新能源專用車輛的速度監(jiān)控策略研究

摘 要：隨著環(huán)保需求的增加和新能源技術(shù)的發(fā)展，新能源專用車輛在我國得到了廣泛應(yīng)用。但是，新能源專用車輛的速度控制策略仍存在研究空白。本文選取新能源專用車輛為研究對象，研究其速度監(jiān)控策略，首先，根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)模型和駕駛行為模型建立了車速預(yù)測模型；然后，設(shè)計(jì)了一種新的速度控制策略，該策略采用了混合反饋-前饋控制結(jié)構(gòu)，并結(jié)合模型預(yù)測控制和滑?？刂频榷喾N控制方法；最后，在各種典型的駕駛工況下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，新的速度控制策略可以有效地改善車輛的速度跟蹤性能和能源利用效率，同時(shí)還能保證駕駛者的舒適性。該研究為新能源專用車輛的研發(fā)和應(yīng)用，特別是其控制策略的選擇和優(yōu)化提供了重要的參考。

關(guān)鍵詞：新能源專用車輛 速度監(jiān)控策略 混合反饋-前饋控制結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著環(huán)保需求的不斷提高和新能源技術(shù)的快速發(fā)展，新能源專用車輛逐漸在我國得到了廣泛應(yīng)用。特別是對于新能源專用車輛而言，速度控制策略非常重要，這一點(diǎn)在很多研究中也得到了證實(shí)。然而，由于技術(shù)的復(fù)雜性和多樣性，目前在新能源專用車輛的速度控制策略方面，仍存在大量的研究空白。而填補(bǔ)這一研究空白對于我國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。考慮到上述問題，本研究選取新能源專用車輛作為研究對象，研究其速度監(jiān)控策略。通過建立動(dòng)力學(xué)模型和駕駛行為模型，我們成功構(gòu)建了車速預(yù)測模型。然后，通過設(shè)計(jì)混合反饋-前饋控制結(jié)構(gòu)，并結(jié)合模型預(yù)測控制和滑?？刂频榷喾N控制方法，我們成功設(shè)計(jì)出一種新的速度控制策略。最后，我們在各種典型的駕駛工況下對這種新的速度控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本研究旨在通過研究新能源專用車輛的速度控制策略，提高車輛的速度跟蹤性能和能源利用效率，以滿足駕駛者的舒適性需求，為我國新能源汽車事業(yè)的發(fā)展提供重要參考。

1 新能源專用車輛的現(xiàn)狀和優(yōu)勢

1.1 新能源專用車輛的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，新能源專用車輛在全球范圍內(nèi)的普及，特別是在中國，得益于環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)與新能源技術(shù)的飛躍。政府政策的大力扶持，如財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等，極大地推動(dòng)了新能源車輛市場的發(fā)展。從物流配送到公共交通，再到環(huán)衛(wèi)作業(yè)，新能源車輛以其低排放、低噪音、高能效等優(yōu)勢，成為行業(yè)新寵。它們不僅有效減輕了城市污染，還通過智能化管理提升了運(yùn)營效率。展望未來，隨著新能源技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和充電設(shè)施的日益完善，新能源專用車輛將在更多領(lǐng)域綻放光彩，如機(jī)場服務(wù)、市政工程及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等，進(jìn)一步促進(jìn)經(jīng)濟(jì)綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

1.2 新能源專用車輛的技術(shù)優(yōu)勢

新能源專用車輛之所以能迅速占領(lǐng)市場，其深厚的技術(shù)底蘊(yùn)功不可沒。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用，標(biāo)志著能源利用的新紀(jì)元，其高效轉(zhuǎn)換、低排放及靜音運(yùn)行，是對傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛的全面超越。在充電技術(shù)革新上，快速充電與無接觸充電的突破，徹底打破了續(xù)航焦慮，讓新能源車輛的使用更加自如。儲(chǔ)能技術(shù)的飛躍，特別是鋰離子電池與燃料電池的突破，為車輛提供了更長久的動(dòng)力源泉，增強(qiáng)了實(shí)用性。

車輛控制系統(tǒng)的智能化升級，依托先進(jìn)的ECU與分布式控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力分配、電池狀態(tài)監(jiān)控及能量回收的精細(xì)化管理，確保了車輛性能的穩(wěn)定與高效。而輔助駕駛系統(tǒng)的智能化融入，通過高精度傳感器與自動(dòng)駕駛技術(shù)的加持，不僅提升了行駛安全性，還極大增強(qiáng)了駕駛的便捷與舒適。這些技術(shù)優(yōu)勢的匯聚，共同鑄就了新能源專用車輛在環(huán)保、能效、安全及用戶體驗(yàn)上的全面領(lǐng)先，為其市場普及鋪就了堅(jiān)實(shí)的道路。

