張寶玉

基于模糊PID的汽車巡航控制系統(tǒng)研究*

張寶玉

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223001）

汽車巡航控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“CCS”）可以降低汽車排氣污染，文章為提高汽車巡航的精度和穩(wěn)定性，在研究模糊PID控制方法基礎(chǔ)上，結(jié)合Matlab/Simulink對(duì)汽車巡航模糊控制進(jìn)行了建模，為后續(xù)仿真工作以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了可靠保障。

模糊巡航；車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)；建模；響應(yīng)速度

1 汽車巡航控制原理

汽車巡航系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，其原理如下圖1所示。

圖1 汽車巡航控制原理圖

由汽車巡航控制原理圖可知，當(dāng)獲取目標(biāo)車速和實(shí)際車速信號(hào)后，經(jīng)運(yùn)算可得速度偏差變化和偏差變化率，處理后，獲取節(jié)氣門開度信號(hào)，得到節(jié)氣門開度的控制信號(hào)，輸出指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制節(jié)氣門電機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門開度大小的調(diào)節(jié)。最后，通過調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)定速控制。

2 模糊PID控制原理

隨著汽車智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)汽車舒適性、安全性和快速性等多個(gè)彼此關(guān)聯(lián)且存在一定矛盾的性能指標(biāo)提出了新的要求。汽車自適應(yīng)巡航正在成為中高端汽車電子技術(shù)方面的標(biāo)配。各大汽車廠家對(duì)汽車巡航系統(tǒng)的研究與應(yīng)用也在不斷創(chuàng)新與實(shí)踐，一些關(guān)聯(lián)產(chǎn)品也逐漸開始被應(yīng)用到汽車智能駕駛領(lǐng)域。

模糊控制是智能控制技術(shù)的另一拓展。其可以將控制系統(tǒng)中不精確、不確定的控制指令，通過模糊控制計(jì)算，變?yōu)榭蓤?zhí)行的指令。

控制采用“比例、積分、微分”控制，即根據(jù)車輛實(shí)際車速與設(shè)定車速存在的偏差，結(jié)合過去、現(xiàn)在和將來(lái)等數(shù)據(jù)信息狀況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)固定參數(shù)的汽車巡航控制。實(shí)際車速和設(shè)定車速為輸入量，經(jīng)過控制器的“比例、積分、微分”策略輸運(yùn)算出驅(qū)動(dòng)力[1-2]。

駕駛員通過將某個(gè)設(shè)定車速值輸入給控制器，當(dāng)控制器接收到車速傳感器的實(shí)際車速信號(hào)時(shí)，可獲得兩者之間的偏差，最后控制器輸出相應(yīng)的控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門開度得實(shí)時(shí)控制。

在實(shí)際控制器的應(yīng)用中，需要乘以適當(dāng)?shù)谋壤蜃?、、，以得到真正的參?shù)、K、。圖2所示為汽車的模糊控制原理。

圖2 模糊PID控制原理

3 CCS建模

Matlab/Simulink中擁有大量系統(tǒng)模型，調(diào)用所需系統(tǒng)模塊，用連接線以一定邏輯關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)，便可利用Matlab/Simulink仿真功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。這種方框圖式的建模方法大大降低了編程和建模難度，提高了工作效率。

3.1 汽車動(dòng)力仿真建模

依據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，汽車的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：

F—驅(qū)動(dòng)力，；

F—行駛阻力，；其公式為：

F—空氣阻力，；其公式為：

F—坡度阻力，；其公式為：

式中：

—汽車水平行駛距離，；

—汽車行駛速度，；

—汽車行駛時(shí)間，；

—汽車質(zhì)量，，本文取=1250；

—計(jì)入旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力偶矩后的汽車質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，本文取=1.05；

