針對純電動汽車自適應巡航控制系統(tǒng)（ACC）設計分析

鐘文京南昌市工業(yè)技術(shù)研究院

針對純電動汽車自適應巡航控制系統(tǒng)（ACC）設計分析

鐘文京
南昌市工業(yè)技術(shù)研究院

在國家戰(zhàn)略方針的推動下，新能源汽車行業(yè)風生水起迅速發(fā)展，為了從整車系統(tǒng)控制角度綜合解決車輛的安全、節(jié)能和環(huán)保問題,純電動汽車由于具有節(jié)能環(huán)保的重要特點已經(jīng)成為我國汽車行業(yè)發(fā)展的重要方向。自適應巡航控制系統(tǒng)是關(guān)于汽車性能的重要結(jié)構(gòu)，有效提高整車安全性和降低駕駛強度，也是我國未來新能源汽車行業(yè)發(fā)展中應當重點突破的環(huán)節(jié)。

純電動汽車；自適應巡航控制系統(tǒng)；設計

作為純電動汽車的重要結(jié)構(gòu)的自適應巡航系統(tǒng)（ACC）是生產(chǎn)廠商和消費者關(guān)注的重要內(nèi)容，本文將從自適應巡航系統(tǒng)控制設計方案、安全距離測算法、速度控制測算法、記錄控制測算法等四個方面對純電動汽車自適應巡航控制系統(tǒng)設計和測算法進行分析。

一、系統(tǒng)控制設計方案

每個環(huán)節(jié)的控制設計是實現(xiàn)退出、工作、激活功能的保障，從實際駕車操作特點出發(fā)，以系統(tǒng)主要工作狀態(tài)和基本功能實現(xiàn)要求為基礎，科學制定任何情況下駕駛員控制車輛的主動干預計劃，以主動干預優(yōu)先、系統(tǒng)各狀態(tài)間切換、驅(qū)動與制動控制設計為主要內(nèi)容。

1、駕駛員主動干預優(yōu)先。減輕駕駛員負擔、增強安全性是汽車自適應巡航控制系統(tǒng)的主要功能。汽車優(yōu)先控制權(quán)應當歸屬駕駛員所有，進而為行駛的安全性提供保障，當駕駛員在自適應巡航控制系統(tǒng)工作時操作制動踏板或加速踏板時，此時車輛應當推出自適應巡航控制系統(tǒng)，進而確保駕駛員隨時控制車輛，當自適應巡航控制系統(tǒng)被駕駛員再次啟動時，自動恢復系統(tǒng)，并完成記憶參數(shù)的清除后的重新設置。

2、系統(tǒng)各狀態(tài)間切換。自適應巡航控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以合理的系統(tǒng)狀態(tài)間切換為基礎，系統(tǒng)狀態(tài)劃分在不同的研究中略有不同，其中韓國亞洲大學將其劃分為距離控制、速度控制、人員控制三個方面。北京理工大學則將自適應巡航控制系統(tǒng)劃分為距離控制、速度控制、定速巡航三個部分[1]。在國際標準ISO22179的基礎上，以自適應巡航控制系統(tǒng)的基本控制設計需求為依據(jù)，將定速巡航模式和自適應巡航模式作為自適應巡航控制系統(tǒng)的兩種模式分類，依據(jù)駕駛員設置的巡航車速、間隔間距、安全距離、ACC車輛實際車速、雷達探測的相對速度、相對距離、駕駛員開關(guān)信號等條件，依據(jù)制定好的控制邏輯測算法對期望車速和期望加速度進行判定。當兩車相對速度不大于零且滿足目標車輛在雷達有效探測范圍要求時，自適應巡航模式自動取代系統(tǒng)定速巡航模式；當兩車距離大于雷達的有效探測范圍使用定速巡航模式自動取代自適應巡航模式；當駕駛員主動干預或系統(tǒng)開關(guān)發(fā)出關(guān)閉信號的條件下會自動退出任何一種模式[2]。

