針對純電動汽車自適應巡航控制系統（ACC）設計分析

鐘文京南昌市工業技術研究院

針對純電動汽車自適應巡航控制系統（ACC）設計分析

鐘文京
南昌市工業技術研究院

在國家戰略方針的推動下，新能源汽車行業風生水起迅速發展，為了從整車系統控制角度綜合解決車輛的安全、節能和環保問題,純電動汽車由于具有節能環保的重要特點已經成為我國汽車行業發展的重要方向。自適應巡航控制系統是關于汽車性能的重要結構，有效提高整車安全性和降低駕駛強度，也是我國未來新能源汽車行業發展中應當重點突破的環節。

純電動汽車；自適應巡航控制系統；設計

作為純電動汽車的重要結構的自適應巡航系統（ACC）是生產廠商和消費者關注的重要內容，本文將從自適應巡航系統控制設計方案、安全距離測算法、速度控制測算法、記錄控制測算法等四個方面對純電動汽車自適應巡航控制系統設計和測算法進行分析。

一、系統控制設計方案

每個環節的控制設計是實現退出、工作、激活功能的保障，從實際駕車操作特點出發，以系統主要工作狀態和基本功能實現要求為基礎，科學制定任何情況下駕駛員控制車輛的主動干預計劃，以主動干預優先、系統各狀態間切換、驅動與制動控制設計為主要內容。

1、駕駛員主動干預優先。減輕駕駛員負擔、增強安全性是汽車自適應巡航控制系統的主要功能。汽車優先控制權應當歸屬駕駛員所有，進而為行駛的安全性提供保障，當駕駛員在自適應巡航控制系統工作時操作制動踏板或加速踏板時，此時車輛應當推出自適應巡航控制系統，進而確保駕駛員隨時控制車輛，當自適應巡航控制系統被駕駛員再次啟動時，自動恢復系統，并完成記憶參數的清除后的重新設置。

2、系統各狀態間切換。自適應巡航控制系統功能的實現以合理的系統狀態間切換為基礎，系統狀態劃分在不同的研究中略有不同，其中韓國亞洲大學將其劃分為距離控制、速度控制、人員控制三個方面。北京理工大學則將自適應巡航控制系統劃分為距離控制、速度控制、定速巡航三個部分[1]。在國際標準ISO22179的基礎上，以自適應巡航控制系統的基本控制設計需求為依據，將定速巡航模式和自適應巡航模式作為自適應巡航控制系統的兩種模式分類，依據駕駛員設置的巡航車速、間隔間距、安全距離、ACC車輛實際車速、雷達探測的相對速度、相對距離、駕駛員開關信號等條件，依據制定好的控制邏輯測算法對期望車速和期望加速度進行判定。當兩車相對速度不大于零且滿足目標車輛在雷達有效探測范圍要求時，自適應巡航模式自動取代系統定速巡航模式；當兩車距離大于雷達的有效探測范圍使用定速巡航模式自動取代自適應巡航模式；當駕駛員主動干預或系統開關發出關閉信號的條件下會自動退出任何一種模式[2]。

3、驅動與制動控制。一般來說制動和驅動切換過于頻繁會降低車輛的經濟性和執行器的使用壽命，可見性能優越的車輛需要合理的制動、驅動切換。避免驅動與制動同時作用引起的系統不穩定或發生震蕩應當是制定驅動與制動控制切換的主要目的，具體切換方式包括：在主要切換為期望制動壓力大于零的情況，期望制動壓力為切換方式輸出；在期望制動壓力小于零的情況下，期望驅動轉矩為切換方式輸出。以制動控制優先原則進行制動與驅動切換方式的設計來保障安全距離。

二、安全距離測算法

計算安全距離是每個自適應巡航控制系統設計的第一個環節，必須考慮到駕駛員接受度、道路利用率、交通流和車隊穩定性、汽車行駛安全性等環節。通常情況下，在系統設置安全距離過小的情況下雖然能夠實現增大交通流量、提高道路利用率，但駕駛員主動控制或制動系統作用的時間過短，極易發生道路安全事故。當汽車行駛的安全性在系統設置安全距離過大的情況下能夠得到保證，但會降低道路利用率，影響出行效率。由此可見合理的安全距離算法很大程度上決定了自適應巡航控制系統的設計成效[3]。

通常情況下固定安全距離和可變安全距離是安全距離測算法的兩個分類。固定安全距離為與本車速度和道路環境無關在行駛過程中安全距離適中保持不變，這種易于實現的測算法通常達不到實際情況要求?？勺儼踩嚯x設計以車間時距為基礎，通常包括兩種可變車間時距和固定車間時距?？勺冘囬g時距計算是以車間時距th根據汽車行駛環境的改變而改變為基礎，這種測算法更加符合實際情況。車間時距與車速在可變車間時距計算中成正比：

式中，th1th2是常數，并且都大于0.根據上式可知，在車速增加的情況下車間時距也會相應的增加，實踐中汽車車速應當控制在設計最高車速以內Vmax，所以車間距應當符合以下要求：

