汽车自动巡航系统的PID控制研究.docx
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汽车自动巡航系统的PID控制研究
汽车自动巡航系统的PID控制
摘要
目前,汽车巡航控制系统的控制算法已有各种算法,如模糊控制、最优控制等高级技术等,由于PID控制方法更为成熟,设计、操作方便,应用更为广泛。
本文就是对自动巡航系统采用PID控制,并通过仿真进行分析。
本文对汽车巡航控制系统进行研究。
考虑了定速和跟车两种驾驶模式并通过决策模块进行切换,并引入逆模型对模型进行了分析,使之适用于巡航控制系统的研究。
研究了可用于汽车巡航控制的控制方法,建立了PID控制系统模型。
整个控制系统应用ACC的逆模型,以比例—积分—微分(PID)算法建立控制器,调整控制器参数,构成有效的控制系统。
利用MATLAB/SIMULINK,在已有数学模型基础上,建立了整个系统的两大主要仿真模块:
决策模块和ACC控制模块。
构建起了整个仿真系统,调整了各个仿真模块的参数,仿真结果较为合理。
关键词:
巡航控制系统;PID控制;仿真
Abstract
Atpresent,theautomobilecruisecontrolsystemcontrolalgorithmhadeachalgorithm,ifcontrols,theoptimumcontrolfuzzilyandsoonthehigh-leveltechnologyandsoon..Becauseofmaturerandeaseofoperation,thePIDcontrolmethodismorewidespread.ThisarticleisusesthePIDcontroltotheautomaticcruisesystem,andcarriesontheanalysisthroughthesimulation.
Thisarticleconductstheresearchtotheautomobilecruisecontrolsystem.Wehadconsideredtheconstantspeedandcarriesonthecutwiththevehicletwokindofdrivingpatternsandthroughthepolicy-makingmodule,andintroducedthecountermodeltocarryontheanalysistothemodel,tomakeitsuitablinginthecruisecontrolsystemresearch.
Wehasstudiedavailableintheautomobilecruisecontrolmethod,andhasestablishedthePIDcontrolsystemmodel.Inentirecontrolsystem,wetaketheoperatingspeedandthecruisevehiclespeederrorasaninputvalue,andtheoperatingspeedasoutputvalue,thenweusethecountermodelofACC.Takingaproportion–integral--differential(PID)controllerasthecontrollertoadjustmentthecontrolleronline,thenweconstitutetheeffectivecontrolsystem.
UsingMATLAB/SIMULINK,wehadinthemathematicalmodelfoundation.Andwehasestablishedtheoverallsystemtwobigmainsimulationmodule:
Policy-makingmoduleandACCcontrolmodule,toconstructedtheentiresimulationsystem.Wehasadjustedeachsimulationmoduleparameter,causesthesimulationsystemreasonably,theaccuratesimulationrealsystem.
KeyWords:
Cruisecontrolsystem;PIDcontrol;Simulation
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题研究的目的和意义1
1.2自动巡航系统研究现状及发展趋势2
1.3论文研究内容5
2汽车巡航系统模型的建立6
