基于simulink汽车速度控制系统的设计与仿真.docx

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1、基于Simulink汽车速度控制系统的设计与仿真摘要：目前许多汽车把汽车速度控制系统作为配属设备或选配设备。汽车装有汽车速度控制系统后，当驾驶员启动这一装置并进行一些简单的设置后，该装置可自动保持某一恒定速度行驶，而不踩油门。由于电子系统能准确地控制车辆的速度，从而使高速行驶的车辆更加安全、平稳。在文中，首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统简化模型，根据研究对象的物理特性建立起汽车速度控制控制系统的微分方程，再将该微分方程进行线性化处理，运用PID控制理论的方法对汽车速度控制控制系统进行分析和控制。然后对汽车速度控制系统进行设计分析，在已有的模型下，对设计的汽车速度控制系统进行Matla

2、b语言仿真。关键词：速度控制系统PlD控制仿真指导老师签名：DesignandSimulationofthevehiclespeedcontrolsystemStudentnameClass:Supervisor:Abstract:Atpresent,manycarsmakecarspeedcontrolsystemasanattachmentdeviceoroptionalequipment.Thecarisfittedwiththemotorspeedcontrolsystem,whenthedriverstartthedeviceandmakesomesimplesettings,the

3、devicecanautomaticallymaintainaconstantspeed,anddonotstepontheaccelerator.Becausetheelectronicsystemcanaccuratelycontrolthespeedofthevehicle,sothatthehigh-speedvehiclesmoresecure,stable.Inthispaper,thefirstprincipleofthemovementofautomobileisanalyzed,establishingcontrolsystemissimplifiedmodel,basedo

4、nphysicalcharacteristicsoftheresearchobjecttoestablishthevehiclespeedcontroldifferentialequationofthecontrolsystem,thenthedifferentialequationislinearizedbyusingthemethodofcontroltheory,analyzeandcontrolthemotorspeedcontrolsystem.Thenthedesignofthevehiclespeedcontrolsystem,theexistingmodel,todesignv

5、ehiclespeedcontrolsystemsimulationlanguageMatlab.Keyword：SpeedcontrolsystemPIDcontrolsimulationSignatureofSupervisor:目录1绪论11.1 选题的依据及课题意义11.2 汽车速度控制研究概况及发展趋势12速度控制系统的简述32.1 汽车速度控制系统原理32.2 速度控制系统的分类32.3 速度控制系统的基本用途42.4 电子式多功能速度控制系统功能43系统模型建立及性能分析63.1 汽车受力分析63.2 行驶汽车仿真模型73.3 动态性能和稳态性能指标84PID控制器104.1 P

6、ID控制简述104.2 PID控制规律104.3 PID作用分析145系统仿真及结果分析155.1 SlMULlNK简介155.2 实验方案选择155.2.1 采用P控制155.2.2 采用Pl控制205.2.3 采用PID控制225.3 实验结果分析25总结26参考文献27致谢281绪论1.1 选题的依据及课题意义随着汽车工业和公路运输业的发展，汽车将走进千家万户，驾驶人员非职业化的特点将突出，车辆驾驶的自动化己成为汽车发展的主要趋势。跨入二十一世纪后，人们需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快捷的生活节奏,因此对汽车的智能化要求更加迫切，随着计算机和电子技术的不断发展，性能价格比不断

7、提高，为汽车的优化提供了雄厚的物质基础，汽车实现智能化已不是梦想。驾驶汽车长途行驶的机会较多，而且在高速公路上行驶时变换车速的频率及范围都较少，能以较稳定的车速行驶。但若长途驾驶而右脚不得不踩油门踏板时，久而久之驾驶员就会感到疲劳，容易发生交通事故。车辆自动变速器及其控制技术是智能汽车非常重要的内容，是汽车辅助驾驶系统和自动驾驶系统的基础，是目前我国智能汽车发展亟须解决的核心技术之一。此外。汽车速度控制系统，又称为汽车巡航控制系统CCS(CrUiSeCOntrOlSyStem)是汽，随着我国高速公路网建设纵横迅速延伸，自动速度控制也具备了广泛的发展和应用前景车电子技术新装置之一，它实际上就是一