根據(jù)公式并選擇適當(dāng)參數(shù)，然后利用Matlab/Simulink建立汽車動(dòng)力仿真模型如圖3所示。

圖3 汽車動(dòng)力仿真模型

其中：

max brake—最大制動(dòng)力，

max thrust—最大驅(qū)動(dòng)力；

F—行駛阻力函數(shù)模塊，Expression-1500*9.8*0.014*（1+u/19440）；

F—空氣阻力函數(shù)模塊，Expression-0.01*（u[1]+20*sin（0.01*u[2]））2；

F—坡度阻力函數(shù)模塊，Expression-1500*9.8*0.01*sin（0.0001*u）。

3.2 PID控制器仿真建模

依據(jù)“比例，積分，微分”原理，利用Matlab/Simulink建立簡(jiǎn)單控制器模型，通過控制過程中對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)調(diào)整，從而優(yōu)化控制效果。

圖4所示為建立的控制器仿真模型。

圖4 PID控制器仿真模型

4 基于Matlab和模糊PID的巡航控制建模

表1 “比例、積分、微分”系數(shù)調(diào)校參數(shù)控制表

在的模糊控制中，速度誤差絕對(duì)值｜｜和速度誤差變化率絕對(duì)值｜｜作為輸入語(yǔ)言變量，而控制系數(shù)的在線調(diào)校參數(shù)、、作為輸出語(yǔ)言變量。表1所示為“比例、積分、微分”系數(shù)調(diào)校參數(shù)（、、）的控制表。

圖5為“比例、積分、微分”系數(shù)調(diào)校參數(shù)（、、）的控制曲面，根據(jù)曲面可知模糊控制本身是非線性的。

利用建立的模糊控制器對(duì)PID控制的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修正，由前面的模糊PID控制器系統(tǒng)模型和汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型，得到汽車巡航系統(tǒng)控制模型[3-4]，如圖6所示。

5 結(jié)論

本文以轎車為對(duì)象，研究與分析了了巡航原理和模糊控制策略，并充分考慮汽車在行駛過程中的驅(qū)動(dòng)力及受到的各種阻力和干擾力，找出了影響車速變化的干擾量。以此為基礎(chǔ)，建立汽車縱向動(dòng)力學(xué)模型和模糊控制模型。通過采用模糊算法及巡航控制系統(tǒng)和控制參數(shù)的要求，初步設(shè)計(jì)出了模糊控制器。本文進(jìn)行了自適應(yīng)巡航控制多變量的建模工作，為后續(xù)在Matlab/Simulink進(jìn)行車輛城市典型工況模擬仿真奠定了模型基礎(chǔ)，同時(shí)也將進(jìn)一步提高車輛的跟蹤性、安全性和適應(yīng)性。

[1] Mizumoto M.Min-max-gravity method ver sus product-sum-gravity method for fuzzy controls[C]//Proe,IV IFSA Congress(Part E). Brus -sels:IEEE,1991:127-130.

[2] Mizumoto M.Realization of PID controls by fuzzy control methods [C]//Proc IEEE International Conference on Fuzzy System. San Diego:IEEE, 1992:709-715.

[3] 聞新,周露,李東江,等.Matlab 模糊邏輯工具箱的分析與應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社,2001:79-169.

[4] Mizumoto M.Min-max-gravity method ver sus product-sum-gravity method for fuzzy controls[C]// Proe,IV IFSA Congress(Part E). Bru -ssels: IEEE, 1991:127-130.

Research on Automobile Cruise Control System Based on Fuzzy PID*

Zhang Baoyu

（Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College, Jiangsu Huai’an 223001）

Automobile cruise control system (Shorthand "CCS") can reduce automobile exhaust pollution. In this paper, in order to improve the accuracy and stability of automobile cruise, based on the study of fuzzy PID control method, com -bined with Matlab/Simulink to model the automobile cruise fuzzy control, Providing a reliable guarantee for subsequent simulation work and structural optimization.

Fuzzy cruise; Vehicle dynamics system; Modeling; Response speed

A

1671-7988(2020)24-19-03

張寶玉（1987.07-），男，滿族，工學(xué)碩士，講師，就職于江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：車輛工程。

U495

A

1671-7988(2020)24-19-03

城市典型工況的汽車模糊巡航控制研究與分析（?？萍蓟痦?xiàng)目），項(xiàng)目編號(hào)：JSFP2019004。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.007

CLC NO.: U495