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      小型電動(dòng)汽車自動(dòng)巡航控制研究

      2019-08-06 08:49張健
      時(shí)代汽車 2019年7期
      關(guān)鍵詞:模糊控制電動(dòng)汽車

      張健

      摘 要:本文主要是對電動(dòng)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(dòng)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??刂破鞑捎媚:刂频姆椒ǎ肕atlab/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(dòng)汽車;定速巡航;模糊控制;聯(lián)合仿真

      1 小型電動(dòng)汽車自動(dòng)巡航控制基本原理

      1.1 自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)踏板時(shí),自動(dòng)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(dòng)汽車自動(dòng)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(dòng)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??刂破髟O(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(dòng)汽車自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的分析,改變了以往內(nèi)燃機(jī)的傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)化學(xué)報(bào),2006.

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