基于LabVIEW和PIDNN的汽车巡航控制系统设计

钱菲， 仇成群

（盐城师范学院物理科学与电子技术学院，江苏盐城224051）

QIAN Fei，QIU Chengqun

（College of Physics and Electron，Yancheng Teachers University，Yancheng224051，China）

0 引言

因国内汽车设计制造技术相对落后，对汽车巡航控制系统（Cruise Control System，缩写为CCS）的研究还不够成熟，巡航控制精度和稳定性都不高［1-3］。

1 PIDNN控制的巡航控制系统

1.1 PID控制在汽车巡航控制中的运用

当启动巡航系统时，车速传感器接受信息，通过数据采集，将信息传送给行车电脑电子控制单元（ECU）处理，调节发动机节气门开度，控制动力输出，经动轴传递给车轮，再经差速器将车速反馈回ECU［3-5］。PID控制是比例-积分-微分控制，该控制是据汽车设定行驶与实际行驶车速之间的偏差，考虑各种状况，进而实现系统的不变参数的巡航控制。被控对象的特性复杂时，常规PID很难实现有效控制［2-5］。

1.2 PIDNN控制系统的设计

PIDNN（Proportional Integral Derivative Neural Network），是一种多层前向神经元网络。结合巡航控制系统的原理以及PIDNN的特点，文中选用PIDNN控制的巡航系统使车速保持恒定，输入为巡航汽车的设定车速与实际车速的偏差值，巡航开始控制后，则启动制动控制模块，输出制动力矩，调节节气门开度。PIDNN控制巡航控制系统框图如图1所示。

图1 PIDNN巡航控制系统框图

2 PIDNN控制的巡航控制系统

2.1 LabVIEW简介

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）由美国NI公司开发设计出品，是一种图形化的编程语言［2］。

2.2 基于LabVIEW和PIDNN的巡航控制系统

依据比例-积分-微分控制的基本原理，经过综合比较，文中巡航控制算法选用PIDNN 的 反 传 算 法［5］。按照PIDNN控制算法，在LabVIEW中分别编写模块，PIDNN控制算法流程图如图2所示。设计的初始化模块是确定神经元网络控制系统的输入-输出变量个数，并构建PIDNN控制系统。输入层至隐含层积分单元的权重值应满足（r，y）→e的无畸变性，其中v为设定车速值，r表示实际车速值，y表示巡航车速值。前向算法模块是根据系统给定值r和被控对象输出值y，计算出网络隐含层和输出层各值。隐含层的输出函数分为比例、积分、微分函数。进而在LabVIEW中建立PIDNN控制的巡航控制系统。

图2 PIDNN控制算法流程图

3 算法仿真与系统试验

根据牛顿第二运动定律［3］，汽车的运动方程表达式为

式中：Fa为加速阻力，N；Fe为驱动力，N；Ff为滚动阻力，N；Fw为空气阻力，N；Fh为坡度阻力，N；m 为汽车质量，kg；a为加速度，m/s2；δ为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车质量转换系数。

Fw表达式为

Ff表达式为

Fh表达式为

式中：x为汽车水平位移，m；v为汽车行驶速度，km/h；t为汽车行驶时间，h。取汽车质量m=1500 kg，取δ=1.1。由以上公式和文献［3］计算得出汽车的动力系统方程，在LabVIEW环境下，建立动力系统模型，建立PIDNN控制系统模型，而后再将动力系统模型和PIDNN控制系统模型通过运算后得到巡航控制系统模型。首先建立PID巡航控制仿真系统，设定汽车巡航车速为60 km/h，通过在线调整PID参数 Kc=5.00，Ti=0.008，Td=0.001，输入巡航设定车速为60 km/h，巡航车速为60 km/h时PID巡航系统仿真图如图3所示。当PID控制车速在接近110 s时，出现超调量并在130 s出现最大超调量，并于350 s时车速趋于稳定，PID输出为11.78，达到巡航车速为59.8588 km/h，超调量为0.1412 km/h。

图3 巡航车速为60 km/h时PID巡航系统仿真图

然后建立PIDNN巡航控制仿真系统，进行基于PIDNN控制的巡航控制仿真测试，得到巡航车速为60 km/h时PIDNN控制系统仿真图，仿真结果得出基于PID控制的巡航控制系统的巡航速度稳定时间和误差多于基于PIDNN控制系统值。再在PIDNN巡航控制仿真系统中设定汽车巡航车速为80、100、120km/h时，都可以得出：当采用基于LabVIEW和PIDNN控制时，系统的巡航控制超调量减小，而响应速度则加快，巡航系统的控制稳定性良好。

4 结语

文中设计的巡航控制系统，能够改善控制系统的控制品质，巡航控制系统超调量小，系统的稳定时间快，具有较好的推广价值。

［1］ 陈汉玉，左承基，袁银男，等.轻度混合动力汽车运行模式控制［J］.农业工程学报，2011，27（10）：61-67.

［2］ Deppen T O，Alleyne A G，Stelson K A，et al.Optimal energy use in a light weight hydraulic hybrid passenger vehicle［J］.Journal of Dynamic Systems，Measurement and Control，2012，134（4）：41009-41011.

［3］ 余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［4］ 余成波，张连，胡晓清.自动控制原理［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［5］ Chen Hanyu，Zuo Chengji，Yuan Yinnan，et al.Operating mode control research of mild hybrid electric vehicle［J］.Transactions of the CSAE，2011，27（10）：61-67.