胡春雨 于夢(mèng)閣 鄭旭光 王國(guó)暉

摘要：針對(duì)不同車(chē)型的ECU（Engine Control Unit）報(bào)文協(xié)議不同，預(yù)見(jiàn)性巡航控制系統(tǒng)（Predictive Cruise Control System，PCC）扭矩請(qǐng)求無(wú)法得到應(yīng)答，不可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛巡航控制的問(wèn)題，提出了一種PCC請(qǐng)求扭矩—油門(mén)電壓—實(shí)際扭矩的間接反饋控制方法。在PCC模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU之間設(shè)計(jì)信號(hào)處理單元—線控油門(mén)控制單元THCU （Throttle Control Unit by Wire），基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)高密數(shù)據(jù)和油門(mén)踏板電壓與油門(mén)開(kāi)度的線性關(guān)系，建立油門(mén)電壓—實(shí)車(chē)扭矩先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將模糊自整定（Fuzzy Self-Tuning， FS-T） PID算法融合進(jìn)PCC扭矩預(yù)測(cè)程序中，建立扭矩跟蹤控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)THCU模塊的信號(hào)轉(zhuǎn)換，利用油門(mén)電壓—實(shí)車(chē)扭矩先驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)控制量初步調(diào)節(jié)，PCC融合算法對(duì)扭矩精確跟蹤，實(shí)現(xiàn)了在平均73.7 km/h的車(chē)輛巡航工況下，扭矩跟蹤時(shí)間誤差為0.495 s，行程誤差為10.13 m的安全行車(chē)要求。

關(guān)鍵詞：預(yù)見(jiàn)性巡航控制系統(tǒng)；扭矩請(qǐng)求；線控油門(mén)；先驗(yàn)?zāi)Ｐ?；模糊自整定PID

中圖分類號(hào)：U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-1037（2023）02-0064-07

doi：10.3969/j.issn.1006-1037.2023.02.11

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：51705267）資助。

通信作者：

于夢(mèng)閣，女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)檐?chē)輛多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等。

基于扭矩請(qǐng)求的動(dòng)力控制策略廣泛應(yīng)用于車(chē)輛的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性的研究與實(shí)踐中。在商用車(chē)輔助駕駛領(lǐng)域，預(yù)見(jiàn)性巡航控制系統(tǒng)根據(jù)高精度地圖信息預(yù)測(cè)前方道路發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩，調(diào)整車(chē)輛行駛狀態(tài)，以達(dá)到主動(dòng)控制車(chē)輛巡航的目的［1-4］。但是，由于標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)ECU參數(shù)的Α2L文件不盡相同，PCC扭矩請(qǐng)求無(wú)法得到應(yīng)答，這給PCC的適配性提出了挑戰(zhàn)。為了解決對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU扭矩控制的問(wèn)題，在乘用車(chē)、商用車(chē)、輕軌列車(chē)和飛機(jī)等領(lǐng)域，基于速度控制或者扭矩控制方面做了大量研究，常見(jiàn)的有PID（Proportion Integration Differentiation）控制、模糊自適應(yīng)控制、滑模魯棒控制以及其他多種復(fù)合控制策略等［5-12］。在乘用車(chē)的扭矩控制研究中，利用模糊PID扭矩識(shí)別系數(shù)識(shí)別混合動(dòng)力汽車(chē)的扭矩［5］?；谒阉髡邇?yōu)化算法（Seeker Optimization Algorithm，SOΑ）、遺傳算法（GΑ）分別與PID組合的控制方法，對(duì)電動(dòng)四驅(qū)汽車(chē)軸間扭矩分配進(jìn)行控制，均取得預(yù)期效果［6，13］。從商用車(chē)扭矩控制角度，結(jié)合比例—積分控制器和Smith預(yù)估補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的ΑCC（Adaptive Cruise Control）下位控制算法實(shí)現(xiàn)了速度穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差和距離穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差均減?。?］。在輕軌車(chē)輛方面，一種分?jǐn)?shù)階PID （Fractional Order PID，F(xiàn)OPID）扭矩控制策略優(yōu)化了車(chē)輛曲線通過(guò)性能［8］。作為對(duì)可靠性要求極高的公共交通系統(tǒng)，100%低地板輕軌車(chē)也大多采用技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的PID控制方法［14］。即使在民機(jī)控制系統(tǒng)或履帶車(chē)輛自動(dòng)駕駛系統(tǒng)方面，均有使用模糊控制器在線整定PID參數(shù)的方法控制速度［9-10］。車(chē)輛油門(mén)信號(hào)調(diào)節(jié)研究中，分別采用雙閉環(huán)PID模型和增量式PID控制器研究油門(mén)控制策略，均間接實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)輛控制［15-16］。以上研究無(wú)論是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的直接控制，還是通過(guò)車(chē)輛油門(mén)等對(duì)車(chē)輛的間接控制，都應(yīng)用了與PID相關(guān)的控制策略，且集中在PID控制參數(shù)自整定方面，極少考慮從控制變量的大數(shù)據(jù)分析角度，總結(jié)變量間內(nèi)在關(guān)系，進(jìn)而協(xié)助PID調(diào)節(jié)，提高參數(shù)適應(yīng)性的情況。以上研究大多基于車(chē)輛前裝控制需求正向研發(fā)。鑒于此，本文提出一種PCC請(qǐng)求扭矩—油門(mén)電壓—實(shí)際行駛扭矩的間接控制方法，分析車(chē)聯(lián)網(wǎng)高密數(shù)據(jù)，構(gòu)建了油門(mén)電壓—實(shí)車(chē)扭矩先驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎萌诤夏：哉≒ID的PCC算法建立扭矩跟蹤控制器，并由實(shí)車(chē)驗(yàn)證。