1.3 新能源專用車輛的速度控制問題概述

新能源專用車輛在速度控制方面面臨諸多挑戰(zhàn)，包括車輛動(dòng)力系統(tǒng)響應(yīng)較慢、電池管理復(fù)雜等問題。不同駕駛條件下的車輛速度波動(dòng)以及駕駛者行為的不確定性增加了控制難度?，F(xiàn)有的速度控制技術(shù)在優(yōu)化能源效率和保持車輛速度平穩(wěn)性方面仍有不足，亟需更先進(jìn)且高效的控制算法來提升車輛運(yùn)行性能和能源利用效率。研究先進(jìn)的速度控制策略對于改善車輛性能和推動(dòng)新能源車輛的發(fā)展具有重要意義。

2 新能源專用車輛速度監(jiān)控的理論基礎(chǔ)

為了有效地制定新能源專用車輛的速度監(jiān)控策略，研究其理論基礎(chǔ)十分必要。這一過程中需要深入探討車輛動(dòng)力學(xué)模型、駕駛行為模型以及多種控制方法的基本原理及其相互關(guān)系。這些理論基礎(chǔ)不僅僅是速度控制策略設(shè)計(jì)的依據(jù)，還為實(shí)際應(yīng)用中的問題分析和解決提供了科學(xué)指導(dǎo)。

2.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

車輛動(dòng)力學(xué)模型是速度控制策略研究的重要基礎(chǔ)之一。車輛的動(dòng)力學(xué)模型主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)模型、車體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和輪胎力學(xué)模型。其中，傳動(dòng)系統(tǒng)模型描述了發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力源與車輪之間的能量傳遞機(jī)制?？紤]新能源專用車輛的特殊性，其傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)包含電動(dòng)機(jī)的特性描述，如電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性和效率曲線。

車體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型關(guān)注車輛的縱向、橫向及垂向運(yùn)動(dòng)，主要通過平衡車輛的動(dòng)力與外力以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的預(yù)測。在速度控制策略中，縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型更加關(guān)鍵，它描述車輛在不同駕駛條件下的加速度、減速度及勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確保在各種復(fù)雜道路條件下車輛能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的速度。

輪胎力學(xué)模型則涉及車輪與路面之間的相互作用，包括胎面與路面的摩擦力、滑移率等。新能源專用車輛在該方面也有其獨(dú)特之處，如輕量化設(shè)計(jì)導(dǎo)致輪胎負(fù)荷的改變，從而影響車輛的加速度和制動(dòng)性能。在建立車輛動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，需要綜合考慮這些要素，以確保模型的準(zhǔn)確性和適用性。

2.2 駕駛行為模型

駕駛行為模型是研究車輛速度控制策略必不可少的部分，描述的是駕駛者在各種工況下的操控行為及其對車輛速度的控制機(jī)制。駕駛行為模型通常包括以下幾類：怠速模型、巡航模型、加速模型和制動(dòng)模型。

怠速模型主要描述車輛在怠速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速和油耗特性。新能源專用車輛由于采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，怠速狀態(tài)下的能量消耗相較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛顯著降低，但對電池管理系統(tǒng)提出了更高要求。例如，電池的自放電及低溫下的電能保持能力，都是影響怠速狀態(tài)下能源利用效率的因素。

巡航模型描述車輛在恒定速度下的行為特征，包括穩(wěn)定速度所需的動(dòng)力及能量消耗。這一階段的控制策略主要關(guān)注系統(tǒng)穩(wěn)定性和駕駛舒適性。新能源專用車輛由于電動(dòng)機(jī)的高效能和良好的轉(zhuǎn)矩輸出特性，在巡航階段表現(xiàn)出良好的能量利用效率，但對能量回收及續(xù)航里程管理提出了挑戰(zhàn)。

加速模型則描述駕駛者在提升車速過程中的操控行為。加速過程對電動(dòng)機(jī)和電池的瞬時(shí)功率輸出能力提出了較高要求，需要考慮電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)、功率限幅以及電池的放電特性。制動(dòng)模型與加速模型相對應(yīng)，主要描述駕駛者在減速或停車過程中的控制行為。新能源專用車輛通常具備能量回收功能，通過制動(dòng)回收將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池中，提高整車的能源利用效率。

2.3 控制方法

控制方法是實(shí)現(xiàn)速度控制策略的重要手段。在新能源專用車輛的速度控制中，常用的控制方法包括反饋控制、前饋控制、模型預(yù)測控制和滑?？刂频?。

