基于PID控制的汽車定速巡航系統設計與試驗

方亮，汪志賢，黃偉，陳瑤

?

基于PID控制的汽車定速巡航系統設計與試驗

方亮1，汪志賢2，黃偉1，陳瑤1

（1.江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安慶安簧汽車零部件有限公司，安徽 安慶 246131）

基于某搭載定速巡航系統的在研車輛，對巡航控制系統的結構及功能進行了梳理，通過對PID控制器的原理分析，建立了巡航系統的控制器算法，確定了控制器的關鍵參數。經過實車道路標定與試驗，結果表明，該系統具有較好的精度，響應速度快，系統工作穩定，能夠滿足汽車巡航系統實際使用要求。

汽車；巡航控制系統；PID控制；標定

概述

巡航控制系統的核心在于控制算法，目前國內外已經進行了大量的研究，如滑模控制方法，模糊控制算法，粒子群等控制算法[2-4]。但由于PID控制算法所具有的結構簡單、穩定性好、可靠性高以及操作方便等優點，可成熟的運用于實車當中。本文主要介紹了一種PID控制算法在某車型中的實際運用。

1 巡航控制系統結構

巡航控制系統如下圖1所示，由巡航控制系統與駕駛員的人機交互界面、巡航模式控制子系統和巡航車速控制子系統統組成。

人機交互界面包括巡航開關輸入、巡航狀態的儀表顯示、巡航取消信號（剎車，離合等），主要負責駕駛員與巡航控制系統之間的人機信息交互輸入與顯示。

巡航功能控制子系統接受巡航人機交互界面子系統駕駛員各種操作，決定當前采用哪種巡航控制模式。

巡航速度控制子系統通過當前發動機的狀態，巡航系統請求狀態等計算當前需要發動機發出的扭矩，通過扭矩控制模塊計算電子節氣門的開度進而控制車輛速度。

圖1 巡航控制系統結構

2 巡航控制系統功能

巡航控制系統需要按照駕駛員的意圖自動控制車輛的速度，駕駛員只要通過對巡航開關的操作就能夠實現下列功能。

定速巡航：將巡航主開關（ON/OFF）撥到ON位置后，即可以在設定的速度上短按（Set/-）鍵進入巡航狀態，即實現不睬油門車輛巡航行駛。

為生活忙碌著，沒有人會因為畏懼嚴寒而停下腳步。用心走好腳下的路，即便是在風寒冰冷處，也依然能找到屬于自己的風景。

加速巡航：在定速巡航下短按（Resume/+）鍵，可以增加時速1km；在定速巡航狀態下，持續按住（Resume/+）鍵，車速會自動緩慢提升，直至適合的速度再松開按鍵。

減速巡航：在定速巡航下短按（Set/-）鍵，可以降低時速1km；在定速巡航狀態下，持續按住（Set/-）鍵，車速會自動緩慢下降，直至適合的速度再松開按鍵。

巡航解除：在巡航狀態下，輕輕踩制動踏板，便可解除定速巡航；在巡航狀態下，按下CANCEL鍵，便可以解除定速巡航；

巡航恢復：在解除巡航后，只要短按（Resume）鍵，不用踩油門，車速即可以自動恢復到定速解除之前的巡航速度。在定速巡航狀態下，直接踩油門加速，當松開油門后，車速將緩緩恢復到先前設定的巡航車速。

3 PID控制器設計[5]

在汽車巡航控制系統中，PID控制器與被控對象共同組成系統的閉環。PID控制器設計的好壞直接影響到控制效果。

3.1 PID控制基本原理

在PID控制中，該控制器根據駕駛人設定的速度(巡航速度)與汽車實際行駛速度的差值，控制器的比例控制根據這個偏差的大小輸出相應的控制量來控制發動機節氣門開度，減少偏差，從而使得行駛車速趨近設定車速值。控制器的積分控制把車速偏差累計起來，通過加大控制量來減小車速偏差，使行駛車速能夠保持在恒定穩定的工作狀態。控制器的微分控制體現了車速偏差的變化趨勢，能夠在車速偏差變化劇烈之前，通過一個早期的修正信號進行修正，以減小系統的超調和震蕩，使得系統的響應速度提高，調整時間減小，保證系統的控制性能[6]。

