劉逸群，張利新，鄭志敏，孫 煒，明杰婷

(中車時代電動汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007)

定速巡航系統(tǒng)(CCS)是指在一定的車速范圍內(nèi)，駕駛員不用控制加速踏板而能夠使汽車保持設定速度行駛的控制系統(tǒng)。定速巡航系統(tǒng)有效地減輕了駕駛疲勞，提高了駕駛的便利性、舒適性、經(jīng)濟性。由于純電動客車由電機驅動，對控制的穩(wěn)定性和精度要求更高，而傳統(tǒng)PID控制算法需要一定的標定工作，且控制精度相對較低，響應時間較長，無法有效地滿足純電動客車CCS的控制需求。

本文通過對純電動客車定速巡航控制原理的研究，設計一種基于雙閉環(huán)控制策略的定速巡航系統(tǒng)，并通過搭建的Cruise/Simulink純電動客車聯(lián)合仿真平臺和實車工況驗證所設計系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性。

1 雙閉環(huán)定速巡航控制系統(tǒng)

1.1 雙閉環(huán)定速巡航控制系統(tǒng)組成

雙閉環(huán)定速巡航控制系統(tǒng)架構如圖1所示，主要由外部輸入、巡航控制策略和MCU控制組成。外部輸入包括巡航設定車速、加速信號、制動信號、實際車速、實際加速度。巡航控制策略采用由速度轉化環(huán)和速度調節(jié)環(huán)組成的雙閉環(huán)結構，其中速度轉化環(huán)將速度信號轉化為加速度信號，速度調節(jié)環(huán)將加速度信號調節(jié)為扭矩信號。MCU控制根據(jù)巡航控制策略算出的車輛需求扭矩控制電機的巡航扭矩，進而控制車速。該雙閉環(huán)中的速度轉化環(huán)可以有效提升汽車巡航控制的反應速度，速度調節(jié)環(huán)能夠調節(jié)速度變化率，使得輸出扭矩更為快速、準確地接近穩(wěn)定值，從而快速、準確、穩(wěn)定地實現(xiàn)巡航車速。

圖1 雙閉環(huán)定速巡航控制系統(tǒng)架構

1.2 雙閉環(huán)控制策略設計

1.2.1 傳統(tǒng)單環(huán)控制策略

定速巡航的傳統(tǒng)單環(huán)控制策略如圖2所示，由單一的速度偏差作為輸入，輸出為踏板開度，根據(jù)踏板開度和驅動扭矩的關系，通過大量的標定得到被控車輛的經(jīng)驗扭矩。汽車在巡航過程中具有時變非線性特性，其力(力矩)平衡方程中包含有速度和加速度兩個運動特性。單一的速度變化與車輛控制扭矩并不成線性關系。因此，傳統(tǒng)單環(huán)控制對于復雜工況下的巡航控制存在缺陷：當車速不斷變化時，PID 控制器中的積分控制環(huán)節(jié)會導致系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調，甚至導致產(chǎn)生較大的扭矩震蕩，從而無法滿足對巡航扭矩控制的要求。

圖2 傳統(tǒng)單環(huán)控制策略

1.2.2 雙閉環(huán)控制策略總體方案

為了應對汽車在巡航過程中的時變非線性問題，本文設計了雙閉環(huán)PID控制策略，同時考慮速度和加速度兩個因素的影響，以更為準確地描述車輛的運動狀態(tài)，從而實現(xiàn)更穩(wěn)定、更靈敏的定速巡航控制。策略方案如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)PID控制策略方案

速度偏差經(jīng)過速度轉化環(huán)輸出的不再是踏板開度，而是速度PID控制器輸出的與扭矩強相關的加速度補償值,同時通過設計速度不滿度因子對運動學方程計算的目標加速度進行調節(jié)與修正計算，得到對應設定車速的目標加速度。速度轉化環(huán)輸出的加速偏差作為速度調節(jié)環(huán)中加速度PID控制器的前饋輸入，得到扭矩補償，同時速度調節(jié)環(huán)根據(jù)車輛運動學方程和目標加速度值計算車輛的目標扭矩，通過將轉矩補償值和目標轉矩融合，使車輛所獲得的控制扭矩更為準確。傳統(tǒng)的單環(huán)控制策略需要根據(jù)踏板開度與扭矩的線性關系去標定，該雙閉環(huán)策略減少了大量標定工作。兩個環(huán)組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，有效地避免了單環(huán)PID控制產(chǎn)生較大超調量的缺陷，從而確保被控車輛巡航速度的穩(wěn)定性、及時性和準確性。

1.2.3 速度轉化環(huán)控制策略設計

速度轉化環(huán)控制策略設計主要有兩部分。

1)速度PID控制器策略設計。速度PID控制器采用PI控制，其輸入為目標車速與實際速度的一系列的速度偏差信號。

()=-()

(1)

速度偏差()的正負值決定輸出的加速度(補償)的正負值和計算的目標加速度的正負值。

速度PID控制器關于加速度補償()的傳遞函數(shù)可以寫成

(2)

式中：為比例系數(shù)，適當調大可以提高響應速度,過大則會放大噪聲,且導致控制器輸出飽和,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；為積分系數(shù)。

由于CAN總線采集的數(shù)據(jù)是按周期進行離散的，因此需要進行時間間隔的離散化處理：

()=·()+

(3)

式中：()為速度PID控制器輸出的加速度(補償)值，為周期時間的間隔數(shù)。

2)目標加速度計算。目標加速度值為驅動、制動時二者的綜合值，計算公式見式(4)。其中、為權重分配系數(shù)。

=+

(4)