3、驅(qū)動與制動控制。一般來說制動和驅(qū)動切換過于頻繁會降低車輛的經(jīng)濟性和執(zhí)行器的使用壽命，可見性能優(yōu)越的車輛需要合理的制動、驅(qū)動切換。避免驅(qū)動與制動同時作用引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定或發(fā)生震蕩應當是制定驅(qū)動與制動控制切換的主要目的，具體切換方式包括：在主要切換為期望制動壓力大于零的情況，期望制動壓力為切換方式輸出；在期望制動壓力小于零的情況下，期望驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為切換方式輸出。以制動控制優(yōu)先原則進行制動與驅(qū)動切換方式的設計來保障安全距離。

二、安全距離測算法

計算安全距離是每個自適應巡航控制系統(tǒng)設計的第一個環(huán)節(jié)，必須考慮到駕駛員接受度、道路利用率、交通流和車隊穩(wěn)定性、汽車行駛安全性等環(huán)節(jié)。通常情況下，在系統(tǒng)設置安全距離過小的情況下雖然能夠?qū)崿F(xiàn)增大交通流量、提高道路利用率，但駕駛員主動控制或制動系統(tǒng)作用的時間過短，極易發(fā)生道路安全事故。當汽車行駛的安全性在系統(tǒng)設置安全距離過大的情況下能夠得到保證，但會降低道路利用率，影響出行效率。由此可見合理的安全距離算法很大程度上決定了自適應巡航控制系統(tǒng)的設計成效[3]。

通常情況下固定安全距離和可變安全距離是安全距離測算法的兩個分類。固定安全距離為與本車速度和道路環(huán)境無關(guān)在行駛過程中安全距離適中保持不變，這種易于實現(xiàn)的測算法通常達不到實際情況要求?？勺儼踩嚯x設計以車間時距為基礎，通常包括兩種可變車間時距和固定車間時距?？勺冘囬g時距計算是以車間時距th根據(jù)汽車行駛環(huán)境的改變而改變?yōu)榛A，這種測算法更加符合實際情況。車間時距與車速在可變車間時距計算中成正比：

式中，th1th2是常數(shù)，并且都大于0.根據(jù)上式可知，在車速增加的情況下車間時距也會相應的增加，實踐中汽車車速應當控制在設計最高車速以內(nèi)Vmax，所以車間距應當符合以下要求：

將相對速度的影響考慮到車間時距的計算中，車間時距通過一個上限為1下線為0的飽和函數(shù)進行描述

式中，飽和函數(shù)為sat，th0ch是常數(shù)且都大于0，兩車相對速度為vr。

該算法獲得的安全距離不僅滿足要求，而且誤差較小。

三、速度控制測算法

汽車的實際車速趨于期望車速是速度控制測算法所要實現(xiàn)的主要功能，跟隨模式和定速模式是期望車速的兩種模式，在定速模式下駕駛員設定的巡航速度是期望車速；前方目標車輛速度是跟隨模式下期望車速。速度控制算法依據(jù)以下原理實現(xiàn)：輸入和輸出分別為實際車速和期望車速之差、電氣期望驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，將期望驅(qū)動轉(zhuǎn)矩輸入開關(guān)磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制模塊，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度降低汽車速度與期望車速的差距[4]。

1、運用PID控制原理。比例、積分、微分調(diào)節(jié)期望值與反饋值的差值后，利用得到控制量控制被控制對象是PID控制的基本原理。

KP、Ti、TD分別為比例控制系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)，這三個參數(shù)在PID校正環(huán)節(jié)的作用是：首先，KP比例控制系數(shù)：比例控制環(huán)節(jié)的校正控制量為期望值與實際反饋值的差值和比例控制系數(shù)相乘的結(jié)果。在實際反饋值與期望值不一致的條件下比例控制系數(shù)會使系統(tǒng)向著成正比減小誤差的方向發(fā)展，控制系數(shù)KP大小決定了誤差減小趨勢[5]。其次，Ti積分時間常數(shù)：消除過去一段時間系統(tǒng)產(chǎn)生的靜差進而提升系統(tǒng)的無差度和準確度是該常數(shù)的主要作用。積分控制環(huán)節(jié)作用隨著積分時間常數(shù)的增加而增加。再次,TD微分時間常數(shù)：利用微分時間常數(shù)TD乘以微分控制環(huán)節(jié)中期望值與實際反饋之差求的階導數(shù)，并用該結(jié)果對誤差變化趨勢進行反應。在該常數(shù)增大的情況下，系統(tǒng)輸出地結(jié)構(gòu)相應速度隨之提升[6]。