PID控制器的原理圖如圖2所示：

圖2 PID控制器原理圖

3.2 PID控制算法設計

設系統給定值為r(t)，實際輸出值為c(t)。則誤差e(t)=r(t) -c(t)，通過PID系統調節后的輸出值u(t)為：

寫成傳遞函數為：

其中：Kp——比例系數，Ki——積分時間常數，Kd——微分時間常數

離散化處理：一系列的采樣時刻點kT代表連續時間t，以加和代替積分，以增量代替微分，變換得：

將(3)帶到(1)中，得到離散的PID表達式為：

被控對象所用到的是控制量的增量，則要導出提供增量的PID控制算式，推導得：

推出增量()：

比例系數Kp，積分時間常數Ki，微分時間常數Kd，一旦確定這三個系數就可以得到控制增量。

4 巡航控制系統在某車型上的驗證

將本文設計的控制器模型導入某車型的發動機控制單元中，通過反復標定與試驗，確定最終了控制器的關鍵控制參數。

4.1 某車型整車參數

某6檔手動車型整車基本參數如下：

表1 某車型整車參數

4.2 轉轂巡航驗證

根據整車整備質量，通過查表法對轉轂進行加載，考察車輛在平直路面以及具有一定坡度路面（3%坡度）的巡航控制精度，主要分為加速巡航能力，減速巡航能力，以及在不同車速下的定速巡航能力。試驗驗證結果如圖3～7所示。

圖3 平直道路，加速巡航

圖4 平直道路，減速巡航

圖5 平直道路，巡航車速60km/h

圖6 平直道路，巡航車速80km/h

圖7 3%坡道加速巡航以及100km/h定速巡航

通過實車驗證可以看出，車輛在平直以及具有一定坡度路面（3%坡度）的路面上，加速巡航以及減速巡航，實際車速能夠緊隨目標車速上升或下降；在不同的定速巡航車速下，實際車速與目標車速差值可控制在±2km/h以內，巡航控制精度較高，能夠較好的滿足車輛的巡航控制要求。

5 總結

本文探究了增量式PID控制算法引入實車運用的可行性。根據PID控制的基本原理，對PID控制算法進行設計，經離散化處理最終得到PID控制量的增量算法，并建立模型，運用于某車型當中。通過在平直路面以及坡道路面測試某車型的加速巡航、減速巡航，以及在不同車速下的定速巡航的控制精度，結果表明：增量式PID控制算法操作簡便，控制精度較高，穩定性好，能夠滿足車輛的使用要求。

[1] 劉欣,孫永強等.汽車用定速巡航系統[J].重型汽車.2004(04).

[2] 朱麗麗,趙秀春.汽車自動巡航系統的PID控制[J].科技信息. 2009(34).

[3] 高振海,吳濤等.基于粒子群算法的汽車自適應巡航控制器設計[J].農業機械學報.2013(12).

[4] 仇成群,劉成林,沈法華等.基于Matlab和模糊PID的汽車巡航控制系統設計[J].農業工程學報.2012（6）.

[5] 韓科立,朱忠祥,毛恩榮,等.基于自動機械式變速的拖拉機定速巡航系統[J].農業工程學報.2012（4）.

Design and test of automobile cruise control system based on PID control

Fang Liang1, Wang Zhixian2, Huang Wei1, Chen Yao1

（1.Jiang-Huai Automobile Group CO., LTD., Anhui Hefei 230601;2.An Qing Spring Automobile Part CO. LTD., Anhui Anqing 246131）

Based on the automobile with cruise control system, the paper analyzes the structure and functions of cruise control system, through the analysis of the principle of PID controller, a controller algorithm for cruise control system are established, and the key parameters of the controller are confirmed later. After calibration and real road test on vehicle, the results show that the system has better control accuracy and fast response speed, works stably and can satisfy the actual use needs of automobile cruise control system.

Automobile; Cruise Control System; PID Control; Calibration

U462

B

1671-7988(2018)21-136-03

U462

B

1671-7988(2018)21-136-03

方亮，就職于江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.047