針對純電動(dòng)汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）設(shè)計(jì)分析

鐘文京南昌市工業(yè)技術(shù)研究院

針對純電動(dòng)汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）設(shè)計(jì)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(dòng)下，新能源汽車行業(yè)風(fēng)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(dòng)汽車由于具有節(jié)能環(huán)保的重要特點(diǎn)已經(jīng)成為我國汽車行業(yè)發(fā)展的重要方向。自適應(yīng)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(qiáng)度，也是我國未來新能源汽車行業(yè)發(fā)展中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)突破的環(huán)節(jié)。

純電動(dòng)汽車；自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

作為純電動(dòng)汽車的重要結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC）是生產(chǎn)廠商和消費(fèi)者關(guān)注的重要內(nèi)容，本文將從自適應(yīng)巡航系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)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(gè)方面對純電動(dòng)汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測算法進(jìn)行分析。

一、系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方案

每個(gè)環(huán)節(jié)的控制設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)退出、工作、激活功能的保障，從實(shí)際駕車操作特點(diǎn)出發(fā)，以系統(tǒng)主要工作狀態(tài)和基本功能實(shí)現(xiàn)要求為基礎(chǔ)，科學(xué)制定任何情況下駕駛員控制車輛的主動(dòng)干預(yù)計(jì)劃，以主動(dòng)干預(yù)優(yōu)先、系統(tǒng)各狀態(tài)間切換、驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)控制設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容。

1、駕駛員主動(dòng)干預(yù)優(yōu)先。減輕駕駛員負(fù)擔(dān)、增強(qiáng)安全性是汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的主要功能。汽車優(yōu)先控制權(quán)應(yīng)當(dāng)歸屬駕駛員所有，進(jìn)而為行駛的安全性提供保障，當(dāng)駕駛員在自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)工作時(shí)操作制動(dòng)踏板或加速踏板時(shí)，此時(shí)車輛應(yīng)當(dāng)推出自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，進(jìn)而確保駕駛員隨時(shí)控制車輛，當(dāng)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)被駕駛員再次啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)，并完成記憶參數(shù)的清除后的重新設(shè)置。

2、系統(tǒng)各狀態(tài)間切換。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)以合理的系統(tǒng)狀態(tài)間切換為基礎(chǔ)，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(xué)將其劃分為距離控制、速度控制、人員控制三個(gè)方面。北京理工大學(xué)則將自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)劃分為距離控制、速度控制、定速巡航三個(gè)部分[1]。在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO22179的基礎(chǔ)上，以自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的基本控制設(shè)計(jì)需求為依據(jù)，將定速巡航模式和自適應(yīng)巡航模式作為自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的兩種模式分類，依據(jù)駕駛員設(shè)置的巡航車速、間隔間距、安全距離、ACC車輛實(shí)際車速、雷達(dá)探測的相對速度、相對距離、駕駛員開關(guān)信號(hào)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(jìn)行判定。當(dāng)兩車相對速度不大于零且滿足目標(biāo)車輛在雷達(dá)有效探測范圍要求時(shí)，自適應(yīng)巡航模式自動(dòng)取代系統(tǒng)定速巡航模式；當(dāng)兩車距離大于雷達(dá)的有效探測范圍使用定速巡航模式自動(dòng)取代自適應(yīng)巡航模式；當(dāng)駕駛員主動(dòng)干預(yù)或系統(tǒng)開關(guān)發(fā)出關(guān)閉信號(hào)的條件下會(huì)自動(dòng)退出任何一種模式[2]。

3、驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)控制。一般來說制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)切換過于頻繁會(huì)降低車輛的經(jīng)濟(jì)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(dòng)、驅(qū)動(dòng)切換。避免驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)同時(shí)作用引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定或發(fā)生震蕩應(yīng)當(dāng)是制定驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)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(dòng)壓力大于零的情況，期望制動(dòng)壓力為切換方式輸出；在期望制動(dòng)壓力小于零的情況下，期望驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為切換方式輸出。以制動(dòng)控制優(yōu)先原則進(jìn)行制動(dòng)與驅(qū)動(dòng)切換方式的設(shè)計(jì)來保障安全距離。

