純電動汽車自適應(yīng)巡航控制研究

純電動汽車自適應(yīng)巡航控制研究對自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)進行研究。制定了純電動汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)整體架構(gòu)，并對純電動汽車的縱向動力學(xué)進行了分析，隨后選擇了一種合適的安全距離模型以保證車輛行駛的安全性，運用Simulink搭建了所必需的雷達和輪轂電機模型。采用CarSim2020搭建自車與前車的車輛模型以及仿真環(huán)境?；赑ID控制算法和線性二次型調(diào)節(jié)器(linearquadraticregulator,LQR)分別搭建出定速巡航和距離保持的上層控制器，再通過車輛縱向動力學(xué)搭建下層控制器。持控制器進行仿真研究。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)定速巡航和距離保持功能，具有良好的實用性和有效性。隨著全球汽車數(shù)量的增加，能源短缺和道路安全問題越來越被人們所重視[1-3]。在提倡環(huán)保節(jié)能和實現(xiàn)工業(yè)智能化的背景下，純電動汽車的開發(fā)研究受到社會各界的廣泛關(guān)注。為了解決車輛數(shù)量的增加和交通安全等問題之間的矛盾，關(guān)于車輛自適應(yīng)巡航控制的研究得到快速發(fā)展，且取得了一定的成果，但在許多方面還需要進行深入地研究[4-7]。隨著全球能源短缺的問題日益凸顯，電動汽車開始有成為汽車市場主流的趨勢。所以，電動汽車上也開始安裝自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。Akhega-[8]研究了一種用于智能綠色自主車輛(SAGA)的縱向控制器，在自動駕駛中可以最大程度地減少能量的消耗，實現(xiàn)綠色出行。在新能源汽車行業(yè)中，特斯拉在ACC系統(tǒng)的研發(fā)上有巨大的投入，其系統(tǒng)已經(jīng)有多次更新，融入了較多的安全性設(shè)計[9]。其系統(tǒng)不僅可以在空曠路面上根據(jù)駕駛員所設(shè)定好的車速進行定速巡航，還可以在復(fù)雜路況對環(huán)境進行分析，通過改變速度來控制安全車距。李韌等[10]提出一種新的ACC跟車間距控制方法，低速時以固定距離作為跟車間距，高速時以車輛制動距離作為跟車間距，這樣既可以保證行駛過程中的舒適性，又可以保證車輛的真平臺，并開發(fā)純電動汽車ACC系統(tǒng)的控制算法，通過分析5種常見工況來驗證所提出的控制策略和算法的有效性和正確性。郝克宇[12]通過基于實際情況建立車輛的安全距離模型，采用分層控制對ACC系統(tǒng)進行研究，分別采用了模糊控制和PID控制理論對上下層控制器進行設(shè)計，仿真結(jié)果驗證了所設(shè)計控制器的有效性。對于距離保持功能而言，采用PID控制并不是很好的選擇。PID只關(guān)注當(dāng)前時刻的誤差，不關(guān)注未來時間段內(nèi)的誤差，沒有預(yù)見性。LQR可以在多個約束條件下得到最優(yōu)性能指標，十分適合ACC系統(tǒng)的多目標控制。吳利軍等[13]提出了一種以控制車間距離和相對車速為目標的LQR控制算法。仿真結(jié)果驗證了基于LQR所設(shè)計的ACC控制器的有效性。同時，李想等[14]基于LQR設(shè)計了ACC控制系統(tǒng)，采用變權(quán)重系數(shù)的方法計算出優(yōu)化后的期望加速度，增加了控制目標。仿真結(jié)果表明所設(shè)計的控制策略的有效性。由于LQR具有限制和優(yōu)化加速度的能力，并且可以計算未來固定時間段內(nèi)的最優(yōu)，因此采用LQR來設(shè)計距離保持上層控制器。1ACC系統(tǒng)基本功能及整體架構(gòu)為研究純電動汽車自適應(yīng)巡航控制，首先要確定所設(shè)計的控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能。在本文中設(shè)計的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)主要有2種功能：定速巡航和距離保持。駕駛員根據(jù)自身需要設(shè)定合適的巡航車速后，自車進行加速或者減速，最后以巡航車速繼續(xù)向前行駛。在車輛處于定速巡航模式時，車輛以恒定的速度前進。