反饋控制是一種通過實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)并將其與期望值進(jìn)行比較，以修正控制行為的策略。在車輛速度控制中，反饋控制可通過速度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測車速，并調(diào)整動(dòng)力輸出以實(shí)現(xiàn)預(yù)期速度[4]。單純的反饋控制存在響應(yīng)速度慢、易受干擾等問題。

前饋控制則基于已知系統(tǒng)模型和外部干擾，提前計(jì)算出所需控制量，從而快速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制。該方法的優(yōu)勢在于能有效提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，但其對模型準(zhǔn)確性依賴較高。在新能源專用車輛中，可結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)和道路信息，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜工況下車速的有效控制。

混合反饋-前饋控制結(jié)構(gòu)綜合了反饋控制和前饋控制的優(yōu)勢，通過實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號，既提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，又增強(qiáng)了對外部干擾的魯棒性。這一結(jié)構(gòu)在新能源專用車輛速度控制中具有較大潛力，尤其在復(fù)雜道路和多變交通環(huán)境下。

模型預(yù)測控制（MPC）是一種基于系統(tǒng)模型的優(yōu)化控制方法，即通過建立車輛動(dòng)態(tài)模型并預(yù)測未來若干時(shí)刻的狀態(tài)，采用滾動(dòng)優(yōu)化策略確定當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)控制量。在實(shí)現(xiàn)速度控制時(shí)，MPC能有效考慮車輛動(dòng)力學(xué)特性和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性，動(dòng)態(tài)調(diào)整車速以實(shí)現(xiàn)最佳控制。由于新能源專用車輛動(dòng)力系統(tǒng)的非線性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，MPC在該類車輛的速度控制中展示出顯著優(yōu)勢[5]。

滑模控制是一種處理不確定性和非線性系統(tǒng)的有效方法，特別適用于新能源專用車輛這種具有復(fù)雜驅(qū)動(dòng)特性的系統(tǒng)。在滑?？刂浦?，通過設(shè)計(jì)滑模面和切換控制率，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的快速收斂。相較傳統(tǒng)控制方法，滑模控制對系統(tǒng)參數(shù)變化和外部干擾具有較強(qiáng)的魯棒性，能更好地適應(yīng)新能源專用車輛在復(fù)雜工況下的速度控制需求。

綜合來看，新能源專用車輛的速度控制策略不僅需要建立精確的動(dòng)力學(xué)模型和駕駛行為模型，還需采用適合的控制方法，以滿足車輛在各種工況下的速度跟蹤性能和能源利用效率。

3 新能源專用車輛的速度監(jiān)控策略研究與驗(yàn)證

3.1 混合反饋前饋控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在新能源專用車輛的速度監(jiān)控策略中，混合反饋-前饋控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了反饋控制和前饋控制的優(yōu)勢，以實(shí)現(xiàn)對車輛速度的精確調(diào)控。

反饋控制通過實(shí)時(shí)檢測車輛速度與設(shè)定速度之間的偏差，調(diào)整車輛的動(dòng)力輸出，從而達(dá)到穩(wěn)定控制的目的。采用經(jīng)典的反饋控制方法，如比例-積分-微分（PID）控制器，可以根據(jù)速度偏差實(shí)時(shí)調(diào)整車輛動(dòng)力，提高速度控制的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度。

前饋控制則根據(jù)駕駛行為和預(yù)定路徑預(yù)測未來的車速變化，提前調(diào)整控制輸入，以減少由外部干擾或內(nèi)部非線性特性引起的誤差。前饋控制的優(yōu)勢在于對已知干擾或系統(tǒng)輸入有快速響應(yīng)能力，能夠有效地應(yīng)對復(fù)雜的駕駛工況。

將反饋控制和前饋控制相結(jié)合，形成混合控制結(jié)構(gòu)，能更全面地應(yīng)對速度變化的控制問題。在此結(jié)構(gòu)中，反饋控制器負(fù)責(zé)修正瞬時(shí)偏差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能；前饋控制器則基于車速預(yù)測模型預(yù)先調(diào)整控制輸入，減少系統(tǒng)延遲和規(guī)劃誤差，使車輛在各種工況下均能穩(wěn)定運(yùn)行。

混合控制結(jié)構(gòu)引入模型預(yù)測控制（MPC）和滑模控制方法。模型預(yù)測控制通過優(yōu)化算法預(yù)測和調(diào)節(jié)未來的控制輸入，從全局上保證速度控制的精確性和穩(wěn)定性?；？刂仆ㄟ^構(gòu)造滑動(dòng)面并強(qiáng)制系統(tǒng)狀態(tài)沿滑動(dòng)面運(yùn)動(dòng)，具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力，特別適合處理新能源車輛的非線性和不確定性因素。