8、种辅助驾驶系统。汽车定速速度控制装置的使用减轻了驾驶员操纵强度,减少了不必要的车速变化,提高了驾驶的舒适性和安全性。汽车速度控制系统研究分为两大部分，第一部分是系统硬件和运行控制基础软件的开发，另一部分是速度控制算法的研究。本文主要研究第二部分。1.2 汽车速度控制研究概况及发展趋势目前我国的自动速度控制装置仍处于研制阶段，具有自主知识产权的产品还未见报道。由于国内汽车研究起步较晚，技术相对落后，并且就目前我国公路状况和实际应用来说，对汽车速度控制系统的研究应用主要是以单车定速控制为主。目前，模拟汽车憾速控制器在我国已经投入生产和使用。例如：由江苏省仪征市速度设备厂生产的XDT型汽车定速系统。

9、近几年，国内有许多科研机构和高校也开始了对电子式速度控制装置的研究。例如，北京理工大学应用PlD方法对汽车速度控制进行的研究、由清华大学王俊敏等研制的基于变参数的比例一积分（PD控制算法汽车数字式速度控制系统、哈尔滨工照大学建立了基于一汽捷达轿车的汽车纵自动力学模型等等。但从总体来说，目前国内对汽车速度系统的研究还不是很成熟。总体来说，汽车速度控制系统有以下几个发展趋势：（1）新控制理论的应用车辆的行驶状况受到成员的多少、发动机输出的变化因素等影响。驾驶者需要更平顺的驾驶感觉和更自然的速度控制，以传统的控制理论为基础，又引入了新的控制理论。目前，模糊控制等新理论已不断得到应用。（2）走停控制：

10、现在对CCS的研制和开发主要是针对在高速公路上高速行驶的车辆，而不适用于城市中低速、高车流密度情况下使用，走停控制正是CCS针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展，这要求CCS具有更好的近距离探测能力，更快的信号处理功能，更迅速的系统响应，同时还向CCS提出了增加车辆的自动起步功能。这样即使在堵车情况下也无须驾驶员参与，只需操纵车辆的转向即可。驾驶员可以完全从烦琐的驾驶操作中解放出来。（3）随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来的CCS将同其他的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，驾驶这种汽车只需在显示器中指明所要到达的目的地，汽车就会在卫星导航系统的指

11、引下，借助公路两旁的电子标志牌无需人为参与就可安全驶达目的地，实现完全的自动驾驶功能。（4）集成化随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来的汽车速度控制系统将同其它的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，例如它可同加速防滑系统以及发动机控制器等各种电控系统集成起来。还可以通过采用CAN总线技术，实现信号资源的共享，提高系统的灵活性。集成化有助于降低成本，增强各系统间的内在联系，充分利用各种车辆信息，从而提高系统的稳定性和可靠性。目前，我国的道路和通讯网络等基础设施还落后于发达国家，智能速度控制系统等还不适合我国目前交通的发展情况。随着我国高速公路建设规模的逐渐扩

12、大，汽车产量的急剧上升和排放法规的建立，国内汽车市场追切需要适合我国基本国情的汽车自动速度控制系统。2速度控制系统的简述2.1汽车速度控制系统原理现在许多轿车都有速度控制系统。速度控制系统(SPeedControlSyStem)又称为巡航控制系统(CrusleControlSystem),缩写为CCS。本文所设计自动巡航系统主要由决策模块，ACC控制模块和发动机模块三个大部分构成，巡航系统中三大模块的工作原理图如图2.1所示：图2.1巡航系统的工作原理图(1)决策模块：带有决策控制功能，能够针对自动巡航系统的定速功能和跟车衡速行驶功能进行判断及自动切换，对进入和退出该系统进行自动判断。(2)A