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板或加速踏板時，定速巡航工作模式將自動取消，由駕駛員自身控制車輛的運動狀態(tài)，保證了駕駛員第一原則。理論上，定速巡航模式只能用于高速公路、封閉道路和空曠無人且長直的郊區(qū)道路。事實上，如果交通情況良好且前方道路的行駛車輛較少時，駕駛員也可以使用定速巡航控制系統(tǒng)，使車輛以駕駛員所設(shè)定的恒定速度前進。駕駛員根據(jù)自身需要設(shè)定合適的安全距離模型后，自車上的雷達實時對前車的間距進行檢測。若發(fā)現(xiàn)自車與前車的距離小于設(shè)定距離時，自車減速；若檢測距離過大或者超出了雷達檢測范圍，則自車開始加速。通過距離保持控制器使車輛加速或減速，從而達到距離保持控制的效果。在實際工作環(huán)境中，距離保持控制模式適用于高速公路、封閉道路和交通狀況良好的郊區(qū)道路。如果交通情況良好但需要跟隨前車行駛時，駕駛員為保證自車與前車保持在一定的安全距離，可以選擇開啟距離保持控制系統(tǒng)，以便自車能夠在保持駕駛員所設(shè)定的安全距離情況下對前車跟蹤行駛。在行車過程中，駕駛員可以通過根據(jù)自身需要和道路交通環(huán)境選擇不同的控制模式，從而滿足駕駛員對車輛控制的不同需求。這些功能的實現(xiàn)可以有效增強車輛的主動安全性，減緩駕駛員在車輛行駛中的疲勞程度，提高了自動巡航系統(tǒng)的工作效率。純電動汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的2種不同控制器從啟動到實現(xiàn)控制效果的整個過程如圖1所示。圖1純電動汽車自動巡航過程框圖2車輛縱向動力學(xué)模型建立為了更好地分析純電動汽車在行駛時的受力情況，建立了純電動汽車的縱向動力學(xué)模型，并直觀地表示出車輛在運動過程中的受力分析，包括所示。圖2車輛縱向受力分析示意圖分別是前后車輪的縱向力；Fzf和Fzr分別是前后車輪的垂直載荷；Rxf和Rxr分別是前后車輪的滾動阻w為空氣阻力，haero是空氣阻力距離地面的高center為質(zhì)心高度；lf和lr為質(zhì)心距離前后兩軸的距離。根據(jù)牛頓第二定律，車輛在縱向上可以得到以下關(guān)系式：Fxfxr-Rxf-Rxr-Fw-mgsinθ=ma(1)車輛在行駛過程中會受到空氣阻力的影響，尤其在高速行駛時，車輛受到空氣阻力的影響特別明顯，是因為它與車輛迎風(fēng)面積和相對風(fēng)速有2Fw2D為空氣阻力系數(shù)；A為行駛車輛迎風(fēng)面r為車輛與風(fēng)速的相對速度，在無風(fēng)情況下等于車速。車輛除了受到空氣阻力外，輪胎和支承路面的變形也會產(chǎn)生滾動阻力，通常可表述為：Rxfxr=f(Fzf+Fzr)(3)式中：f為滾動阻力系數(shù)，車輛的滾動阻力系數(shù)與自車車速成正比關(guān)系，一般推薦的公式是：根據(jù)受力情況的轉(zhuǎn)矩平衡，可以得出前后車輪EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(center),ghce)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up15(s),n)tθ(5)3上層控制器設(shè)計上層控制器根據(jù)駕駛員自身需要選擇不同的控制模式，最后輸出期望加速度給下層控制器，從而控制自車的運動狀態(tài)。3.1安全距離模型建立考慮到駕駛員反應(yīng)時間和制動裝置發(fā)揮作用時間的存在，將選擇可變車間時距模型來確定自動巡航系統(tǒng)的安全距離。一般情況下，前后兩車停止時的間距在3m左右，駕駛員的反應(yīng)時間在考慮到行車安全和乘車舒適性，選擇停車間距為3m,駕駛員反應(yīng)時間與制動裝置響應(yīng)時間之和為0.7s,車輛的最小制動減速度為5m/s2,將各項數(shù)值代入式(6)中，得出本文的安全距離數(shù)學(xué)模型：根據(jù)我國的《道路交通安全法實施條例》規(guī)定[15]：對于行駛在高速公路的車輛，當(dāng)車速超過100km/h時，與同車道的前車的安全距離要保持小于規(guī)定的100m,所以本文設(shè)計的安全距離模型符合國家標準，可以在本文中使用。3.2基于PID的定速巡航上層控制器設(shè)計定速巡航控制模式是行駛車輛最基礎(chǔ)的一種工作模式，它可以通過接收駕駛員設(shè)定好的巡航車速，使自車加速或者減速，直至達到駕駛員所預(yù)期的目標車速后，一直保持巡航車速行駛。