二、安全距離測算法

計(jì)算安全距離是每個(gè)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)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(duì)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(shè)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(dòng)控制或制動(dòng)系統(tǒng)作用的時(shí)間過短，極易發(fā)生道路安全事故。當(dāng)汽車行駛的安全性在系統(tǒng)設(shè)置安全距離過大的情況下能夠得到保證，但會(huì)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(yīng)巡航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)現(xiàn)的測算法通常達(dá)不到實(shí)際情況要求?？勺儼踩嚯x設(shè)計(jì)以車間時(shí)距為基礎(chǔ)，通常包括兩種可變車間時(shí)距和固定車間時(shí)距?？勺冘囬g時(shí)距計(jì)算是以車間時(shí)距th根據(jù)汽車行駛環(huán)境的改變而改變?yōu)榛A(chǔ)，這種測算法更加符合實(shí)際情況。車間時(shí)距與車速在可變車間時(shí)距計(jì)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(shí)距也會(huì)相應(yīng)的增加，實(shí)踐中汽車車速應(yīng)當(dāng)控制在設(shè)計(jì)最高車速以內(nèi)Vmax，所以車間距應(yīng)當(dāng)符合以下要求：

將相對速度的影響考慮到車間時(shí)距的計(jì)算中，車間時(shí)距通過一個(gè)上限為1下線為0的飽和函數(shù)進(jìn)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(shí)際車速趨于期望車速是速度控制測算法所要實(shí)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(shè)定的巡航速度是期望車速；前方目標(biāo)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(shí)現(xiàn)：輸入和輸出分別為實(shí)際車速和期望車速之差、電氣期望驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，將期望驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸入開關(guān)磁阻電機(jī)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(yùn)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(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)，這三個(gè)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(shí)際反饋值的差值和比例控制系數(shù)相乘的結(jié)果。在實(shí)際反饋值與期望值不一致的條件下比例控制系數(shù)會(huì)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(shí)間常數(shù)：消除過去一段時(shí)間系統(tǒng)產(chǎn)生的靜差進(jìn)而提升系統(tǒng)的無差度和準(zhǔn)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(shí)間常數(shù)的增加而增加。再次,TD微分時(shí)間常數(shù)：利用微分時(shí)間常數(shù)TD乘以微分控制環(huán)節(jié)中期望值與實(shí)際反饋之差求的階導(dǎo)數(shù)，并用該結(jié)果對誤差變化趨勢進(jìn)行反應(yīng)。在該常數(shù)增大的情況下，系統(tǒng)輸出地結(jié)構(gòu)相應(yīng)速度隨之提升[6]。

2、速度控制測算法設(shè)計(jì)。PID只有經(jīng)過離散化處理才能通過計(jì)算機(jī)實(shí)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(hào)、第j次采樣時(shí)期望值與實(shí)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(xiàng)基本要求。PID控制的實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)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(yīng)巡航系統(tǒng)的基礎(chǔ)，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(yīng)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(yùn)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(yīng)巡航控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全功能的條件。實(shí)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(chǔ)上，讓計(jì)算機(jī)識(shí)別經(jīng)過轉(zhuǎn)化的語言進(jìn)行模糊處理，通過將結(jié)果去模糊化獲得精準(zhǔn)的數(shù)字量，運(yùn)用該方法的適用性和通用性較強(qiáng)[9]。

結(jié)語

本文對純電動(dòng)汽車的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)水平接軌具有重要意義和研究價(jià)值。純電動(dòng)汽車中關(guān)于自適應(yīng)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(qiáng)重視，采取進(jìn)一步有效措施不斷提升我國純電動(dòng)汽車自適應(yīng)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(dòng)力電動(dòng)轎車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,(08):2-7.

[2]陳虹,宮洵,胡云峰,等.汽車控制的研究現(xiàn)狀與展望[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2013,(09):322-346.

[3]丁惜瀛,王春強(qiáng),張洪月,等.基于xPC的電動(dòng)汽車自適應(yīng)巡航控制半實(shí)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(yīng)巡航系統(tǒng)建模與仿真[J].計(jì)算機(jī)工程,2015,(08):28-32.

[5]張振海,朱石堅(jiān),樓京俊.汽車巡航自適應(yīng)PI控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2012,(07):1504-1507.

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

[7]王景武,金立生.車輛自適應(yīng)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(yīng)巡航控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2015,(01):707-710+731.

[9]王遠(yuǎn),王軍.豐田凱美瑞轎車自適應(yīng)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(xué)歷，高級(jí)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。