將相對速度的影響考慮到車間時距的計算中，車間時距通過一個上限為1下線為0的飽和函數進行描述

式中，飽和函數為sat，th0ch是常數且都大于0，兩車相對速度為vr。

該算法獲得的安全距離不僅滿足要求，而且誤差較小。

三、速度控制測算法

汽車的實際車速趨于期望車速是速度控制測算法所要實現的主要功能，跟隨模式和定速模式是期望車速的兩種模式，在定速模式下駕駛員設定的巡航速度是期望車速；前方目標車輛速度是跟隨模式下期望車速。速度控制算法依據以下原理實現：輸入和輸出分別為實際車速和期望車速之差、電氣期望驅動轉矩，將期望驅動轉矩輸入開關磁阻電機直接轉矩控制模塊，這樣就能夠實現最大限度降低汽車速度與期望車速的差距[4]。

1、運用PID控制原理。比例、積分、微分調節期望值與反饋值的差值后，利用得到控制量控制被控制對象是PID控制的基本原理。

KP、Ti、TD分別為比例控制系數、積分時間常數、微分時間常數，這三個參數在PID校正環節的作用是：首先，KP比例控制系數：比例控制環節的校正控制量為期望值與實際反饋值的差值和比例控制系數相乘的結果。在實際反饋值與期望值不一致的條件下比例控制系數會使系統向著成正比減小誤差的方向發展，控制系數KP大小決定了誤差減小趨勢[5]。其次，Ti積分時間常數：消除過去一段時間系統產生的靜差進而提升系統的無差度和準確度是該常數的主要作用。積分控制環節作用隨著積分時間常數的增加而增加。再次,TD微分時間常數：利用微分時間常數TD乘以微分控制環節中期望值與實際反饋之差求的階導數，并用該結果對誤差變化趨勢進行反應。在該常數增大的情況下，系統輸出地結構相應速度隨之提升[6]。

2、速度控制測算法設計。PID只有經過離散化處理才能通過計算機實現控制。經過離散化處理后產生數字式PID，其中增量式PID和位置式PID是根據輸出控制量劃分。離散化處理PID可以通過以下公式表示

式中，T、K、e分別為采樣周期、采樣序號、第j次采樣時期望值與實際反饋值的差值。滿足在定速模式、跟隨模式下速度控制需要和模式切換控制平穩性需求是速度控制算法的兩項基本要求。PID控制的實現應當增加積分環節[7]。

四、記錄控制測算法

定速巡航系統是傳統的自適應巡航系統的基礎，但存在一定的缺陷，使得其適用范圍僅限于市郊或高速中高于40km/h的工況。隨著人們對汽車性能要求的提升，具有走—停功能的自適應控制系統被開發出來，這不僅使上述系統的存在問題得到解決具備了低速跟隨能力，還能夠在交通擁擠的城市工況中運行，使得系統適用范圍大幅度增加。速度控制和距離控制是自適應巡航控制系統實現安全功能的條件。實踐中主要有兩種算法一種是模糊控制原理算法和距離控制原理算法[8]。其中模糊控制是指，在選擇合理的隸屬函數、定義域模糊輸入數字量的基礎上，讓計算機識別經過轉化的語言進行模糊處理，通過將結果去模糊化獲得精準的數字量，運用該方法的適用性和通用性較強[9]。

結語

本文對純電動汽車的自適應巡航控制系統進行了研究分析，為提升智能化核心關鍵技術，以提高新能源汽車的性能水平，與國際先進水平接軌具有重要意義和研究價值。純電動汽車中關于自適應巡航系統的研究目前還比較少，借此文呼吁行業人士加強重視，采取進一步有效措施不斷提升我國純電動汽車自適應巡航控制系統的性能。

[1]羅禹貢,陳濤,周磊,等.奔騰智能混合動力電動轎車自適應巡航控制系統[J].機械工程學報,2010,(08):2-7.

[2]陳虹,宮洵,胡云峰,等.汽車控制的研究現狀與展望[J].自動化學報,2013,(09):322-346.

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[4]徐洪智,李仁發,曾理寧.基于Ptolemy的自適應巡航系統建模與仿真[J].計算機工程,2015,(08):28-32.

[5]張振海,朱石堅,樓京俊.汽車巡航自適應PI控制系統設計[J].系統仿真學報,2012,(07):1504-1507.

[6]張強,曲仕茹.車輛自適應巡航控制系統的模糊PID實現[J].汽車工程,2012,(09):569-572.

[7]王景武,金立生.車輛自適應巡航控制系統控制技術的發展[J].汽車技術,2004,(07):1-4.

[8]劉中海,何克忠.模糊PID控制器在自適應巡航控制系統中的應用[J].計算機工程與設計,2015,(01):707-710+731.

[9]王遠,王軍.豐田凱美瑞轎車自適應巡航控制系統解析[J].汽車維修,2011,(11):45-47.

鐘文京（1966-），女，漢族，江西瑞金人，在職研究生學歷，高級工程師，主要研究方向：科技信息、新能源汽車技術、電子信息工程等研究。