定速巡航控制器的控制算法的實現(xiàn)相對較容易，所以采用PID控制算法來設(shè)計定速巡航控制器。假設(shè)駕駛員預(yù)先設(shè)置好的巡航車速為vhum,而自車的當(dāng)前車速為v,兩者作差為：-v(7)根據(jù)PID控制算法，定速巡航的上層控制器的表達式為：(8)I系數(shù)。定速巡航控制器的PID參數(shù)通過試湊法，最I(lǐng)=0。為考慮到實際情況，需要對期望加速度的輸出做限幅處理。采用3.3基于LQR的距離保持上層控制器設(shè)計距離保持控制器是自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的重要部分之一，在設(shè)計距離保持上層控制器時可以運用線性二次型調(diào)節(jié)器的方法，進行期望加速度的求解［16，17］。首先，對跟車行駛過程進行分析。假設(shè)兩車間距和相對速度是可以測量的，為了簡化過程，在此不考慮摩擦力等影響較小的因素。所以在本文中，設(shè)定安全距離模型為自車與前車的期望車間間距，由安全距離模型可以得到，自車期望車間間距與自車的實時速度、最小車間距有關(guān)。當(dāng)分析兩車行駛過程時，前后兩車的加速度變量以及傳遞特性有以下關(guān)系：EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up6(·),ζ)1EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up4(…),x)2分別是自車車速和前車車速，1是自車實際加速度，ζ是實時車間間距。設(shè)該系統(tǒng)的狀態(tài)變量為XT=EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up5(·),ζ)dXdEQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up13(·),X)dudXdEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(1),1)B將控制誤差設(shè)為自車與前車期望間距與實際設(shè)計的控制器的效果是否良好，需要一個控制標準，本文中距離保持控制器的設(shè)計問題可以被簡化成控制指標求最小值問題，即將狀態(tài)反饋增益原理轉(zhuǎn)化成最優(yōu)化的跟蹤問題，如式（13）所示。本文選擇最優(yōu)控制的目標函數(shù)作為距離保持控制器的度量標準，所以二次型性能指標為：2u2u為控制變量的加權(quán)值。根EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up6(·),ζ)2基于此系數(shù)下的距離保持控制器能夠良好地實現(xiàn)期望車間間距，加速度變化的波動次數(shù)較小，可以滿足駕駛員以及乘客的舒適性要求。將計算出的狀態(tài)反饋系數(shù)代入式（14）中，可得自車的期望加速度表達式：EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up7(·),ζ)1為了符合車輛實際的制動情況以及舒適性要求，需要對距離保持控制器輸出的期望加速度作望加速度的輸出進行限制，設(shè)定最小值為-5，最4下層控制器設(shè)計下層控制器接收上層控制器輸出的期望加速度信號，然后計算出總力矩，再根據(jù)車輛縱向動力學(xué)方程求解出力矩，并進行驅(qū)動／制動力矩的分配，從而較好地控制自車的運動狀態(tài)。4.1制動力矩分配計算要分析4個車輪的力矩，首先要計算出總力flrfrrrl=Frlrrrrfrrlrr-rl矩表達式：根據(jù)式（1）和式（5）將前后輪和左右輪的縱向力按照輪胎垂直載荷比例進行分配，得出以下方程組：flfrrlxfxrTfrEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up11(r),r)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up11(a),T)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up9(xf),Tr)lr求解上述方程組，得出各個車輪的驅(qū)動或制動力矩的表達式：EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