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2007-02-09 21:16:54
1. 模糊控制
模糊控制是一种模仿人脑的模糊概念的控制策略，运用模糊数学把人工控制策略用计算机实现。它是近几年发展起来的一种新型的汽车巡航控制技术。
司机对汽车的控制，从本质上来说是一个模糊控制的过程。驾驶员驾驶汽车时，根据目标车速与实际车速之间的偏差及路面情况，利用自己的经验，决定加速踏板的变动量，从而使汽车趋近于目标车速。模仿这一过程，利用模糊控制原理设计出可用于汽车巡航控制的模糊控制器。就可以对车辆进行模糊控制。
图7 模糊控制系统原理图
模糊控制不依赖系统的精确数学模型，因而对系统的参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性。其不足之处是模糊控制规则的获取和模糊隶属函数形状的确定是一项费力的工作，而目标系统一旦确定，其规则和隶属函数就确定了而且不能随外界和车辆参数变化进行调整。
2. 自适应控制
由于汽车巡航控制系统是一个本质非线性系统，并且汽车在行驶过程中受到路面坡度、空气阻力等外界干扰，因而基于时不变系统得到的控制方法就难以在各种工况下取得良好的效果，解决的办法是加入自适应环节，控制方法能随各种因素的变化而实时的加以调整，以适应复杂多变的行驶工况。
图8 自适应控制系统原理图
自适应控制是针对具有一定不确定性的系统而设计的。自适应控制方法可以自动监测系统的参数变化，从而时刻保持系统的性能指标为最优。目前用于汽车巡航控制的自适应控制主要为模型参考自适应控制。
自适应控制非常适合像汽车这样的一类非线性系统的控制。在控制过程中，系统能够自动调整控制参数，使得控制结果良好。
3. 模糊自适应PID控制器
其设计思想就是将模糊自适应原理与常规PID控制器相结合,吸收了模糊自适应控制与常规PID控制两者的优点。首先,它具备自适应能力,能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数,能够适应被控过程参数的变化;其次,它又具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高的优点。
模糊自适应PID控制器以误差e和误差变化ec作为输入,可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改,便构成了模糊自适应PID控制器。其控制器结构如图7所示:
图9 模糊PID控制原理
PID参数自适应是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系,在运行中通过不断检测e和ec,根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改,以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求,从而使被控对象有良好的动、静态性能。
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑,KP,KI,KD的作用如下:
a.比例系数KP的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。KP越大,系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但易产生超调,甚至会导致系统不稳定。KP取值过小,则会降低调节精度,使响应速度缓慢,从而延长调节时间,使系统静态、动态特性变坏。
b.积分作用系数KI的作用是消除系统的静态误差。KI大,系统的静态误差消除越快,但KI过大,在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调。若KI小,将使系统静态误差难以消除,影响系统的调节精度。
c.微分作用系数KD的作用是改善系统的动态特性,其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化,对偏差变化进行提前预报。但KD过大,会使响应过程提前制动,从而延长调节时间,而且会降低系统的抗干扰性能。
PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。模糊自适应PID是在PID算法的基础上,通过计算当前系统误差e和误差变化率ec,利用模糊规则进行模糊推理,查询模糊矩阵表进行参数调整。KP,KI,KD的模糊规则表建立后,可根据如下方法进行KP KI,KD的自适应校正。
将系统误差e和误差变化率ec变化范围定义为模糊集上的论域。
e,ec={-5,-4,-3,-2,-1,0，1,2,3,4,5}
其模糊子集为e,ec={NB, NM,NS,ZO,PS,PM,PB},子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。设和KP,KI,KD均服从正态分布,因此可得出个模糊子集的隶属度,根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型,应用糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表,查出修正参数,带下式计算:
公式（2）
在线运行过程中,控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算,完成对PID参数的在线自校正。工作流程图如图10所示。
图10 模糊PID控制流程图
4. 迭代学习控制
因为汽车巡航行驶中存在着严重的非线性和不确定性，特别是巡航控制参数在不同车速下其值是不确定的，并且运动载体对控制的实时性要求较高，所以有人将迭代学习算法应用到了汽车巡航控制系统中。
图11 迭代式学习原理图
迭代学习控制可以对参数是未知的但是变化的、或是不变的系统实施有效控制。相对于其它控制技术，迭代学习控制的适应性更广，实时性强。但其算法复杂，计算机编程困难。
一、 智能巡航系统简介
智能巡 航 系 统 (Intelligent Cruise Control System) 是 20 世纪 70 年代末提出的一种新型汽车智能驾驶系统, 该系统利用雷达探测主车与目标车辆间的相对速度、相对距离、相对方位角等信息, 并将其传递给主控 ECU。ECU 由此判断主车行驶状况以及与目标车辆间的相对运动关系和位置关系, 调节主车的行驶速度, 从而使得两车保持安全距离; 并在前方交通状况良好时自动以设定车速巡航。该系统能降低 62%的追尾碰撞事故, 无事故发生时能大大降低驾驶员劳动强度, 也被称为自适应巡航控制系统 (ACC)。
图1 汽车巡航系统典型工况示意图
汽车巡航系统的典型工况如图 1 所示, 当主车探测与前方车距大于安全距离, 保持定速巡航状态; 当探测到有目标车辆进入安全区域, 马上自动调节节气门或施加轻微制动减速, 保持与前车的安全车距; 随后转入对前车的跟随控制; 如果旁侧车道有车辆突然低速并行时,汽车巡航系统 将对主车施加紧急制动防止追尾碰撞发生。同时, 当前车进入安全区域后, 系统将发出报警声, 为驾驶员提供第一反应时间。
它是在汽车巡航系统的基础之上发展起来的一种新的系统。它最大的特点是提供了汽车主动安全性，可以减少追尾碰撞的发生。与汽车CCS相比，它的传感器更加丰富，尤其是前视雷达，它为汽车感知外界环境提供了途径。在执行器方面，CCS主要控制汽车的节气门的开度，而ACC在控制汽车节气门开度的同时，还要控制制动器以及发动机。这样在汽车发生紧急情况的时候，汽车可以主动降低车速或者熄火停车。在控制发面，控制器需要对从周围环境中采集的信息进行处理，以便协同它与周围环境的关系。它的控制算法更加复杂，编程也更加有难度。
图2 ICCS系统组成结构
汽车巡航系统如图 2 所示。汽车巡航系统由传感器综合信息系统、ICCS 中央控制器和车速控制执行机构组成。传感器综合信息系统包括雷达、轮速传感器、车速传感器、发动机转速传感器、自动变速器档位传感器、转向传感器和节气门及加速踏板传感器等, 雷达用以探测主车与目标车辆间的运动关系, 探测距离一般可达
汽车汽车巡航系统的主要功能包括:
（1）在交通状况良好的情况下根据发动机工况调节油门开度, 使车辆以最佳车速巡航并保持安全车距, 使汽车燃油供给同发动机功率间处于最佳配合状态, 提高车辆燃油经济性
（2）当在高速公路上长时间行车时,驾驶员只要把住方向盘就可以了,不用频繁地踩油门踏板,减轻了疲劳,提高了汽车行驶时的舒适性;
（3）在恶劣天气状况下, 扩展驾驶员感知能力, 辅助操控车辆, 保障行车安全;
（4）在换道和超车时根据前后车辆行驶情况保持车辆最佳车速与最佳车距;
