基于PID控制的汽車定速巡航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

方亮，汪志賢，黃偉，陳瑤

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基于PID控制的汽車定速巡航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

方亮1，汪志賢2，黃偉1，陳瑤1

（1.江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安慶安簧汽車零部件有限公司，安徽 安慶 246131）

基于某搭載定速巡航系統(tǒng)的在研車輛，對(duì)巡航控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行了梳理，通過對(duì)PID控制器的原理分析，建立了巡航系統(tǒng)的控制器算法，確定了控制器的關(guān)鍵參數(shù)。經(jīng)過實(shí)車道路標(biāo)定與試驗(yàn)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的精度，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿足汽車巡航系統(tǒng)實(shí)際使用要求。

汽車；巡航控制系統(tǒng)；PID控制；標(biāo)定

概述

巡航控制系統(tǒng)的核心在于控制算法，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，如滑模控制方法，模糊控制算法，粒子群等控制算法[2-4]。但由于PID控制算法所具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高以及操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可成熟的運(yùn)用于實(shí)車當(dāng)中。本文主要介紹了一種PID控制算法在某車型中的實(shí)際運(yùn)用。

1 巡航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

巡航控制系統(tǒng)如下圖1所示，由巡航控制系統(tǒng)與駕駛員的人機(jī)交互界面、巡航模式控制子系統(tǒng)和巡航車速控制子系統(tǒng)統(tǒng)組成。

人機(jī)交互界面包括巡航開關(guān)輸入、巡航狀態(tài)的儀表顯示、巡航取消信號(hào)（剎車，離合等），主要負(fù)責(zé)駕駛員與巡航控制系統(tǒng)之間的人機(jī)信息交互輸入與顯示。

巡航功能控制子系統(tǒng)接受巡航人機(jī)交互界面子系統(tǒng)駕駛員各種操作，決定當(dāng)前采用哪種巡航控制模式。

巡航速度控制子系統(tǒng)通過當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，巡航系統(tǒng)請(qǐng)求狀態(tài)等計(jì)算當(dāng)前需要發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的扭矩，通過扭矩控制模塊計(jì)算電子節(jié)氣門的開度進(jìn)而控制車輛速度。

圖1 巡航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 巡航控制系統(tǒng)功能

巡航控制系統(tǒng)需要按照駕駛員的意圖自動(dòng)控制車輛的速度，駕駛員只要通過對(duì)巡航開關(guān)的操作就能夠?qū)崿F(xiàn)下列功能。

定速巡航：將巡航主開關(guān)（ON/OFF）撥到ON位置后，即可以在設(shè)定的速度上短按（Set/-）鍵進(jìn)入巡航狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)不睬油門車輛巡航行駛。

為生活忙碌著，沒有人會(huì)因?yàn)槲窇謬?yán)寒而停下腳步。用心走好腳下的路，即便是在風(fēng)寒冰冷處，也依然能找到屬于自己的風(fēng)景。

加速巡航：在定速巡航下短按（Resume/+）鍵，可以增加時(shí)速1km；在定速巡航狀態(tài)下，持續(xù)按住（Resume/+）鍵，車速會(huì)自動(dòng)緩慢提升，直至適合的速度再松開按鍵。

減速巡航：在定速巡航下短按（Set/-）鍵，可以降低時(shí)速1km；在定速巡航狀態(tài)下，持續(xù)按住（Set/-）鍵，車速會(huì)自動(dòng)緩慢下降，直至適合的速度再松開按鍵。

巡航解除：在巡航狀態(tài)下，輕輕踩制動(dòng)踏板，便可解除定速巡航；在巡航狀態(tài)下，按下CANCEL鍵，便可以解除定速巡航；

巡航恢復(fù)：在解除巡航后，只要短按（Resume）鍵，不用踩油門，車速即可以自動(dòng)恢復(fù)到定速解除之前的巡航速度。在定速巡航狀態(tài)下，直接踩油門加速，當(dāng)松開油門后，車速將緩緩恢復(fù)到先前設(shè)定的巡航車速。

3 PID控制器設(shè)計(jì)[5]

在汽車巡航控制系統(tǒng)中，PID控制器與被控對(duì)象共同組成系統(tǒng)的閉環(huán)。PID控制器設(shè)計(jì)的好壞直接影響到控制效果。

3.1 PID控制基本原理

在PID控制中，該控制器根據(jù)駕駛?cè)嗽O(shè)定的速度(巡航速度)與汽車實(shí)際行駛速度的差值，控制器的比例控制根據(jù)這個(gè)偏差的大小輸出相應(yīng)的控制量來控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度，減少偏差，從而使得行駛車速趨近設(shè)定車速值。控制器的積分控制把車速偏差累計(jì)起來，通過加大控制量來減小車速偏差，使行駛車速能夠保持在恒定穩(wěn)定的工作狀態(tài)。控制器的微分控制體現(xiàn)了車速偏差的變化趨勢(shì)，能夠在車速偏差變化劇烈之前，通過一個(gè)早期的修正信號(hào)進(jìn)行修正，以減小系統(tǒng)的超調(diào)和震蕩，使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度提高，調(diào)整時(shí)間減小，保證系統(tǒng)的控制性能[6]。

