基于模糊PID的汽車巡航控制系統研究*

張寶玉

基于模糊PID的汽車巡航控制系統研究*

張寶玉

（江蘇食品藥品職業技術學院，江蘇 淮安 223001）

汽車巡航控制系統（以下簡稱“CCS”）可以降低汽車排氣污染，文章為提高汽車巡航的精度和穩定性，在研究模糊PID控制方法基礎上，結合Matlab/Simulink對汽車巡航模糊控制進行了建模，為后續仿真工作以及結構優化提供了可靠保障。

模糊巡航；車輛動力學系統；建模；響應速度

1 汽車巡航控制原理

汽車巡航系統是一個典型的閉環反饋控制系統，其原理如下圖1所示。

圖1 汽車巡航控制原理圖

由汽車巡航控制原理圖可知，當獲取目標車速和實際車速信號后，經運算可得速度偏差變化和偏差變化率，處理后，獲取節氣門開度信號，得到節氣門開度的控制信號，輸出指令給執行機構，從而控制節氣門電機實現節氣門開度大小的調節。最后，通過調節實現定速控制。

2 模糊PID控制原理

隨著汽車智能駕駛技術的發展，人們對汽車舒適性、安全性和快速性等多個彼此關聯且存在一定矛盾的性能指標提出了新的要求。汽車自適應巡航正在成為中高端汽車電子技術方面的標配。各大汽車廠家對汽車巡航系統的研究與應用也在不斷創新與實踐，一些關聯產品也逐漸開始被應用到汽車智能駕駛領域。

模糊控制是智能控制技術的另一拓展。其可以將控制系統中不精確、不確定的控制指令，通過模糊控制計算，變為可執行的指令。

控制采用“比例、積分、微分”控制，即根據車輛實際車速與設定車速存在的偏差，結合過去、現在和將來等數據信息狀況，實現系統固定參數的汽車巡航控制。實際車速和設定車速為輸入量，經過控制器的“比例、積分、微分”策略輸運算出驅動力[1-2]。

駕駛員通過將某個設定車速值輸入給控制器，當控制器接收到車速傳感器的實際車速信號時，可獲得兩者之間的偏差，最后控制器輸出相應的控制量，實現對氣門開度得實時控制。

在實際控制器的應用中，需要乘以適當的比例因子、、，以得到真正的參數、K、。圖2所示為汽車的模糊控制原理。

圖2 模糊PID控制原理

3 CCS建模

Matlab/Simulink中擁有大量系統模型，調用所需系統模塊，用連接線以一定邏輯關系進行關聯，便可利用Matlab/Simulink仿真功能對系統進行仿真分析。這種方框圖式的建模方法大大降低了編程和建模難度，提高了工作效率。

3.1 汽車動力仿真建模

依據牛頓第二運動定律，汽車的運動方程為：

式中：

F—驅動力，；

F—行駛阻力，；其公式為：

F—空氣阻力，；其公式為：

F—坡度阻力，；其公式為：

式中：

—汽車水平行駛距離，；

—汽車行駛速度，；

—汽車行駛時間，；

—汽車質量，，本文取=1250；

—計入旋轉質量慣性力偶矩后的汽車質量轉換系數，本文取=1.05；

根據公式并選擇適當參數，然后利用Matlab/Simulink建立汽車動力仿真模型如圖3所示。

圖3 汽車動力仿真模型

其中：

max brake—最大制動力，

max thrust—最大驅動力；

F—行駛阻力函數模塊，Expression-1500*9.8*0.014*（1+u/19440）；

F—空氣阻力函數模塊，Expression-0.01*（u[1]+20*sin（0.01*u[2]））2；

F—坡度阻力函數模塊，Expression-1500*9.8*0.01*sin（0.0001*u）。

3.2 PID控制器仿真建模

依據“比例，積分，微分”原理，利用Matlab/Simulink建立簡單控制器模型，通過控制過程中對控制參數進行在線實時調整，從而優化控制效果。

圖4所示為建立的控制器仿真模型。

圖4 PID控制器仿真模型

4 基于Matlab和模糊PID的巡航控制建模

表1 “比例、積分、微分”系數調校參數控制表

在的模糊控制中，速度誤差絕對值｜｜和速度誤差變化率絕對值｜｜作為輸入語言變量，而控制系數的在線調校參數、、作為輸出語言變量。表1所示為“比例、積分、微分”系數調校參數（、、）的控制表。

圖5為“比例、積分、微分”系數調校參數（、、）的控制曲面，根據曲面可知模糊控制本身是非線性的。

利用建立的模糊控制器對PID控制的3個參數進行在線修正，由前面的模糊PID控制器系統模型和汽車動力系統模型，得到汽車巡航系統控制模型[3-4]，如圖6所示。

5 結論

本文以轎車為對象，研究與分析了了巡航原理和模糊控制策略，并充分考慮汽車在行駛過程中的驅動力及受到的各種阻力和干擾力，找出了影響車速變化的干擾量。以此為基礎，建立汽車縱向動力學模型和模糊控制模型。通過采用模糊算法及巡航控制系統和控制參數的要求，初步設計出了模糊控制器。本文進行了自適應巡航控制多變量的建模工作，為后續在Matlab/Simulink進行車輛城市典型工況模擬仿真奠定了模型基礎，同時也將進一步提高車輛的跟蹤性、安全性和適應性。

[1] Mizumoto M.Min-max-gravity method ver sus product-sum-gravity method for fuzzy controls[C]//Proe,IV IFSA Congress(Part E). Brus -sels:IEEE,1991:127-130.

[2] Mizumoto M.Realization of PID controls by fuzzy control methods [C]//Proc IEEE International Conference on Fuzzy System. San Diego:IEEE, 1992:709-715.

[3] 聞新,周露,李東江,等.Matlab 模糊邏輯工具箱的分析與應用[M]. 北京:科學出版社,2001:79-169.

[4] Mizumoto M.Min-max-gravity method ver sus product-sum-gravity method for fuzzy controls[C]// Proe,IV IFSA Congress(Part E). Bru -ssels: IEEE, 1991:127-130.

Research on Automobile Cruise Control System Based on Fuzzy PID*

Zhang Baoyu

（Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College, Jiangsu Huai’an 223001）

Automobile cruise control system (Shorthand "CCS") can reduce automobile exhaust pollution. In this paper, in order to improve the accuracy and stability of automobile cruise, based on the study of fuzzy PID control method, com -bined with Matlab/Simulink to model the automobile cruise fuzzy control, Providing a reliable guarantee for subsequent simulation work and structural optimization.

Fuzzy cruise; Vehicle dynamics system; Modeling; Response speed

A

1671-7988(2020)24-19-03

張寶玉（1987.07-），男，滿族，工學碩士，講師，就職于江蘇食品藥品職業技術學院，研究方向：車輛工程。

U495

A

1671-7988(2020)24-19-03

城市典型工況的汽車模糊巡航控制研究與分析（校科技基金項目），項目編號：JSFP2019004。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.007

CLC NO.: U495