2、速度控制測算法設計。PID只有經(jīng)過離散化處理才能通過計算機實現(xiàn)控制。經(jīng)過離散化處理后產(chǎn)生數(shù)字式PID，其中增量式PID和位置式PID是根據(jù)輸出控制量劃分。離散化處理PID可以通過以下公式表示

式中，T、K、e分別為采樣周期、采樣序號、第j次采樣時期望值與實際反饋值的差值。滿足在定速模式、跟隨模式下速度控制需要和模式切換控制平穩(wěn)性需求是速度控制算法的兩項基本要求。PID控制的實現(xiàn)應當增加積分環(huán)節(jié)[7]。

四、記錄控制測算法

定速巡航系統(tǒng)是傳統(tǒng)的自適應巡航系統(tǒng)的基礎，但存在一定的缺陷，使得其適用范圍僅限于市郊或高速中高于40km/h的工況。隨著人們對汽車性能要求的提升，具有走—停功能的自適應控制系統(tǒng)被開發(fā)出來，這不僅使上述系統(tǒng)的存在問題得到解決具備了低速跟隨能力，還能夠在交通擁擠的城市工況中運行，使得系統(tǒng)適用范圍大幅度增加。速度控制和距離控制是自適應巡航控制系統(tǒng)實現(xiàn)安全功能的條件。實踐中主要有兩種算法一種是模糊控制原理算法和距離控制原理算法[8]。其中模糊控制是指，在選擇合理的隸屬函數(shù)、定義域模糊輸入數(shù)字量的基礎上，讓計算機識別經(jīng)過轉(zhuǎn)化的語言進行模糊處理，通過將結(jié)果去模糊化獲得精準的數(shù)字量，運用該方法的適用性和通用性較強[9]。

結(jié)語

本文對純電動汽車的自適應巡航控制系統(tǒng)進行了研究分析，為提升智能化核心關(guān)鍵技術(shù)，以提高新能源汽車的性能水平，與國際先進水平接軌具有重要意義和研究價值。純電動汽車中關(guān)于自適應巡航系統(tǒng)的研究目前還比較少，借此文呼吁行業(yè)人士加強重視，采取進一步有效措施不斷提升我國純電動汽車自適應巡航控制系統(tǒng)的性能。

[1]羅禹貢,陳濤,周磊,等.奔騰智能混合動力電動轎車自適應巡航控制系統(tǒng)[J].機械工程學報,2010,(08):2-7.

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[3]丁惜瀛,王春強,張洪月,等.基于xPC的電動汽車自適應巡航控制半實物仿真[J].大功率變流技術(shù),2014,(07):27-32.

[4]徐洪智,李仁發(fā),曾理寧.基于Ptolemy的自適應巡航系統(tǒng)建模與仿真[J].計算機工程,2015,(08):28-32.

[5]張振海,朱石堅,樓京俊.汽車巡航自適應PI控制系統(tǒng)設計[J].系統(tǒng)仿真學報,2012,(07):1504-1507.

[6]張強,曲仕茹.車輛自適應巡航控制系統(tǒng)的模糊PID實現(xiàn)[J].汽車工程,2012,(09):569-572.

[7]王景武,金立生.車輛自適應巡航控制系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展[J].汽車技術(shù),2004,(07):1-4.

[8]劉中海,何克忠.模糊PID控制器在自適應巡航控制系統(tǒng)中的應用[J].計算機工程與設計,2015,(01):707-710+731.

[9]王遠,王軍.豐田凱美瑞轎車自適應巡航控制系統(tǒng)解析[J].汽車維修,2011,(11):45-47.

鐘文京（1966-），女，漢族，江西瑞金人，在職研究生學歷，高級工程師，主要研究方向：科技信息、新能源汽車技術(shù)、電子信息工程等研究。