1 基于扭矩請(qǐng)求的線控油門(mén)系統(tǒng)

基于扭矩請(qǐng)求的線控油門(mén)系統(tǒng)主要有三部分：踏板位置傳感器PPS（Pedal Position Sensor），將踏板轉(zhuǎn)動(dòng)位移轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)電壓值；THCU硬件，包含處理器、ΑDC和常閉雙開(kāi)雙閉繼電器等硬件，以及在處理器中的相關(guān)功能驅(qū)動(dòng)程序；扭矩跟蹤反饋控制算法，集成于PCC終端里，如圖1所示。

該系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

（1）當(dāng)THCU未檢測(cè)到PCC控制信號(hào)時(shí)，繼電器保持常閉狀態(tài)，由油門(mén)踏板（駕駛員）接管車(chē)輛；

（2）當(dāng)THCU檢測(cè)到PCC控制信號(hào)，并且無(wú)踏板信號(hào)時(shí)，繼電器轉(zhuǎn)為打開(kāi)狀態(tài)，由PCC巡航控制；

（3）THCU一旦檢測(cè)到踏板信號(hào)，無(wú)論P(yáng)CC狀態(tài)如何，繼電器轉(zhuǎn)為常閉狀態(tài)，由油門(mén)踏板接管車(chē)輛；

（4）重復(fù)步驟（1）到步驟（3），保證該系統(tǒng)合理、安全地把車(chē)輛控制權(quán)限分配給踏板或PCC。

2 THCU硬件設(shè)計(jì)

THCU硬件核心采用S9S12GΑ48，主要用來(lái)外接其他電路，決定繼電器的開(kāi)閉邏輯和實(shí)現(xiàn)ΑD模數(shù)轉(zhuǎn)換。以TPS7B6950DBVR為核心的降壓電路將卡車(chē)電壓由24 V轉(zhuǎn)換為5 V，為T(mén)HCU模塊供電；以SN65HVD251為核心的CΑN電路通過(guò)兩路CΑN與T-Box硬件終端內(nèi)的PCC模塊聯(lián)系；以DΑC104S085為核心的數(shù)模轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過(guò)集成于PCC模塊中的模糊PID計(jì)算得到的控制量信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓值，再通過(guò)兩個(gè)電壓跟隨器輸送到踏板—ECU接口；常閉雙開(kāi)雙閉繼電器電路通過(guò)S9S12GΑ48處理器內(nèi)的驅(qū)動(dòng)程序決定繼電器的開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)踏板控制車(chē)輛還是PCC控制車(chē)輛；還有一些調(diào)試接口電路，主要用來(lái)提供系統(tǒng)調(diào)試與下載功能；輸入、輸出電路，接收來(lái)自PPS與PCC的信號(hào)（電壓或數(shù)字信號(hào)），然后輸送給踏板—ECU接口；最后增加4個(gè)電壓跟隨器，起到阻抗匹配的作用，當(dāng)較弱的信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)相對(duì)較高的電流負(fù)載時(shí)，能使本身微弱的信號(hào)變得“強(qiáng)壯”，提高了電路負(fù)載能力，同時(shí)保障信號(hào)的波形和幅值不變。