13、CC控制模块：带有PID控制器，通过反馈量对所输入的车速进行微调,使其保持相对稳定的输出。该模块的输入量为车速，通过模块转换，使其输出量变成控制节气门开度和制动踏板的信号量。(3)发动机模块：进行发动机部分的仿真，通过ACC模块的输出量进行工作,输出速度、加速度、转矩等一系列数据，转化成波形直观的对巡航系统进行系统分析。2.2 速度控制系统的分类随着汽车技术的不断发展，目前速度控制主要非为三大类：1 .机械拉线式速度控制器(适用于油门控制方式采用机械拉线式控制的车辆)。2 .电子式速度控制器(适用于油门控制方式采用电子式控制的车辆)。3 .电子式多功能速度控制系统(适用于油门控制方式采用电子式

14、控制的车辆)。2.3 速度控制系统的基本用途1 .车速设定：车速在30180kmh范围内，当按下车速调置开关后，就能存储该时间的行驶速度，并能保持这速度行驶。2 .消除功能：当踩下制动踏板、离合器踏板或手动暂停后，巡航功能立即解除，但巡航速度值会暂存在控制模块中。3 .恢复功能：当按恢复开关，刚能恢复原来的车速。4 .手动调速功能：巡航状态下，可通过巡航按键或手柄调整车速。2.4 电子式多功能速度控制系统功能由于汽车技术的发展，越来越多的拉线式节气门控制方式快速的被电子式节气门控制方式多代替。拉线式定速巡航器主要由控制开关、控制组件（巡航电脑）伺服器（机械执行机构）组成。定速巡航系统的工作原理

15、，简单地说就是由巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，从而发出指令由伺服器机械的来调整节气门开度的增大或减小，以使车辆始终保持所设定的速度。电子式多功能定速巡航系统摒除了拉线式定速巡航器的机械控制部分，完全采用精准电子控制，使控制更精确，避免了机械故障的风险。目前市场上电子式多功能定速巡航器主要有以下几个功能：定速巡航功能、电子节油功能、油门加速功能、限速设定功能、刹车故障报警功能。定速巡航功能，主要是通过巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，通过精准的电子计算发出指令，保证车辆在设定速度下的最精准供油量。电子节油功能，主要是通过智能优化控制节气

16、门的开启角度与开启时间，有效屏蔽电子油门传感器由于颠簸路段及不良驾驶习惯形成的杂乱信号，经过精确计算喷油量，使燃油得到最充分燃烧，来实现节油。油门加速功能，主要是通过提高节气门响应灵敏度实现的，当系统发现司机有加速意愿时，会驱动节气门尽可能快的打开，这样就使油门响应的敏感度得到了提高。在油门踏板被踩下时，控制器会根据踩下幅度、时间计算油门信号的变化率，变化越快，说明加速要求越强烈，最终实现油门响应速度更快，整车的动力感会明显增加，能够让司机感觉到整车动力大大提升。限速设定功能，通过控制器，根据限定的速度值，设定输出油门信号最大值,当油门输出信号超不过设定的最大值，来实现限制速度的目的。刹车故障

17、报警功能，通过采取刹车电路的信号，当刹车电路或刹车保险故障时，会通过告警的方式对司机进行提示。低速自动消除功能。当车速小于40kmh时，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。制动踏板消除功能。在制动踏板上装有两种开关，一个用于对ECU的信号消除；另一个是直接使执行元件工作停止。3系统模型建立及性能分析3.1汽车受力分析汽车种类很多，不同汽车自身速度传递系统的数学模型不尽相同，但总的来说是相似的。图3.1为坡路上行驶汽车的受力图。图中，Fe是引擎动力；是坡路与水平面的夹角；Fh为重力分量；Fr是空气阻力；m为汽车的质量；X为汽车的位移。图3.1坡路上行驶汽车的受力图根据牛顿第二定律，汽车的运动方程

