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基于simulink的车辆行驶控制系统建模与仿真

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2020年4月19日
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基于Simulink的车辆行驶控制系统建模与仿真
汽车行驶控制系统是应用非常广泛的控制系统之一，其主要的目的是对汽车的速度进行合理的控制。系统的工作原理如下：经过速度操纵机构的位置发生改变以设置汽车的速度，再测量汽车当前的速度，并求取它与指定速度的差值，最后由速度差值信号驱动汽车产生相应的牵引力，并由此牵引力改变汽车的速度直到其速度稳定在指定的速度为止。本文采用Simulink建模，对行驶控制系统进行仿真，并采用Simulink自带的signal constraint模块对PID参数进行优化，仿真结果表明，该系统能在短时间内平稳的达到指定的速度，提高了汽车的操纵性。
1.汽车行驶控制系统的物理模型与数学描述
1）速度操纵机构的位置变换器
位置变换器是汽车行驶控制系统的输入部分，其目的是将速度操纵机构的位置转换为相应的速度，二者之间的数学关系如下所示：

其中x速度操纵机构的位置，v为与之相应的速度。
2）离散行驶控制器
行驶控制器是整个汽车行驶控制系统的核心部分。简单来说，其功能是根据汽车当前的速度与指定速度的差值，产生相应的牵引力。行驶控制器为一典型的PID控制器，其数学描述为：
积分环节：
微分环节：
系统输出：
其中u（n）为系统的输入，相当于汽车当前速度与指定速度的差值。y(n)为系统输出，相当于汽车牵引力，x(n)为系统的状态。Kp，Ki，Kd为PID控制器的比例、积分与微分控制参数。
3）汽车动力机构
汽车动力机构是行驶控制系统的执行机构。其功能是在牵引力的作用下改变汽车的速度，使其达到指定的速度。牵引力与速度之间的关系为：

其中v为汽车的速度，F为汽车的牵引力，m=1000kg为汽车的质量，b=20为阻力因子。
2.系统Simulink模型与参数设置
行驶控制系统仿真模型如图1所示：

图1 行驶控制系统仿真模型
Set speed子系统模型如图2所示：

图2 Set speed子系统模型
Discrete cruise controller子系统模型如图3所示：

图3 Discrete cruise controller子系统模型
Car dynamics子系统模型如图4所示：

图4 Car dynamics子系统模型
我们预设Kp=1，Ki=0.01，Kd=0.
3.系统仿真与分析
当Kp=1，Ki=0.01，Kd=0时仿真结果如图5所示：

图5 预设参数的仿真速度曲线
这时我们运行signal constraint模块对PID参数进行优化，优化结果如图6所示:

图6 优化后仿真速度曲线
优化后的Kd=-5.64×10-4，Ki=0.0089，Kp=10.
我们把仿真数据输出到Workspace，程序和对比图如下：
>>plot(ScopeData(:,1),ScopeData(:,2),'LineWidth',1.5);
>>hold on;
>>plot(ScopeData1(:,1),ScopeData1(:,2),'r:','LineWidth',1.5);
>>hold off;
>>grid;

图6
经过对比能够发现优化后的参数能够更好的使汽车在较短的时间内平稳的达到指定的速度。
4.小结
这种使用Simulink的仿真方法，能够有效模拟汽车行驶控制系统的作用过程，比较真实地反映汽车速度控制系统的实际工作情况。经过对仿真结果的分析，表明汽车行驶控制系统在车辆速度控制方面的显著功能，也证明了这种仿真方法的合理性及实用性。而且仿真系统中的参数能够根据具体车型的改变而改变，非常简单、明了，便于对汽车行驶控制系统的设计以及系统参数的优化。