PID控制器的原理圖如圖2所示：

圖2 PID控制器原理圖

3.2 PID控制算法設(shè)計(jì)

設(shè)系統(tǒng)給定值為r(t)，實(shí)際輸出值為c(t)。則誤差e(t)=r(t) -c(t)，通過PID系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的輸出值u(t)為：

寫成傳遞函數(shù)為：

其中：Kp——比例系數(shù)，Ki——積分時(shí)間常數(shù)，Kd——微分時(shí)間常數(shù)

離散化處理：一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以加和代替積分，以增量代替微分，變換得：

將(3)帶到(1)中，得到離散的PID表達(dá)式為：

被控對(duì)象所用到的是控制量的增量，則要導(dǎo)出提供增量的PID控制算式，推導(dǎo)得：

推出增量()：

比例系數(shù)Kp，積分時(shí)間常數(shù)Ki，微分時(shí)間常數(shù)Kd，一旦確定這三個(gè)系數(shù)就可以得到控制增量。

4 巡航控制系統(tǒng)在某車型上的驗(yàn)證

將本文設(shè)計(jì)的控制器模型導(dǎo)入某車型的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中，通過反復(fù)標(biāo)定與試驗(yàn)，確定最終了控制器的關(guān)鍵控制參數(shù)。

4.1 某車型整車參數(shù)

某6檔手動(dòng)車型整車基本參數(shù)如下：

表1 某車型整車參數(shù)

4.2 轉(zhuǎn)轂巡航驗(yàn)證

根據(jù)整車整備質(zhì)量，通過查表法對(duì)轉(zhuǎn)轂進(jìn)行加載，考察車輛在平直路面以及具有一定坡度路面（3%坡度）的巡航控制精度，主要分為加速巡航能力，減速巡航能力，以及在不同車速下的定速巡航能力。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖3～7所示。

圖3 平直道路，加速巡航

圖4 平直道路，減速巡航

圖5 平直道路，巡航車速60km/h

圖6 平直道路，巡航車速80km/h

圖7 3%坡道加速巡航以及100km/h定速巡航

通過實(shí)車驗(yàn)證可以看出，車輛在平直以及具有一定坡度路面（3%坡度）的路面上，加速巡航以及減速巡航，實(shí)際車速能夠緊隨目標(biāo)車速上升或下降；在不同的定速巡航車速下，實(shí)際車速與目標(biāo)車速差值可控制在±2km/h以內(nèi)，巡航控制精度較高，能夠較好的滿足車輛的巡航控制要求。

5 總結(jié)

本文探究了增量式PID控制算法引入實(shí)車運(yùn)用的可行性。根據(jù)PID控制的基本原理，對(duì)PID控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)離散化處理最終得到PID控制量的增量算法，并建立模型，運(yùn)用于某車型當(dāng)中。通過在平直路面以及坡道路面測(cè)試某車型的加速巡航、減速巡航，以及在不同車速下的定速巡航的控制精度，結(jié)果表明：增量式PID控制算法操作簡(jiǎn)便，控制精度較高，穩(wěn)定性好，能夠滿足車輛的使用要求。

[1] 劉欣,孫永強(qiáng)等.汽車用定速巡航系統(tǒng)[J].重型汽車.2004(04).

[2] 朱麗麗,趙秀春.汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)的PID控制[J].科技信息. 2009(34).

[3] 高振海,吳濤等.基于粒子群算法的汽車自適應(yīng)巡航控制器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào).2013(12).

[4] 仇成群,劉成林,沈法華等.基于Matlab和模糊PID的汽車巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2012（6）.

[5] 韓科立,朱忠祥,毛恩榮,等.基于自動(dòng)機(jī)械式變速的拖拉機(jī)定速巡航系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2012（4）.

Design and test of automobile cruise control system based on PID control

Fang Liang1, Wang Zhixian2, Huang Wei1, Chen Yao1

（1.Jiang-Huai Automobile Group CO., LTD., Anhui Hefei 230601;2.An Qing Spring Automobile Part CO. LTD., Anhui Anqing 246131）

Based on the automobile with cruise control system, the paper analyzes the structure and functions of cruise control system, through the analysis of the principle of PID controller, a controller algorithm for cruise control system are established, and the key parameters of the controller are confirmed later. After calibration and real road test on vehicle, the results show that the system has better control accuracy and fast response speed, works stably and can satisfy the actual use needs of automobile cruise control system.

Automobile; Cruise Control System; PID Control; Calibration

U462

B

1671-7988(2018)21-136-03

U462

B

1671-7988(2018)21-136-03

方亮，就職于江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.047