3 扭矩跟蹤控制器設(shè)計(jì)

3.1 油門(mén)電壓—實(shí)車(chē)扭矩先驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在“解放行”車(chē)聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)上，下載136 729條關(guān)于油門(mén)開(kāi)度α、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩T和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的解放輕卡J6F的車(chē)輛狀態(tài)高密數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析，避免怠速、啟停與下道低速工況數(shù)據(jù)的影響，剔除39 155條α=0的狀態(tài)數(shù)據(jù)（占比28.6%）。考慮到數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)上傳等帶來(lái)的延遲、錯(cuò)位，導(dǎo)致α、T和n三者不一定完全對(duì)應(yīng)，在剩余的71.4%的數(shù)據(jù)中等概率抽取13 790條數(shù)據(jù)組，對(duì)其進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，擬合效果如圖2所示。可知，R2達(dá)到0.93，比較接近1，說(shuō)明α、T和n三者存在很強(qiáng)的二次多項(xiàng)式關(guān)系。

T、α及n的二次多項(xiàng)式擬合公式為

其中，p00=1 205，p10=45.77，p01=-16.36，p20=-0.27，p11=0.370 3，p02=-0.296 4。

只對(duì)α和T關(guān)系進(jìn)行討論，得到確定的T與對(duì)應(yīng)的α的正態(tài)分布關(guān)系，如圖3所示，以及對(duì)不同T在μ±2σ（μ為均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差）范圍下α的變化范圍，見(jiàn)表1。

油門(mén)踏板控制發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，油門(mén)踏板的輸出量是模擬電壓，PCC請(qǐng)求的是扭矩值，從車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的是α—T—n，不滿足THCU的參數(shù)控制條件。對(duì)油門(mén)踏板線束實(shí)際測(cè)試得到表2（上2為ECU端油門(mén)接插件上排中間引腳，上3為右邊引腳，以此類推），踏板電壓U與α存在線性關(guān)系，那么α—T—n三者關(guān)系可以轉(zhuǎn)變成U—T—n三者關(guān)系，符合駕駛員通過(guò)踩踏油門(mén)踏板改變其電壓輸出，進(jìn)而控制車(chē)輛速度與動(dòng)力的實(shí)際情況。于是，利用U—T二者之間的大致線性關(guān)系，改善PCC扭矩跟蹤控制器的模糊PID初始調(diào)節(jié)的延時(shí)與穩(wěn)定性。

3.2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)良好的PCC請(qǐng)求扭矩跟蹤，考慮到工程實(shí)際要求（及時(shí)、穩(wěn)定和可靠），使用PID反饋調(diào)節(jié)實(shí)際車(chē)輛扭矩值以求達(dá)到較好的巡航控制車(chē)輛的效果。于是，PID的參數(shù)整定是核心內(nèi)容，為解決典型PID控制器利用固定參數(shù)進(jìn)行控制時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能的矛盾，增加修正參數(shù)整定PID初值以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。由于車(chē)輛動(dòng)力控制過(guò)程中PCC的請(qǐng)求扭矩值是離散的，以目標(biāo)扭矩Td與實(shí)際扭矩Ta的偏差e作為系統(tǒng)輸入。

采用PID控制算法的離散差分公式

其中，Td（t）表示t時(shí)刻的目標(biāo)扭矩，Ta（t）表示t時(shí)刻的實(shí)際扭矩，e（t）表示t時(shí)刻的扭矩差，Kp、Ki、Kd分別為PID控制器的比例、積分和微分系數(shù)，un為PID控制器輸出控制量。