① 若()≥0，則是正值的驅動目標加速度，此時、的計算公式見式(5)和式(6)。

···=

(5)

···=

(6)

式中：為當前采樣時刻的驅動加速度；為當前轉速下的最大驅動加速度；為整車質量；為傳動比；為主減速比；為滾動半徑；為電機效率；為采樣時刻的電機扭矩；為當前轉速對應的電機外特性最大扭矩。

② 若()<0，則是負值的制動目標減速度，此時、的計算公式見式(7)。

=-0177,=Δ

(7)

式中：Δ為當前時刻速度與上一時刻速度的速度差；為重力加速度，取9.81 m/s。

為使計算的目標加速度更為準確，設計速度不滿度因子來表征駕駛員對速度需求的滿意度。第個采樣點的當前車速的速度不滿度因子()的表達式為

()=(-)

(8)

速度不滿度因子越大，駕駛員期望獲得的目標加速度就越大。而=+，由于權重系數(shù)+=1，>，因此，為使得增大，此時應提升的占比，即增大，而適當減少的占比，即減小，從而調高的值。當車速達到目標車速后，()相應清零。

1.2.4 速度調節(jié)環(huán)控制策略設計

速度調節(jié)環(huán)控制策略設計包括加速度PID控制器策略設計和目標扭矩計算。

1)加速度PID控制器策略設計。采用PID控制，其輸入為速度轉化環(huán)輸出的加速度補償()、目標加速度以及車輛運行實際加速度三者的加速度偏差():

()=()+-()

(9)

因此，相應扭矩補償()的函數(shù)可寫成

(10)

式中：、、分別為比例、積分、微分系數(shù)。

同樣，將()離散化為加速度PID控制器輸出的扭矩(補償)值()：

(11)

2)目標扭矩計算。根據(jù)車輛動力學方程，目標扭矩有：

···=

·+··2115+··

被控車輛的總控制扭矩為

=()+

(12)

>0則車輛處于加速狀態(tài)；=0，則車輛處于定速巡航狀態(tài)；<0則車輛處于減速狀態(tài)。

2 聯(lián)合仿真分析與實車應用

2.1 仿真模型建立

根據(jù)現(xiàn)有的一款10.5 m純電動客車參數(shù)、電機參數(shù)、電池參數(shù)在Cruise中分別建立其模型，在Simulink中建立電機控制模型；再通過Cruise提供的外部接口連接Cruise整車模型和Simulink電機控制模型，建立起純電動客車的聯(lián)合仿真模型，其架構如圖4所示。

圖4 純電動客車聯(lián)合仿真模型架構

Cruise整車模型和Simulink模型的輸入輸出參數(shù)如圖5所示。

圖5 Cruise與Simulink交互參數(shù)

2.2 仿真對比分析

在Cruise軟件中建立路譜數(shù)據(jù)，設置采樣時間間隔為0.02 s，電機采用目標扭矩控制模式，車輛半載，外部連接方式為Interface方式。在Simulink中進行聯(lián)合仿真，并與傳統(tǒng)PID控制方式的仿真進行對比，設置定速巡航速度為60 km/h，并與傳統(tǒng)PID控制方式進行對比。自設路譜工況仿真結果如圖6所示。

圖6 自設路譜工況算法效果仿真圖

1)車輛在起步后40 s進入車速為60 km/h的定速巡航模式。40～44 s為水平路面巡航路況，雙閉環(huán)控制策略的車速始終能夠保持穩(wěn)定；而傳統(tǒng)單環(huán)PID控制的車速控制誤差較大。

2)巡航車速逐步設定為40 km/h,增加8%的坡度設置。在58 s后進入40 km/h定速巡航階段，雙閉環(huán)控制策略的車速能夠穩(wěn)定在40 km/h，實現(xiàn)速度的快速跟隨；而傳統(tǒng)單環(huán)PID控制的車速發(fā)生超調現(xiàn)象，無法實現(xiàn)車速穩(wěn)定功能。

3)77 s后，將巡航車速逐步設定為50 km/h,繼續(xù)保持8%的坡度設置。在84 s后進入50 km/h定速巡航階段，雙閉環(huán)控制策略的車速穩(wěn)定在50 km/h，誤差??；而傳統(tǒng)單環(huán)PID控制的車速誤差較大。

2.3 實車試驗效果

試驗樣車與仿真對象相同，采用雙閉環(huán)控制策略，道路為平直干燥路面，車輛半載。實車在42 s時啟動了定速巡航模式，巡航車速從13 km/h通過手動設置逐步增加到18 km/h，然后逐步減小到8 km/h，該過程中實際車速能夠迅速響應，并且能夠實現(xiàn)小段速度調節(jié)，實際速度呈梯度變化。設置在8 km/h、10 km/h、14 km/h的定速巡航保持階段，實際速度跟隨設定變化，誤差小，能夠實現(xiàn)車速的準確跟隨和快速穩(wěn)定。實車試驗結果如圖7所示。

圖7 實車試驗工況

3 結束語

針對純電動客車扭矩控制的特點，設計了一種由速度轉化環(huán)和速度調節(jié)環(huán)組成的雙閉環(huán)控制策略的定速巡航控制系統(tǒng)。通過Cruise/Simulink聯(lián)合仿真和實車試驗結果表明，相比于傳統(tǒng)單環(huán)PID巡航系統(tǒng)，該雙閉環(huán)定速巡航控制系統(tǒng)響應速度快，抗干擾能力強，具有良好的適應能力及較高的控制精度。