小型電動汽車自動巡航控制研究

張健

摘 要：本文主要是對電動汽車定速巡航控制系統(tǒng)的研究，通過建立整車模型，電機(jī)模型，控制器模型來實(shí)現(xiàn)最后的電動汽車定速巡航控制的聯(lián)合仿真。利用Carsim建立車輛模型，設(shè)置不同的工況，利用Matlab/Simulink搭建電機(jī)模型以及控制器模型。兩種軟件的聯(lián)合實(shí)現(xiàn)仿真，得出最終的結(jié)論。控制器采用模糊控制的方法，利用Matlab/Simulink搭建的模型，輸入實(shí)際車速和所要設(shè)定的巡航車速，改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而影響車輛的行駛速度。通過對仿真結(jié)果的觀察與分析，得出結(jié)論，表明該系統(tǒng)具有很好的控制效果，作用明顯，適合巡航控制的基本要求。

關(guān)鍵詞：電動汽車;定速巡航;模糊控制;聯(lián)合仿真

1 小型電動汽車自動巡航控制基本原理

1.1 自動巡航控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)駕駛員松開加速踏板時(shí)，自動巡航控制系統(tǒng)會保持所設(shè)定的速度行駛，汽車定速巡航控制系統(tǒng)主要是控制汽車的速度按照駕駛員設(shè)定的速度行駛。電子控制單元（ECU）有四個(gè)輸入信號和一個(gè)輸出信號。駕駛員通過人機(jī)交互界面（HMI）設(shè)定的期望巡航車速信號、車載速度傳感器實(shí)時(shí)采集的汽車實(shí)時(shí)車速信號、發(fā)動機(jī)節(jié)氣門傳感器采集的節(jié)氣門位置信號和其它測量狀態(tài)傳感器采集的車輛狀態(tài)信號。輸出信號為節(jié)氣門電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制脈沖信號。

1.2 自動巡航控制機(jī)理

當(dāng)汽車駕駛員設(shè)定好巡航車速時(shí)，就可以不用踩加速踏板從而使汽車保持一定的車速。如果長時(shí)間駕駛車輛，采用這種裝置，就可以減少不必要的車速變化，節(jié)約燃油消耗量。

定速巡航控制系統(tǒng)主要通過接收車傳感器所采集到的實(shí)時(shí)信號，與所設(shè)定的巡航車速進(jìn)行對比分析，將結(jié)果輸入到電機(jī)控制中，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩從而改變速度，達(dá)到所設(shè)定的巡航車速。

1.3 自動巡航控制系統(tǒng)功能

當(dāng)駕駛員駕駛車輛行駛在道路上時(shí)，如果周圍沒有其他車輛，就可以設(shè)置一個(gè)巡航車速，此功能可以自動駕駛車輛勻速行駛，減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度。如果駕駛員在車輛行駛過程中加速，則可以按加速按鈕使車速逐漸升高，直到達(dá)到合適的速度即可。同樣的道理，當(dāng)駕駛員想減速的時(shí)候，就可以按下減速按鈕，達(dá)到自己想要的車速。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時(shí)，自動巡航控制系統(tǒng)將會取消，在設(shè)定好巡航車速后，踩下加速油門車輛會加速行駛，松開油門車速會慢慢恢復(fù)到所設(shè)定的巡航車速。

2 小型電動汽車自動巡航系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

PID控制是應(yīng)用最早的控制方法，他的操作簡單，不需要復(fù)雜的模型以及易于理解，因此成為了使用最多的控制器，PID控制由三部分組成，分別為比例單元（P）、積分單元（I）、微分單元（D）。

1）比例系數(shù)P會影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、響應(yīng)速度以及調(diào)節(jié)的精度[1]。增大P，可以提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)速度。但是P過大會出現(xiàn)超調(diào)情況，有的時(shí)候會導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。同樣的道理，減少P，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)速度將會降低，影響系統(tǒng)的控制效果，不能滿足實(shí)際要求。

2）積分系數(shù)I會影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。增大I，能夠短時(shí)間的消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，如果I太大會產(chǎn)生積分飽和的現(xiàn)象，系統(tǒng)會出現(xiàn)很大的超調(diào)現(xiàn)象。相反，如果太小的I，就不容易消除誤差，也就無法實(shí)現(xiàn)理想的控制效果。

3）微分系數(shù)D會影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，增大D，系統(tǒng)超調(diào)量也會減小，但穩(wěn)定性會提高。如果D過大，會使控制強(qiáng)度提前降低，增加調(diào)節(jié)的時(shí)間，抗干擾能力也會降低;相反，如果D較小，會降低控制效果。

PID控制算法的公式如下所示。

傳統(tǒng)的PID控制不能滿足精度高，響應(yīng)時(shí)間快等要求高的地方，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，具有相當(dāng)大的不確定性，不能達(dá)到理想的控制效果，原因在于傳統(tǒng)PID控制中比例系數(shù)、積分系數(shù)以及微分系數(shù)是固定不變的，不能根據(jù)具體的情況做出及時(shí)的調(diào)整，所以要想達(dá)到更好地控制效果是非常困難的。控制器設(shè)計(jì)是巡航控制系統(tǒng)的主要部分，要想達(dá)到理想的仿真結(jié)果，必須選擇正確的控制理論。由于傳統(tǒng)的PID控制無法達(dá)到控制效果，所以本文采用模糊理論的方法來控制。模糊控制理論具有運(yùn)算簡單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用到汽車控制器設(shè)計(jì)中。