2.1自动巡航系统ACC的建模6
2.1.1ACC系统的结构分析6
2.1.2ACC逆模型的建立7
2.2决策模块的建立8
2.2.1决策系统介绍8
2.2.2上位系统的建立8
2.3模块的封装10
3增量式PID控制算法设计11
3.1PID控制器的设计11
3.2PID控制算法的选择12
3.3控制系统采样周期的选择13
3.4PID控制器的仿真分析13
4系统仿真及分析结果15
4.1仿真语言简介15
4.2仿真及结果分析15
结论18
参考文献19
致谢20
1绪论
1.1课题研究的目的和意义
为了加快我国汽车工业的发展,提高我国汽车的技术含量是迫在眉睫的问题之一。
而本课题正是为了适应目前国内汽车工业的情形而产生的。
随着我国的稳定增长和我国汽车工业的飞速发展,汽车消费将迅速进入大众化阶段。
因此,驾驶的安全性就成了一个首要问题摆在了我们的面前。
尤其是在高速行驶时,这一问题尤为突出。
传统的汽车驾驶中,汽车即使是在高速长时间行驶时,驾驶员仍需控制加速踏板(油门),这样就极易造成驾驶疲劳而降低行驶安全性。
鉴于此,近年来汽车巡航控制系统(又称恒速控制系统)越来越被许多高级汽车所装备,这种控制系统能够自动控制发动机油门开度,使得驾驶员不用控制加速踏板,而能保证汽车以设定的车速稳定行驶,从而降低了驾驶员的疲劳强度,提高了行车安全性。
当前汽车巡航控制系统的功能主要如下:
(1)保持设定车速:
是指在汽车行驶路况较好时,驾驶员按下设置键,系统以设定车速为目标车速匀速行驶。
(2)微调目标车速:
是指可以通过操纵按键来对车速进行微调(1km/h)调整,以达到所希望的车速。
(3)车速恢复:
是指在主动或被动解除巡航控制之后,系统未断开主开关之前,驾驶员可以通过按下恢复键来使车辆恢复前次所设定车速。
(4)车速变化异常时解除巡航:
主要是指汽车在巡航过程中,如果车速在一秒钟之内的变化过大(例如车速误差大于15km/h)时,巡航系统将自动退出控制状态。
(5)驾驶员操纵制动、离合踏板时解除巡航控制。
装有巡航控制系统的汽车有如下优点:
(1)保持车速稳定:
无论是上坡、下坡还是在平直的路面上行驶,只要在发动机功率允许范围内,汽车均可保证匀速行驶。
(2)可提高驾驶时的舒适性和安全性:
这一优点在高速公路或是城间高等级公路上表现尤为明显。
此外,这一系统减轻了驾驶员负担,对保证行车安全十分有利。
(3)可最大限度的节省燃油,降低排气污染:
汽车以恒定车速行驶时,可使燃油消耗与发动机输出功率处于最佳配合状态,既能降低燃油消耗,又可减少排气污染。
随着我国高速公路网的迅速扩大和延伸,汽车巡航控制系统的优越性能也将更加体现出来。
它有助于减少驾驶操作强度,降低或避免交通事故的发生,提高高速公路利用率,因此,这种汽车新技术在我国具备广泛的发展和应用前景,其研究的意义也是非常重大的。
1.2自动巡航系统研究现状及发展趋势
汽车巡航控制系统是指在一定车速范围内,当汽车受到干扰外力时,允许驾驶员不用控制加速踏板,该系统通过自动调整节气门开度从而调整发动机的转矩,使汽车按设定的车速恒速行驶。
从总体上来说,国外汽车巡航控制系统的发展大体经历了三个阶段:
第一阶段是50年代—70年代中期,以模拟信号为主的控制系统。
这一时期美国和日本相继出现了以模拟电路为基础的汽车巡航控制系统。
例如,日本丰田公司从1965年起就开始在车上装用机械式巡航控制系统,之后,德国的VDO公司也研制出气动机械式巡航控制系统。
而1968年德国奔驰公司开发了晶体管控制的巡航控制系统,并在莫克利汽车上装用。
第二阶段是70年代中后期—80年代中后期,以数字信号为主的控制系统。
随着单片机技术的发展,特别是大规模集成电路及微机的应用,出现了以数字技术为基础的巡航控制系统。
例如,1974年美国普卡斯汽车研究中心研究出了性能完善的运用卫星雷达的数字微控制器控制的车速/车距控制系统,该系统可以允许采用几种不同的控制算法,并可以改变雷达的调制参数,从而系统可以更好的适应路面状况的变化。
日本Hino(日野)公司于1985年投放市场一种基于燃油经济性的车速控制系统,其控制框图如图1.1所示,其控制部分是基于数字式的微控制器。
有些文献中提到了美国摩托罗拉公司研制的一种采用微处理器控制的巡航控制系统。
这种系统的所有输入指令均以数字形式直接存储和处理,带有可擦只读存储器的八位微处理器(MCU)根据指令车速、实际车速以及其他输入信号,按给定程序完成所有数据处理之后产生一个输出信号驱动步进电机,改变节气门开度,每种车型的最佳加速度和减速度由编程人员决定。
从安全上考虑,将制动开关与节气门执行器直接相连,这样,当踩下制动踏板时,在断开巡航控制的同时,将执行器的动力源断开,从而使节气门完全关闭。