在設(shè)計(jì)具體控制策略時(shí)，建立車輛的動(dòng)力學(xué)模型和駕駛行為模型，求解模型參數(shù)，通過系統(tǒng)辨識(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定控制模型?；旌峡刂破髟诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和調(diào)整，根據(jù)車速誤差和預(yù)測的速度變化進(jìn)行多層次、多目標(biāo)的綜合控制?？刂扑惴ㄐ杈邆涓咝У挠?jì)算能力和實(shí)時(shí)性能，以適應(yīng)實(shí)際駕駛環(huán)境的要求。

基于混合反饋-前饋控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過結(jié)合多種控制方法和預(yù)測模型，能夠有效提升新能源專用車輛的速度控制性能，確保車輛在各種駕駛工況下的穩(wěn)定、高效運(yùn)行，為新能源專用車輛的研發(fā)和應(yīng)用提供了理論支持和技術(shù)保障。

3.2 仿真驗(yàn)證在各種駕駛工況下的應(yīng)用效果

在對新能源專用車輛速度監(jiān)控策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證時(shí)，選取了多種典型的駕駛工況，包括城市工況、高速公路工況、鄉(xiāng)村道路工況等，以全面評估新策略在不同環(huán)境下的適應(yīng)性和性能表現(xiàn)。在城市工況中，車輛經(jīng)常面臨頻繁的啟停和較低的平均速度。仿真結(jié)果顯示，新提出的速度控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)較高的速度跟蹤精度，有效降低了能耗，且保證了較高的駕駛舒適度。在高速公路工況中，車輛需要維持較高的巡航速度。通過仿真驗(yàn)證，該策略展示了良好的穩(wěn)定性，能夠快速響應(yīng)駕駛員的加速和減速請求，節(jié)省了能源，表現(xiàn)出優(yōu)異的能源利用效率。在鄉(xiāng)村道路工況中，面對復(fù)雜的地形和較大的速度波動(dòng)，該策略同樣表現(xiàn)出了出色的跟蹤性能和能源利用率，確保了車輛在非理想路況下的穩(wěn)定行駛。

針對不同駕駛工況應(yīng)用效果的詳細(xì)分析表明，混合反饋-前饋控制結(jié)構(gòu)結(jié)合模型預(yù)測控制和滑?？刂频姆椒ň邆涓咝?yīng)對各類動(dòng)態(tài)駕駛條件的能力，不僅提高了車輛整體速度控制的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度，還極大地優(yōu)化了能源使用效率。綜合仿真結(jié)果顯示，該速度控制策略能夠在不同的實(shí)際駕駛情況下均發(fā)揮出顯著的作用，為新能源專用車輛的實(shí)際應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支持和理論依據(jù)。通過模型預(yù)測和滑?？刂?，系統(tǒng)表現(xiàn)出的魯棒性和適應(yīng)性優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了其在復(fù)雜動(dòng)態(tài)條件下的有效性和實(shí)用性。

整個(gè)過程的仿真驗(yàn)證結(jié)果證明，新速度控制策略在傳統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)上有了明顯的提升，能夠有效滿足不同路況和駕駛需求，為新能源專用車輛速度監(jiān)控策略的研發(fā)和應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支撐。

4 結(jié)語

本文以新能源專用車輛為研究對象，針對其速度控制策略進(jìn)行全面研究。研究首先根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)模型和駕駛行為模型建立了車速預(yù)測模型，接著設(shè)計(jì)了混合反饋-前饋控制結(jié)構(gòu)的車速控制策略，有效整合了模型預(yù)測控制和滑模控制等多種控制方法。通過各種典型駕駛工況的仿真驗(yàn)證，證明了新的速度控制策略可以有效改善車輛的速度跟蹤性能和能源利用效率，同時(shí)也保證了駕駛者的舒適性。盡管本文已提出和驗(yàn)證了針對新能源專用車輛的新型速度控制策略，但由于技術(shù)和實(shí)施的復(fù)雜性、新能源汽車發(fā)展的不斷變化以及對能源效率和駕駛舒適性需求的持續(xù)提高，未來仍需對速度控制策略進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和研究，如結(jié)合其他創(chuàng)新控制技術(shù)、對復(fù)雜動(dòng)態(tài)駕駛工況的適應(yīng)性研究等?？偟膩碚f，本研究為新能源專用車輛的研發(fā)和應(yīng)用，特別是其控制策略的選擇和優(yōu)化提供了重要的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

基金項(xiàng)目：德陽市新能源專用車輛工程技術(shù)研究中心2022年度科研項(xiàng)目，新能源專用車輛的速度監(jiān)控策略研究（XNYCL2203）。

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