瑞典查尔姆斯理工大学的a n d e r sb j o m b e r g 等人在其r t i ( r o a dt r a n s p o a i n f o r m a t i c s ) 项目中也使用了基于上下位控制的结构【笠】，同时类似于汉阳大学 k y o n g s uy i 的算法，采用了比例控制来反馈设定速度和自车速度的差值，对下位 控制器输出期望的加速度。 德国宝马汽车公司的p a u lv e n h o v e n s 等人在上位控制器设计中采用的是修 正p i d 的方法田】，他们采用相对速度比例反馈、距离误差比例反馈、自车加速 度比例反馈及一个与前车运动状态有关的补偿项综合计算车辆的期望加速度，使 车辆实际速度向期望速度收敛，这种收敛可以不受前车运动状态的影响。 近几年以来，国内的一些大学和相关研究机构针对定速巡航控制也提出了不 少控制的方法，如清华大学汽车安全与节能国家重点实验室在对现有a c c 控制 算法进行总结的基础上提出了一些新的控制算法，例如侯德藻同学设计了基于 皿，控制理论的鲁棒反馈控制 2 4 1 ，所设计的模型匹配鲁棒下位控制器在控制精 度、跟随快速性等方面取得了控制较好的控制效果。宾洋同学设计了改进的非线 性s m i t h 预估补偿方法并结合时滞算子、扩展李导数和扩展李括号方法，实现 了车辆的减速度跟踪控制嘲。高锋同学针对由于模型误差导致汽车纵向运动控 制系统在实际使用中性能恶化的问题，采用状态估计器，应用鲁棒控制器的设计 方法，建立了基于鲁棒控制理论的多模型分层切换控制，解决了汽车纵向模型存 在较大模型误差的问题，实现了车速和加速度快速、准确的控制嘲。 总结定速巡航控制系统的控制算法情况发现，分层式控制系统由于采用模块 化设计，上、下位控制器的设计目的明确，适合于控制器的设计。用于车速控制 的算法多种多样，但由于车辆控制系统的不确定性，目前的控制算法在具体的工 况和特定的条件下能够实现较好的控制效果，在变参数和工况的情况下，控制系 统的鲁棒性有待改善，需要进一步研究解决。 1 4 自适应控制 1 4 1 自适应控制的产生和分类 当对被控对象的本身特性及外部环境了解不多，或者它们在正常运动中有变 化时，如何设计出一个控制系统，它能根据对象实际运动情况自动调节控制律， 以实现人们期望的控制结果【2 7 】，这样的愿望推动了自适应控制的产生和发展， 自从5 0 年代末期由美国麻省理工学院提出第一个自适应控制系统以来，先后出 现过许多不同形式的自适应控制系统。发展到现阶段，无论是从理论研究和实际 应用的角度来看，比较成熟的自适应控制系统有下述两大类。 第一章引言 ( 5 ) 模型参考自适应控制系统( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ，简称 m r a s ) 图1 - 6 模型参考自适应控制系统 当参考输入r ( o 同时加到系统和参考模型的入i ：1 时，由于对象的初始参数未 知，控制器的初始参数不可能调整的很好。因此，一开始运行系统的输出响应y ( f ) 与模型的输出响应靠( f ) 是不可能完全一致的，结果产生了偏差信号“，) ，由p ( f ) 驱动自适应机构，产生适当的调节作用，直接改变控制的参数，从而使系统的输 出y ( f ) 逐步的与模型输出y 。o ) 接近，直到y o ) = ( f ) ，e q ) = 0 为止当砸) = o 后，自适应参数调整过程也就自动中止。 ( 6 ) 自校正调节器( s e l f - t u n i n gr e g u l a t o r , 简称s t r ) 图1 7自校正调节器的结构图 这种自适应控制器可以设想成由内环和外环两个环路组成，内环包括被控对 象和一个普通的线性反馈调节器，这个调节器的参数由外环调节，外环则由一个 递推参数估计器和一个设计机构所组成。这种系统的过程建模和控制设计都是自 第一章引言 动进行，每个采样周期都可以更新一次。这种结构的自适应控制器称为自校正调 节器。这种结构表示当对象参数通过估计器得到以后，通过某种方法对控制律进 行求解。由于调节器的控制律可以是多样的，而且参数估计的方法也有多种，所 自校正调节器方案灵活，可以采用不同的控制方法来满足不同的性能要求。 比较两种控制系统，可以看出他们的结构大体相同，都具有两个反馈回路， 内环都是由对象和控制器组成，调节参数由外环调整来确定，外环的调整是以对 象输入和输出的反馈为基础。不过，这两个系统的内环设计方法和由外环调整内 环控制器的技术是不同的。 1 4 2 自适应控制的研究现状 由于自适应控制自身的复杂特性，许多研究工作在理论上仍未达到合理和完 整的程度。目前对于自适应控制本身而言，主要的理论研究还是集中在以下三个 方面。 ( 1 ) 稳定性 自适应控制系统的稳定性指系统的状态，输入，输出和参数等变量，在干扰 的影响下，应当总是有界的。目前稳定性理论已经成为研究模型参考自适应控制 的主要理论基础，其许多的自适应律都是基于严格的稳定性要求导出的，但这些 条件在实践中往往难以实现，所以在这个方面，许多学者展开了相关的研究渊。 ( 2 ) 收敛性 自适应算法具有收敛性指在给定的初始条件下，算法能够渐近的达到其预期 的目标，并在收敛过程中，保持系统的所有变量有界。在自校正控制中，由于要 采用各种形式的参数递推算法，收敛性就显得尤为重要。浙江大学的梁军等人再 利用自适应控制理论的时候，结合p i d 控制，针对线性系统，在使用s i s o c a r m a 模型的基础上，给出噪声的假设假定： e 国( f ) i f _ 1 = 0 口j e 国2 ( f ) i ) = o r 2 a s ( 1 - 5 ) 一l i ms u p ! 。，9 ，。o ) 2 ( f ) 口 即 2 ( f ) ) 是均值为0 ，方差盯2 的有界白噪声序列。饵) 是由直到t 时刻输入输出 信息所生成的f 的子盯代数。另外给出了关于系统的假设假定： 夸a ( q 。1 ) ，b 国。) 和c ( q 1 ) 阶的上界n ，m ，l 和时滞d 已知； 夸 c ( g - 1 ) 是h u r w i t z 多项式。 夸8 ( q 。) 是h u r w i t z 多项式。 第一章引言 参考序列有界，即：i y r ( t ) i m c o , t 0 在以上假设的条件下，如果模型中1 1 c ( q - 1 ) 一1 1 2 l 严格正实，则他们设计的 广义最小方差自校正p d 控制器是全局b m 0