up8(zf),mg)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up15(T),T)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(r),r)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(l),r)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(2),2)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up14(Tto),Tto)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(t),t)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(a),a)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(l),l)4.2自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)工作模式切換由于車輛在行駛過程中，2種工作模式都是駕駛員自主開啟，所以必須考慮到駕駛員自身的想法，比如對2種不同控制器的切換。設(shè)計了2種控制器的切換方法，原理如圖3所示。圖3上層控制器的切換原理示意圖ades為定速巡航上層控制器的期望加速度，即為定出為距離保持上層控制器的期望加速度，最后的輸出加速度ades為距離保持上層控制器的期望加速度，即為距離保持模式。5聯(lián)合仿真及結(jié)果分析在完成安全距離模型、前車和自車的Carsim車輛模型以及自適應(yīng)巡航控制器模型的建立后，聯(lián)合接口并建立整體的純電動汽車閉環(huán)仿真模型。在彎道工況下對所設(shè)計的純電動汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)進行仿真實驗，設(shè)置路面附著系數(shù)巡航和安全距離保持工況下常見的車輛行駛狀態(tài)為加速、減速以及勻速。所以在60s內(nèi)設(shè)置了前證自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。5.1前車變速行駛定速巡航工況仿真結(jié)果穩(wěn)定在65km/h直至仿真結(jié)束。加減速工況下的定速巡航仿真結(jié)果如圖5所示。圖5前車變速行駛定速巡航工況仿真結(jié)果從圖5(a)可以看出，所設(shè)計的定速巡航控制器能夠較好地滿足行駛需要，使自車車速在3s左右加速到駕駛員所設(shè)置的巡航車速，并保持穩(wěn)定，且加速過程相對平緩，保證了駕駛員的舒適性。圖5(b)為加速巡航下自車期望加速度與實際加速度的對比曲線。從圖中可以看出，自車實際加速度的變化趨勢與期望加速度相同，車輛實際最大加速度在4m/s2左右，符合設(shè)計需求。車輛在加速時的加速度變化有小幅度的振蕩，但其震蕩符合預(yù)期效果。圖5(c)和圖5(d)分別為兩車的速度對比和距離對比曲線。從圖中可以看出，車內(nèi)保持勻速行駛，兩車一直保持著安全車距，保證行車安全性。綜上所述，定速巡航工況下控制器的控制效果良好。5.2前車變速行駛距離保持工況仿真結(jié)果首先設(shè)置自車初始車速為65km/h,兩車距離設(shè)置為50m,前車行駛狀態(tài)不變。仿真時間為工況仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)可以看出，距離保持控制器的控制效果良好，前后兩車的實際距離與期望距離基本相同，達到了預(yù)期效果。從圖6(b)可以看出，自車加速度的變化趨勢與期望加速度的變化趨勢相同，存在一點點滯后現(xiàn)象，但是基本符合要求。自車加速度在前2s內(nèi)有一些振蕩，這是由于自車初始速度比前車小，前車正在減速，同時初始距離較遠的緣故。為了在跟上前車的前提下與其保持安全距離，需要車輛在短時間內(nèi)進行加速。而且，加2,滿足設(shè)計要求，達到了預(yù)期效果。圖6(c)為兩車速度變化曲線。從圖中可以看出，在保持安全距離的條件下，自車與前車的速度變化趨勢相同，且變化較為平緩，保證了乘車舒適性。從圖6(d)可以看出，自車的跟蹤性能良好。綜上所述，距離保持工況下控制器控制效果良好。圖6前車變速行駛距