將模糊控制和PID控制相融合，使系統(tǒng)兼具模糊控制的機(jī)動(dòng)性、快速性和PID控制精度高的特性［17］。圖4所示為模糊自適應(yīng)PID控制圖，其中r為系統(tǒng)輸入量，y為系統(tǒng)輸出量。該控制系統(tǒng)不斷檢測(cè)輸入量偏差e和偏差變化率ec，根據(jù)模糊推理規(guī)則對(duì)PID控制器的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，滿足不同輸入狀態(tài)下控制系統(tǒng)對(duì)控制參數(shù)的要求，使系統(tǒng)保持良好的動(dòng)、靜態(tài)性能［18-19］。

模糊自適應(yīng)PID參數(shù)調(diào)整為

其中，Kp′、Ki′、Kd′分別為模糊控制器保留上一次Kp、Ki、Kd對(duì)應(yīng)的值，ΔKp、ΔKi和ΔKd分別為Kp、Ki、Kd的增量。因?yàn)檫@3個(gè)增量變化量較小，計(jì)算量較Kp、Ki、Kd也減少，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

Td發(fā)生變化時(shí)，扭矩跟蹤控制器首先根據(jù)油門(mén)電壓—實(shí)車(chē)扭矩先驗(yàn)?zāi)Ｐ洼敵鯰d對(duì)應(yīng)的控制量，使Ta快速達(dá)到目標(biāo)值附近，減少完全利用PID調(diào)節(jié)的反應(yīng)時(shí)間。扭矩跟蹤變化見(jiàn)表1，大概率在目標(biāo)值±5％范圍內(nèi)（由于實(shí)測(cè)怠速扭矩為12%左右，PCC在實(shí)際巡航時(shí)，扭矩值小于20%的概率很小）。選定e和ec的基本論域均為［-5，5］，即最大扭矩偏差為5％，最大扭矩偏差每秒變化率為5％，e和ec的模糊論域E=［-2，-1.5，-1，-0.5，0，0.5，1，1.5，2］，偏差e和偏差變化率ec的模糊語(yǔ)言變量為：負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（ZO）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB），所以e和ec的模糊子集為［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］。針對(duì)3個(gè)參數(shù)的模糊推理規(guī)則見(jiàn)表3。

模糊推理使用Mamdani方法，模糊控制器輸出量的反模糊化方法采用重心法，優(yōu)點(diǎn)在于求解模糊化過(guò)程中可以增強(qiáng)過(guò)渡性，防止控制量發(fā)生跳躍現(xiàn)象

其中，z*為解模糊結(jié)果，z為模糊論域E中的元素，μN(yùn)*（z）為輸出子集N*關(guān)于z的隸屬度函數(shù)，-n、n為連續(xù)模糊論域E的取值上、下限，即E∈［-n，n］。

最后將模糊推理后的解模糊結(jié)果輸送到PID控制器中以實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的實(shí)時(shí)校正。

4 實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)

以一汽解放J6F輕型商用車(chē)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在Matlab/Simulink上搭建模糊自整定PID程序，利用USB接口CΑN盒向THCU發(fā)送請(qǐng)求扭矩值，同時(shí)從車(chē)載OBD端接收發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的Ta，經(jīng)過(guò)THCU數(shù)模轉(zhuǎn)換將模擬量信號(hào)發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，測(cè)試系統(tǒng)功能。將功能測(cè)試程序轉(zhuǎn)化為C語(yǔ)言程序，整合導(dǎo)入原PCC程序，集成于車(chē)聯(lián)網(wǎng)終端T-Box。