图1.1Hino公司研制的经济型车速控制系统框图
从90年代开始,国外又开始发展以智能化为核心的汽车巡航控制系统(AICC)和以定距离控制为主的自适应巡航控制系统。
1990年美国鲁卡斯公司研制出一种自动恒速智能控制系统,该系统采用了连续调频微波雷达,通过雷达来探测前方车辆和本车的距离,通过处理单元计算出相对车速与距离,并将该信息提供给电控单元,通过执行器控制节气门与制动器来控制车速。
之后,该公司又针对暴露的问题加以改进,在美洲虎牌轿车安装了新的自动恒速控制系统,并对控制节气门与制动器的执行机构作了改进,微波雷达安装在前保险杠内,通过塑料车牌照发射微波探测信号。
一些文献介绍了一种自适应巡航控制系统的组成。
这种ACC主要由测速装置,转向角传感器,车速传感器,车轮转向传感器,制动ECU,转矩ECU和发动机ECU等组成。
当道路情况良好时,该系统就是普通的巡航控制系统,可以按设定车速巡航行驶;当另一辆车进入装有这种系统的汽车的车道或以比该车慢的速度在前面行驶时,车身的测速装置自动测量距离以及和被测车的相对速度,并通过巡航控制系统控制制动器。
如果前方车辆从测量范围内消失,ACC将自动恢复原先车速,如果前方车辆减速,ACC来维持一定的时间间隔,从而避免了汽车的追尾。
其中还介绍了一种半自主式巡航控制系统的研究。
便操纵制动器文中提及此种巡航控制系统能够很快的应用与公路上,同时能够保持人工操纵和自适应巡航控制系统的共存。
其研究的理论结果表明,此种控制具有更高的控制精度和更强的控制鲁棒性。
文献中综合利用仿真、分析和实验结果对人工驾驶和具有自适应控制系统的汽车进行了比较,从得到的数据和信息可以知道,具有巡航控制系统的汽车能对驾驶员提供重要的辅助作用,对行驶安全性提供了一种主动安全技术。
不少车辆,特别是中高级轿车已经把巡航控制系统作为配属设备或被选设备。
例如:
日本的皇冠(CRWON)、凌志(LEXUS)、佳美(CAMN)、陆地巡洋舰、美国的纽约人(NEWYORKER)、别克(BUICK)、凯迪拉克(CADILLAC)、福特天((TEMPO)、德国的奔驰(BENZ)、宝马(BMW)以及我国的红旗轿车等均装有巡航控制系统。
由于国内汽车工业起步较晚,技术相对落后,并且就目前我国公路状况和实际应用来说,对汽车巡航控制系统的研究应该主要是以单车定速控制为主。
目前,模拟汽车恒速控制器在我国已经投入生产和使用。
例如,由江苏省仪征式巡航设备厂生产的XD-I型汽车定速系统是一种机电式汽车巡航控制系统。
该系统用汽车发动机工作时产生的真空度做动力,通过系统简单的机电结构来稳定发动机的转速,使其产生的真空度保持最小的变化。
由于其自动对发动机的油门进行控制,使驾驶员在驾驶时不用踩油门,换档减速时发动机自动变速,能节省燃油5%以上,减轻驾驶员驾驶疲劳度。
然而该机电式巡航控制装置虽然结构简单,却有控制精度不高,稳定性不强等缺点。
国内也开始了对电子式巡航控制装置的研究。
例如,北京理工大学应用PID控制对汽车巡航控制进行了细致的研究,结果表明,由于车速变化的非线性,此种控制方法难以满足不同车速时的控制要求。
由清华大学王俊敏等人研制的汽车数字式巡航控制系统,采用了变参数的比例一积分(PI)控制算法,可根据系统识别的汽车行驶状况和目标车速与实际车速之间的偏差大小,通过查表来调整控制参数。
这一控制方法的缺点是:
每一组特定的PID参数都是对应于某一段范围内的特征车速,因此对于不断变化的车速来说,其控制特性仍然不很理想。
国内也有人将模糊控制算法应用于巡航控制系统,其前提是认为司机对汽车的控制,从本质上来说是一个模糊控制的过程。
驾驶员驾驶汽车时,根据目标车速与实际车速之间的偏差及路面情况,利用自己的经验,决定加速踏板的变动量,从而使汽车车速趋近于目标车速。
模仿这一过程的模糊控制原理如图1.2所示。
用于汽车巡航控制的模糊控制器的输入量一般可选择设定车速和实际车速的偏差以及偏差的变化率。
模糊控制不依赖系统的精确数学模型,因而对系统的参数变化不太敏感,具有很强的鲁棒性。
其不足之处是模糊控制规则的获取和模糊隶属函数形状的确定是一项费力的工作。
且系统一旦确定,其规则和隶属函数就确定了,不能随外界和车辆参数变化进行调整。
图1.2汽车巡航模糊控制原理
应该指出,目前国内对汽车巡航控制系统的研究还不是很成熟,控制结果参差不齐,例如控制的精度和稳定性差别很大。
而对汽车巡航控制系统研究的关键就是能够找到一种合适的控制算法,使得控制的结果尽可能的令人满意。
1.3论文研究内容
鉴于目前国外内汽车巡航控制系统的研究现状和趋势,本课题的主要研究内容是以下几部分:
(1)汽车ACC逆模型的建立:
汽车ACC逆模型是整个仿真研究的基础,模型建立的恰当与否,将关系到仿真结果的准确性及后续研究的可行性。
本文将以发动机模块为对象,分析汽车行驶过程中发动机输出的速度及加速度的变化,在合理假设的前提下建立起汽车ACC逆模型。
(2)控制方法的分析与设计:
由于汽车、发动机及传动系的非线性特性,当车速变化时,系统的控制参数是不确定的。
所以利用PID控制算法对整个系统进行反馈监视调节。
当汽车在行驶过程中受到干扰而车速变化时,控制系统将根据被控对象的变化特征在线及时的调整控制参数,使控制效果保持最佳。
(3)对汽车巡航控制系统的仿真研究:
将在己建立的控制系统数学模型的基础上,利用MATLAB/SIMULINK建立整个系统的仿真模型,得出控制曲线,并通过曲线分析PID控制算法。
2汽车巡航系统模型的建立
本文所设计自动巡航系统主要由决策模块,ACC控制模块和发动机模块三个大部分构成,巡航系统中三大模块的工作原理图如图1.3所示:
图1.3巡航系统的工作原理图
(1)决策模块:
带有决策控制功能,能够针对自动巡航系统的定速功能和跟车衡速行驶功能进行判断及自动切换,对进入和退出该系统进行自动判断。
(2)ACC控制模块:
带有PID控制器,通过反馈量对所输入的车速进行微调,使其保持相对稳定的输出。
该模块的输入量为车速,通过模块转换,使其输出量变成控制节气门开度和制动踏板的信号量。
(3)发动机模块:
进行发动机部分的仿真,通过ACC模块的输出量进行工作,输出速度、加速度、转矩等一系列数据,转化成波形直观的对巡航系统进行系统分析。
本章介绍了ACC模块的设计方案,对其内部原理进行了简要说明。
对上位系统的作用进行了介绍,对其功能及各部分模块进行了分析,对跟车系统和定速系统之间的切换做了设计分析,为整个系统的仿真的可行性和稳定性奠定了良好的基础。
2.1自动巡航系统ACC的建模
2.1.1ACC系统的结构分析
ACC系统主要对定速和跟车两大子系统进行控制:
在前方无引导车时,控制本车按照设定的巡航速度运动;在前方有引导车时,系统通过测距雷达检测与引导车的实际距离,调节控制信号来保持期望的车辆行驶速度。
从而提高驾驶员的驾驶舒适度,以减轻疲劳。
在该系统中包括了对定速系统和跟车系统之间切换的执行器、PID控制器、转换并输出控制节气门开度和制动踏板信号的下位系统,这其中PID控制器为整个反馈回路的主要控制部分。
ACC在跟车系统中的工作图如图2.1所示:
图2.1ACC跟车系统工作图
ACC系统结构如图2.2所示:
图2.2ACC系统结构图
2.1.2ACC逆模型的建立
加速度是调控与前车速度和距离的决定因素。
加速度由高层数控制器计算并传给ACC逆模型作为输入信号期望加速度。
车速度、齿轮和发动机速度的输入值由传感器测量。
逆模型的内部建模如图2.3所示。
图2.3ACC逆模型内部建模图
ACC模块以前车的行驶条件为依据所得出的加速度被低层数控制器在节流孔位置转换,低层数控制器通过交换器和引擎特征线的反馈进行调节。
在齿轮的依赖性、速度、引擎扭矩的发动机速度和对应的节流孔位置都需要具备才能计算出所需要的加速度。
但是由于演算方向是从环境状况到引擎之间所做的逆模型,因此功率流实际上也是反向工作的。
2.2决策模块的建立
2.2.1决策系统介绍
决策模块为整个系统的上位系统,其功能是通过传感器所测出的车距和反馈信号来在定速系统和跟车系统之间进行切换,同时通过外部信号来判断进入或者退出巡航系统。
上位系统框图如图2.4所示:
图2.4上位系统模块框图
框图中的输入量分别为给定速度、加速度,反馈回来的实际速度、加速度和实际车距。
输出量为加速度的控制量,接到ACC模块中通过PID控制器进行调节。
系统中带有判断部分,用反馈回来的数字信号量来判断进行定速功能还是跟车功能。
2.2.2上位系统的建立
上位系统的内部模型如图2.5所示。
模型包括CAS模块、Modedetermine模块、CC模块和ACC模块这四大部分,分别控制着上位系统中各大重要判断。
下面对几大模块的作用进行介绍。
图2.5决策模块内部模型
CAS模块的作用是在启动/退出巡航,在巡航状态下,如果突然加入外界操作,如踩下油门或制动踏板,或当与目标车的车距小于最小数值时,系统自动退出巡航状态,切换至外界操作控制。
CC模块为定速巡航控制模块,主要控制定速巡航的输出信号。
ACC模块为跟车巡航控制模块,控制跟车巡航系统。
Modedetermine模块的作用是判断并选择进入停车、定速巡航或跟车巡航状态。
Modedetermine模块与CC模块、ACC模块和定值0构成一个大的选择开关。
Modedetermine模块内部结构如图2.6所示。