2.1 模糊控制基本原理

如圖1所示，將速度差值和加速度作為輸入量，變成控制器能夠識別的語言。該模糊語言經(jīng)過模糊控制規(guī)則，得到輸出量，對該輸出量進(jìn)行去模糊化處理，就可以得到比例參數(shù)調(diào)整系數(shù)Kp，積分參數(shù)調(diào)整系數(shù)Ki和微分參數(shù)調(diào)整系數(shù)Kd。然后將他們傳給PID控制器，通過控制系統(tǒng)分析，作用在被控對象上，從而調(diào)整汽車的速度。

模糊控制大致分為五個(gè)步驟：

1）定義變量

電機(jī)控制過程中，速度誤差和加速度以及這兩個(gè)變量得出的U都叫做模糊變量;

r-目標(biāo)輸入量;

y-控制系統(tǒng)輸出量;

E-誤差;

EC-誤差E的變化率。

2）模糊化

模糊化就是將變量轉(zhuǎn)換到論域，然后根據(jù)一定的方法得出隸屬度[2];

3）知識庫

知識庫包括兩個(gè)部分，一個(gè)是規(guī)則庫，主要功能是描述控制策略和控制目標(biāo)，另一個(gè)是數(shù)據(jù)庫，它的主要功能是處理一些模糊數(shù)據(jù)。

4）邏輯判斷

根據(jù)從知識庫得到的信息，通過模糊邏輯以及推論的方法進(jìn)行分析從而得到模糊控制信號。

5）反模糊化

通過反順序進(jìn)行推理，將推論值反向推理得到控制信號，即為模糊系統(tǒng)的輸出值，也可以作為后面一個(gè)系統(tǒng)的輸入值信號。

2.2 模糊控制器算法設(shè)計(jì)

2.2.1 建立模糊規(guī)則

控制規(guī)則是模糊控制器的核心。通過對許多人的分析研究，進(jìn)行總結(jié)，得到模糊控制的規(guī)則。在規(guī)則建立之前，需要考慮超調(diào)量，反應(yīng)時(shí)間等眾多問題。根據(jù)選取的輸入變量和輸出變量的模糊子集，建立控制規(guī)則[3]。模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行自整定，實(shí)現(xiàn)定速巡航的模糊控制。

2.2.2 模糊控制器仿真模型的建立

使用Simulink搭建模塊，搭建模糊控制模型，將設(shè)定車速與實(shí)際車速的差值和加速度作為輸入量，輸出電機(jī)轉(zhuǎn)矩。對三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。建立如圖2所示的仿真模型。量化因子。

3 小型電動汽車自動巡航控制仿真

3.1 基于Carsim與Simulink聯(lián)合仿真平臺建立

本文的控制算法是在Matlab/Simulink的環(huán)境下設(shè)計(jì)的，Carsim是一款比較成熟的軟件，與Matlab/Simulink具有良好的接口，這兩種軟件相互結(jié)合，聯(lián)合仿真，具有較高的可行性和正確性[4]。

將車輛動力學(xué)模型、電機(jī)模型以及模糊控制器模型進(jìn)行連接，連接完成之后就形成了完整的仿真模型。

其中給電機(jī)設(shè)置一個(gè)初始電壓，通過輸出轉(zhuǎn)矩作用在汽車模型上，控制汽車的行駛速度，然后設(shè)置巡航車速，將巡航車速與實(shí)際車速的差值作為控制器的輸入變量，通過模糊控制器的計(jì)算處理，輸出電壓反饋到電機(jī)控制模型中，進(jìn)而對速度進(jìn)行調(diào)整，聯(lián)合仿真模型組成一個(gè)閉環(huán)控制，可以不斷的對車速進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到所設(shè)定的巡航車速。通過添加示波器，可以更好地觀察控制過程中各個(gè)參數(shù)的變化以及控制的效果。

3.2 仿真結(jié)果分析

通過觀察不同的情況下，電動汽車巡航控制系統(tǒng)的速度變化，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)置的巡航車速越大，所要達(dá)到的時(shí)間越長，車速的誤差保持在范圍內(nèi)，無論在哪種環(huán)境下，車輛的速度都能達(dá)到駕駛員所設(shè)定的車速，模糊控制理論控制效果比較好，精度高，能夠滿足巡航控制的基本要求。

4 結(jié)論

本文針對電動汽車定速巡航控制系統(tǒng)的研究，不僅滿足了廣大駕駛員的需求，同時(shí)減少了環(huán)境污染問題和能源浪費(fèi)等一系列問題。通過對仿真結(jié)果的分析，得出重要結(jié)論。

其中設(shè)計(jì)首先通過對傳動系統(tǒng)的分析，改變了以往內(nèi)燃機(jī)的傳動控制，通過使用輪轂電機(jī)控制輸出轉(zhuǎn)矩，不僅減少了環(huán)境污染，還對汽車的性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，適應(yīng)了汽車發(fā)展的趨勢。其次對模糊控制理論的分析與研究，得出合適的模糊控制的控制規(guī)則與算法。

自動巡航控制系統(tǒng)是目前比較先進(jìn)的控制方法，他可以使駕駛員感到更加輕松，更加舒適，提高了行車安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶永華，新型PID控制及應(yīng)用[J]工業(yè)儀表及自動化裝置，1994，（04）.

[2]田雷，汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的模糊自校正控制算法研究[D]吉林大學(xué)，2006.

[3]梁媛媛，開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩模糊PI控制系統(tǒng)研究[D]西安科技大學(xué)，2008.

[4]孫曉明，基于MATLAB的開關(guān)磁阻電機(jī)非線性建模仿真[J]電力系統(tǒng)及自動化學(xué)報(bào)，2006.