實(shí)車(chē)測(cè)試路段選擇青島市S19龍青高速城陽(yáng)收費(fèi)站至龍泉收費(fèi)站段，巡航車(chē)速維持在70～80 km/h，測(cè)試時(shí)間約為730 s，如圖5所示。在83.890 5 s后，車(chē)輛完全進(jìn)入PCC巡航模式，Ta變化趨勢(shì)與α的變化趨勢(shì)保持高度一致性，如圖6所示。由于從α到Ta，需要經(jīng)過(guò)油門(mén)—ECU計(jì)算—噴油嘴開(kāi)啟—活塞做功—車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)等過(guò)程，涉及數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯計(jì)算、機(jī)械做功與動(dòng)力傳遞等環(huán)節(jié)，因此，造成Ta跟蹤α?xí)r信號(hào)量超調(diào)與時(shí)間延遲。在α由減小轉(zhuǎn)為增大的趨勢(shì)中，取α處于相對(duì)最小值階段的初始點(diǎn)坐標(biāo)（417.61， 22），取對(duì)應(yīng)趨勢(shì)的Ta的轉(zhuǎn)折點(diǎn)坐標(biāo)（417.15， 8），可見(jiàn)，Ta跟蹤α由減小轉(zhuǎn)為增大的趨勢(shì)中，Ta相對(duì)于α的信號(hào)量超調(diào)為14%，時(shí)間延遲為0.46 s。在α由增大轉(zhuǎn)為減小的趨勢(shì)中，取α處于相對(duì)最大值階段的初始點(diǎn)坐標(biāo)（538.45， 48），取對(duì)應(yīng)趨勢(shì)的Ta的初始點(diǎn)坐標(biāo)（537.98， 58），可見(jiàn)，Ta跟蹤α由增大轉(zhuǎn)為減小的趨勢(shì)中，Ta相對(duì)于α的信號(hào)量超調(diào)為10%，時(shí)間延遲為0.47 s。總之，由于系統(tǒng)慣性，Ta信號(hào)不能完全同步跟隨油門(mén)信號(hào)的改變，當(dāng)Ta跟隨α?xí)r，出現(xiàn)大約10%左右的超調(diào)量和0.46 s左右的時(shí)間延遲（由于α、T均為歸一化數(shù)據(jù)，這里10%等特指數(shù)值）。

圖7表示在PCC巡航過(guò)程中，結(jié)合油門(mén)電壓-實(shí)車(chē)扭矩先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪：哉≒ID調(diào)節(jié)的Ta跟隨PCC請(qǐng)求扭矩TPCC的情況，Ta的變化趨勢(shì)與TPCC保持一致；Ta的變化幅度與TPCC幾乎接近；Ta大小與對(duì)應(yīng)的TPCC大小接近?？紤]到從TPCC到Ta在時(shí)間先后關(guān)系和空間傳遞關(guān)系的情況，當(dāng)TPCC變化過(guò)于頻繁時(shí)，Ta的跟隨細(xì)節(jié)會(huì)出現(xiàn)少量丟失。放大圖7中的500～540 s之間的Ta與TPCC曲線，如圖8所示，取TPCC由增大轉(zhuǎn)為穩(wěn)定趨勢(shì)中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)坐標(biāo)（515.995 5， 51），取對(duì)應(yīng)Ta的轉(zhuǎn)折點(diǎn)坐標(biāo)（516.480 5， 50），可見(jiàn)Ta在現(xiàn)實(shí)情況下跟隨TPCC出現(xiàn)約0.495 s的延遲。在73.7 km/h的平均巡航車(chē)速下，造成10.13 m的行程誤差，相比較于高速公路安全距離（至少50 m），PCC巡航滿足安全行車(chē)要求。

5 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)線控油門(mén)控制單元THCU，解決了PCC與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU間因通信協(xié)議障礙而無(wú)法普遍適配的問(wèn)題。在PCC請(qǐng)求扭矩—油門(mén)開(kāi)度—實(shí)際扭矩的反饋控制回路中，實(shí)際扭矩對(duì)油門(mén)開(kāi)度的響應(yīng)在變化趨勢(shì)上保持一致，但是存在一定的系統(tǒng)慣性與時(shí)間延遲。通過(guò)應(yīng)用車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)總結(jié)出油門(mén)電壓—實(shí)車(chē)扭矩先驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑸榕ぞ嘏c模擬油門(mén)開(kāi)度之間的轉(zhuǎn)化提供基本映射關(guān)系，提供模糊自適應(yīng)PID控制程序的模糊論域精確范圍。將整體模糊自適應(yīng)PID控制程序與PCC請(qǐng)求扭矩預(yù)測(cè)程序融合，在PCC請(qǐng)求扭矩至油門(mén)開(kāi)度段進(jìn)行自適應(yīng)模糊調(diào)節(jié)，有效消除油門(mén)開(kāi)度至實(shí)際扭矩段的系統(tǒng)慣性帶來(lái)的實(shí)際扭矩超調(diào)量，實(shí)現(xiàn)總體不超過(guò)0.5 s的系統(tǒng)時(shí)間延遲。在PCC后裝應(yīng)用方面，提供了一種軟硬件組合的方法，有效地實(shí)現(xiàn)了良好的PCC巡航效果。

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