18、为：mx=Fe-Fr-Fh(3-1)式中，各物理意义如下：1、m为汽车质量，本文中取为IOO个质量单位。2、Fe是引擎动力。最大驱动力为Ioo0,最大制动力为-2000,即-2000=Fei；，-IWlQ|0102030405060708090100Timeoffset:0图5.11Ti=05车速仿真图由图5.10及5.11可知在Ti=0.5时，稳态误差仅为0.27,调节时间在IOms左右，最大偏离量约为1左右，超调量约为2%,增大Ti,取Ti=L仿真结果如图5.12所示。70IIIIIiII60-=二=：二彳.二二j：.二产XEE一I50一;；1-II：:：:：:：:40一?；*!:：；-I

19、I.:：；:：30I；：；:-1I:：J:J：20-ll：；:：；-IIi-,.,.10，J!:j-I/QIIIIIIiII0102030405060708090100Timeoffset:0图512Ti=1.0车速仿真图由图5.12可知Ti=IO时，稳态误差为0.16。调节时间大于IOms,超调量约为4%左右。继续增大Ti,再取Ti=4,结果如图5.13所示。70LYJIIII!jjI60-jTP7rrr;F：5ji1J:/:;:;50J；:J:i:：40-Ij：:iIJ:;-Hi；：:：；J:30-I:：:；HI20-i：；：C；?-IIl-103:：i；i-Ii：:Q|IIIIIII01

20、02030405060708090100Timeoffset:0图5.13Ti=5车速仿真图由图5.13可知Ti=4时调节时间超过20ms,稳态误差仅为0.04但超调量为16.7%左右，超调过大。经过反复仿真验证得知Ti取值在0.1到2.0为合适。5.2.3采用PID控制在上文PI控制仿真模型的基础上加上微分环节就可得到图4.13所示的PID汽车完整模型。由上文讨论结果可知比例系数KP取60,积分系数Ti取0.5较为合适，然后微分系数取Td=I0,仿真结果如图4.14和图4.15所示。pwoCccstantiQop*y图5.15PlD控制仿真结果图516Td=10车速仿真图由图5.16可知调节

21、时间为IomS左右，稳态误差为0.29,超调量为2%左右。增大Td,再取Td=50,仿真结果如图5.17所示。图5.17Td=50车速仿真图由图5.17可知Td=5O时，稳态误差为0.31,超调量也变化不大约为2%。但调节时间超过了IOms。继续增大Td,取Td=150,仿真结果如图5.18所示。图5.18Td=150车速仿真图由图5.18可知Td=150时系统不稳定。经过反复仿真验证Td取值在10到100之间较为合适，在这里可取Td=30。综上所述，三种控制方法在系数Kp、TiTd设置合适的情况下调节时间、稳态误差、超调量等指标都可以达到本次设计的耍求。由于最基本、最简便的控制方法比例控制已

22、经能够达到设计要求，所以本次设计最终采用比例控制，比例系数取Kp=60,最终仿真结果如图5.19和图5.20所示。图5.19最终仿真结果本文基于目前国内外对汽车速度系统的研究现状,设计了带有PID控制算法的汽车速度控制系统，并通过仿真具体分析了良好的控制效果，主要进行了一下几个方面的工作：(1)在查阅并研究汽车速度控制的历史及前人研究成果的基础上，通过数学分析计算得出了行驶汽车的模型参数。(2)设计了控制器部分，对目前广泛应用于速度控制的PID控制理论以及比例控制理论进行了详细的分析，并就PID参数的选取、整定等一系列问题进行了分析讨论，通过实际的控制曲线，最终确定了控制器部分，且结构简单，使得在不同车速下的控制效果较优。(3利用SIMULlNK对整个系统建立了仿真模型，对汽车速度控制系统PID控制进行了仿真研究，做出了设定车速下的实际车速曲线，并得到良好的控制效果。在实际应用中，有着很好的实用性。由于条件和时间的限制，本文还存在着一些不完善之处有待于继续研究。例如，速度控制系统的控制作用在汽车所受外力干扰或偏差信号产生较大波动时，对控制将会有很大影响，仿真结果也将会不理想。实际上，如果在控制模块中加入现在巡航系统中较热门的自适应控制，将会融合PID控制与自适应控制的优点，提高控制度，简化控制算法，进一步提高系统的稳定性，这样将会有更好的控制结果。1