【《基于PID的汽车自适应巡航控制系统算法设计案例》3300字】

基于PID的汽车自适应巡航控制系统算法设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u30254基于PID的汽车自适应巡航控制系统算法设计案例 1109411.1引言 1131151.2PID控制器 283011.2.1PID控制器概述 264731.2.1PID控制器设计 3123061.3基于PID控制的ACC模型 4244621.1.1输入板块 4199061.1.2输出板块 61.1引言汽车纵向动力学系统中包含发动机、液力变矩器等多个重要部件。由于这些部件大多都是非线性部件，具有非线性、不确定性和时变性，甚至会发生参数跳变。综合这些特点考虑，常见的控制方法有两种：一种是在设计控制策略时，忽略被控对象的非线性的特点，建立线性定常模型，这种方法便于设计控制策略，然而会导致模型严重失配，系统鲁棒性也较差，这使得被控对象难以在复杂的交通环境中被有效地控制；另一种是建立精确的纵向动力学模型，但这会导致结构变得相对复杂，且控制策略变得更加繁琐，而且汽车参数与外部环境变化会在一定程度上对精确模型产生影响。综合上述分析，由于本论文在针对传统汽车纵向动力学的同时，还兼顾了汽车驾驶员的换道意图。因此，选择PID这种简单有效的方法，且它广泛应用于反馈回路的设计，具有使误差快速收敛的特点，提高了系统的精度。1.2PID控制器1.2.1PID控制器概述PID是比例控制、积分控制、微分控制的缩写，分别代表了三种控制算法。通过这三个算法的组合可有效地纠正被控制对象的偏差，从而使其达到一个稳定的状态。比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，立即产生控制作用以减小偏差。比例控制器的输出u(t)与输入偏差e(t)成正比，能迅速反映偏差，从而减小偏差，但不能消除静差。静差是指系统稳定过程趋于稳定时，给定值与输出量的实测值之差。偏差存在，才能使控制器维持一定的控制量输出，因此比例控制器必然存在着静差。由偏差理论知，增大疋虽然可以减小偏差，但不能彻底消除偏差。比例控制作用的大小除与偏差e(t)有关之外，还取决于比例系数Kp的大小。一般校正后的开环传递函数：G比例系数Kp越小，控制作用越小，系统响应越慢；反之，比例系数Kp越大，控制作用也越强，则系统响应越快。但是，Kp过大会使系统产生较大的超调和振荡，导致系统的稳定性能变差。因此，不能将Kp选取过大，应根据被控对象的特性来折中选取Kp，使系统的静差控制在允许的范围内，同时又具有较快的响应速度。积分环节：积分环节的作用，主要用于消除静差提高系统的无差度。积分作用的强弱，取决于积分时间常数Ti，Ti越大积分作用越弱，反之Ti越小，积分速度越快，积分作用越强。在积分时间足够的情况下，可以完全消除静差，这时积分控制作用将维持不变。一般，比例积分的传递函数为：G微分环节：微分环节的作用能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。积分控制作用的引入虽然可以消除静差，但是降低了系统的响应速度，特别是对于具有较大惯性的被控对象，用PI控制器很难得到很好的动态调节品质，系统会产生较大的超调和振荡，这时可以引入微分作用。一般，比例积分微分控制器传递函数为：G式中，Td为微分时间常数。微分环节有助于系统减小超调，克服振荡，加快系统的响应速度，减小调节时间，从而改善了系统的动态性能，但微分时间常数T1.2.1PID控制器设计由于汽车逆纵向动力学的非线性特征，本论文基于PID方法的简单有效，建立了纵向动力学模型的前馈补偿环节。其中前馈环节的设计能够提高系统的快速稳定性，而反馈环节可以保证系统响应维持在一个良好的鲁棒水平，且前馈和反馈环节设计可单独进行，互不影响。前馈加反馈的控制策略充分综合并且放大了这两种方法的优点，使得系统响应可靠性更高，实用性更好，满足设计要求。具体控制策略如图1.1所示。图1.1基于PID控制的ACC系统框架在PID控制的设计中中，最核心的部分是调整参数。在比例控制环节中，比例系数KP越大，系统的响应越快。积分环节中，KL越小，积分环节则越不敏感。