其工作原理为:
当车速为零时,加法器两个输入都为0,输出0,则开关选择“0”,即是停车;当满足车速大于零,且与前车距离大于一定值时,加法器的输入为1和0,输出为1,选中定速巡航控制器;当车速不为0和与前车距离小于定值时,加法器的输入为0和2,输出为2,那么就选中了跟车巡航系统。
即控制了对巡航系统模式的切换。
图2.6Modedetermine模块内部结图
2.3模块的封装
利用Simulink的封装功能,可以自定义做一个模块的对话框和图标。
采用封装的办法,有下列好处:
(1)用户与模块内容的复杂性隔绝。
(2)提供一个描述性的、有好的用户接口。
(3)保护模块的内容免受无意识干扰的影响。
对于一个具有一个模块以上的子系统来说,封装的一个重要用途就是帮助读者创建一个对话框来设置或修改该子系统的关键参数。
这样就无需打开子系统中各个模块的对话框,然后再逐个输入参数,而是把这些模块组成一个子系统,然后来定义这个子系统的对话框来接受这些参数值。
3增量式PID控制算法设计
3.1PID控制器的设计
在汽车巡航控制系统中,PID控制器与被控对象共同组成系统的内环。
PID控制器设计的好坏直接影响到控制效果,所以有必要对透彻的分析。
PID的控制原理:
在汽车行驶过程中,驾驶员省定一个车速给控制器,同时车速传感器测得的实际车速也输入控制器,产生实际车速和设定车速的偏差(设为
v),控制器的比例部分根据偏差的大小输出相应的控制量,一控制节气门的开度,使车速迅速趋近设定车速。
考虑到偏差一直存在,控制器的积分部分就把偏差累加起来加大控制量,一消灭偏差,使车速保持恒定,而微分部分则起预估作用用。
当
v>0时,表示偏差在加大,就及时增加控制量,是
v减小;当
v<0时,表示偏差在减小,则减小控制量,一避免
v趋近于零时,又有反方向发展而引起震荡。
PID的控制器各校正环节的作用如下:
(1)比例环节:
根据控制系统的偏差信号e(t),并按一定的比例产生控制作用,以减少误差。
(2)积分环节:
主要用于消除静态误差,提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数T1,T1越大,积分作用越弱,反之,则越强。
(3)微分环节:
能反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号值变得太大之前,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,减少调节时间。
PID控制器的原理图如图3.1所示:
图3.1PID控制机器原理图
3.2PID控制算法的选择
系统给定值为r(t),实际输出值为c(t)。
则误差e(t)为:
e(t)=r(t)-c(t)
通过PID系统调节后的输出值u(t)为:
(3.1)
写成传递函数为:
(3.2)
其中
---------------比例系数
-----------------积分时间常数
----------------微分时间常数
由于计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值机选控制量,因此式(3.1)中的积分和微分项不能直接使用,需要进行离散化处理。
现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t,以和式代替积分,以增量代替微分,变换得:
(3.3)
式中T-----采样周期
在上述离散化过程中,采样周期必须足够短,才能保证有足够的精度。
把(3.3)带到(3.1)中,得到离散的PID表达式为:
(3.4)
被控对象所用到的是控制量的增量,则要导出提供增量的PID控制算式,推导得:
(3.5)
则推出增量
u(k):
(3.6)
把式(3.6)进一步改写成为:
(3.7)
他们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数,一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T,一旦确定了三个系数,只需要反复测量求其偏差,就可以求出控制增量。
增量式PID控制的优点如下:
(1)占用存储单元少,计算量小,便于单片机编程。
(2)计算机只输出增量,误动作时影响小,必要时可进行逻辑保护。
(3)手动/自动切换时冲击小,便于实现无干扰切换。
(4)算式不需要累加,控制增量△u只与最近几次采样有关,易获得良好的控制效果。
3.3控制系统采样周期的选择
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