本文所设计的整车模型中的PID算法主要运用在发动机力矩控制和车辆制动轮缸压力的控制。主车车速的变化主要通过对制动轮缸压力的控制和对左右轮毂发动机转矩的控制来实现。车辆制动轮缸压力的控制模块中，通过雷达输出探测到的两车间距与所设定的安全距离进行运算，通过PID算法对主车制动轮缸压力进行控制。当两车间距小于所设计的安全距离时，经过PID控制后，制动轮缸压力增大，车辆减速运动以保证安全行驶。当两车间距小于所设计的安全距离时,经过PID控制后，主车的制动轮缸压力减小，车辆加速运动跟上前车。车辆发动机输出力矩模块中，目标车辆车速和主车车速之差通过PID控制输入到左右轮毂发动机，由主车左右轮毂发动机输出转矩控制主车车速变化。1.3基于PID控制的ACC模型本文所设计的自适应巡航控制主要控制过程如图所示。本文所设计的自适应巡航控制主要采用PID控制。下面将会对该模型进行分析。如图1.2所示。图1.2CarSim与Simulink联合仿真模型图1.1.1输入板块制动主缸压力考虑到主车既能跟上目标车辆，又能使目标车辆在主车的雷达探测范围内，经过调试，在水平路面仿真时，本模型中将两车之间的最小安全距离SetupDistance设置为2m。在本文所选坡道上仿真时，最小安全距离设置为4m。随后，将所设置的安全距离与雷达监测到的主车的车头与目标车辆的车位之间的距离进行减法运算，然后经过一个PID控制，即PIDController2。如图1.3所示。图1.3制动主缸压力板块其中PID控制中比例系数KP取0.3，积分环节系数Ti取0，微分环节系数Td取0。由于该部分主要控制制动版块，所以算法较为简单，只需要一个比例控制，且这样已达到本论文所设计的要求。经过PID控制之后，将会输出一个数值FB，作为主车制动主缸压力的数值，而制动主缸的压力是需要在一定的数值范围的。根据CarSim车辆模型的制动主缸的上下线数值，将该数值下限设置为0，即下限为没有制动压力，上限即最大的制动主缸压力设置为15，15可看作是车辆刹车踩到底时产生的制动压力。FB是制动压力的信号，这个信号将会输入到主车的车辆模型当中，也就是前文中所提到的主车的输入变量中的IMP_PCON_BK制动主缸压力。前轮两发动机转矩在两车车速经过PID控制输入参数到前轮左右两侧发动机中之后，两个轮毂发动机将输入转矩给主车，即减速或加速运动，或者保持车速不变，以实现主车的巡航控制。如图1.4所示。图1.4车辆左右前轮输入转矩模型雷达探测结果通过雷达控制器对主车与目标车辆的距离及角度的监测，当目标车辆超出雷达探测范围时，雷达控制器将会输出一个信号给控制系统，控制车辆加速前进，跟上目标车辆。当目标车辆在雷达探测范围时，雷达控制器经过监测，将会输出两车的实际距离，通过控制系统运算，从而控制主车的制动轮缸压力，实现主车的加速或减速运动。如图1.5所示。图1.5雷达探测控制器1.1.2输出板块两车车速目标车辆输出车速Vx1，为了完成ACC控制的实现，将目标车辆的车速作为主车的速度的控制，用目标车辆的速度Vx1减去主车的实际速度Vx，得到其差值，再输入到PID控制模块，即下图1.6中的PIDController。图1.6关于车速的PID控制器该PID控制由于需要满足主车的跟随工况，情况较为复杂，所以需要比例、积分、微分环节都运用。经过调试，最终确定当比例系数KP取200，积分环节系数Ti取190，微分环节系数Td取2时，可以更好地实现巡航控制效果。PIDController和PIDController1的作用是将目标车辆与主车的速度差值分别转化为左右前轮轮毂发动机的目标转矩。Simulink整车模型中Motor_Left和Motor_Right模块代表主车左侧和右侧的轮毂发动机。车辆坐标主车的横纵坐标和横摆角是其输出变量，并且该三者作为雷达模块RadarSensor的数据输入，即MyData为主车的Xo、Yo、Yaw三个数据。如图1.7所示。图1.7输出横纵坐标和横摆角经过雷达控制之后，雷达模块输出一个间距值Distance，与初始设置的SetupDistance的数值进行比较，两者差值输入到PIDController2中，再进入后续控制模块。当两者差值大于安全距离时，主车制动主缸压力减小，同时转矩增大，车辆将进行加速运动；当两者差值小于安全距离时