一种参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制方法与流程

本发明属于车辆巡航自动控制领域，参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制方法。

背景技术：

车辆自适应巡航控制能够通过车载传感系统及其他通信方式获得自车状态信息以及周围车辆信息,利用加速度控制算法调节车辆加速度，从而与前车保持稳定安全车间距。这不仅能够提高了车辆驾驶的安全性和舒适性，减轻驾驶员的负担，同时也能有效地降低了车辆行驶的能耗，提升道路交通流量密度。因此，对于车辆自适应巡航控制系统的研究一直是车辆自动控制和智能化领域的热点。现有的车辆自适应巡航系统控制方法的理论研究有模糊控制方法、滑模控制方法、模型预测控制方法，基于神经网络的车辆巡航控制方法等。在大多数控制方法中，设计控制器往往都需要先对系统进行动力学分析，建立起系统状态模型。而在实际系统中，系统结构的动力学分析通常存在着很多不确定的因素，因此，如需进行高准确性的系统建模，建立的系统状态模型也通常将会伴随着时变的不确定参数。影响车辆系统性能的不确定因素大致可分为两方面，一是系统本身特性具有的不确定性，如材料属性，器件设备的损耗老化等；二是外部环境具有的不确定性，如道路崎岖颠簸，雨雪天气等。这两方面的不确定性都会使得车辆的整车性能受到影响，相应建立的车辆系统状态模型中的相关参数也会发生变化。仅基于恒定参数的系统模型设计的控制器在实际应用中，可能会因系统状态模型与实际车辆系统状态存在较大差异而对整车行驶的稳定性产生较大影响。因此，随着近年来对汽车整车控制性能和稳定性要求的提高，探索在参数不确定车辆系统状态模型下的高稳定性的车辆自适应控制方法，成为车辆巡航自动控制领域的一个十分具有理论意义和实用价值的研究方向。

技术实现要素：

为了考虑实际存在的车辆发动机性能不稳定，即发动机时间常数参量具有不确定性的问题，本发明提供一种理解直观、设计简单、易于实现的参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)、建立车辆自适应巡航系统三阶状态空间数学模型，参见式(1)：

其中，下标1表示本车，下标0则表示前车；变量t表示时间；状态变量δ1(t)、δν1(t)和a1(t)分别表示在t时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度；a0(t)表示在t时刻前车的加速度；u1(t)表示在t时刻本车的命令加速度；参数h1和分别为时间间隔和发动机时间常数，为发动机时间常数的时变不确定增量；

取x1＝[δ1δν1(t)a1]^t，式(1)转化为矩阵形式，参见式(2)：

其中，

δa1(t)，δb1(t)为时变结构不确定性，具有以下形式：

[δa1(t)δb1(t)]＝df(t)[e1e2](3)

其中，f(t)为时变的未知实矩阵，满足

矩阵d以及e1、e2为具有适当维数的常数实矩阵；

2)、定义车辆自适应巡航系统在t时刻的鲁棒控制函数，参见式(4)：

其中，k1是控制函数的增益系数，对前车与本车的间距误差δ1(t)、相对速度δv1(t)和本车加速度a1(t)的控制增益分别为k1、k2、k3，并且设控制器对前车加速度a0(t)的控制增益为-k3，k1由线性矩阵不等式求得，需满足的线性矩阵不等式参见式(5)：

存在具有适当维数的实矩阵q＝q^t＞0，v以及正数ε，使得以下lmi成立：

其中，控制函数的增益系数

3)、通过车载传感器得到当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到当前时刻前车加速度，根据方程式(4)实时计算车辆自适应巡航系统安全车间距控制量u1(t)，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，通过车载传感器得到前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到前车加速度，如此周而复始，实现本车高稳定性和实时性的参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制。

本发明的技术构思是：针对车辆自适应巡航控制领域不断提高安全车间距稳定性控制要求，建立车辆自适应巡航系统三阶连续时间动力学模型，结合考虑车辆发动机时间常数参量不确定性，设计一个参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制器，进而实时计算车辆自适应巡航系统安全车间距控制量，实现车辆在发动机时间常数时变，即存在参数不确定性情况下的自适应巡航控制。

本发明主要执行部分在车辆自动驾驶控制计算机上运行实施。本方法实施过程可以分以下三个阶段：

1、参数设置：包括模型参数和控制器参数，在模型参数导入界面中，输入时间间隔h1、发动机时间常数常数实矩阵d以及e1、e2；在控制器参数设置中，输入可调参数ε，输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元ram中保存；

2、离线调试：点击组态界面中的“调试”按钮，巡航控制系统进入控制器离线调试阶段，调整组态界面中的可调参数ε，离线求解式(5)线性矩阵不等式，获取可行的自车控制函数的增益系数k1，观察车辆自适应巡航系统安全车间距控制效果，由此确定一个能良好实现车辆自适应巡航系统安全车间距控制的可调参数ε。

3、在线运行：启动主控制计算机的cpu读取模型参数和控制器参数，通过车载传感器得到当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到当前时刻前车加速度，根据方程式(4)实时计算车辆自适应巡航系统安全车间距控制量u1(t)，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新通过车载传感器得到前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到前车加速度，如此周而复始，实现本车高稳定性和实时性的参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制。

本发明的有益效果主要表现在：1、在控制器设计中，综合考虑了实际车辆行驶过程中发动机性能存在不稳定，发动机时间常数存在时变不确定性的问题，更加符合实际环境，有利于提高系统实际稳定性；2、该参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制器设计简单，便于理解，调整参数少，实时性高，实用性和适应性强。

附图说明

图1为参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制中本车与前车的车间距变化曲线。

图2为参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制中本车的输入控制量变化曲线。

图3为参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制中本车与前车的相对速度变化曲线。

图4为参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制中本车的加速度变化曲线。

图5为参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制中前车与本车的速度变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方法作进一步详细说明。

参照图1～图5，一种参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)、建立车辆自适应巡航系统三阶状态空间数学模型，参见式(1)：

其中，下标1表示本车，下标0则表示前车；变量t表示时间；状态变量δ1(t)、δν1(t)和a1(t)分别表示在t时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度；a0(t)表示在t时刻前车的加速度；u1(t)表示在t时刻本车的命令加速度；参数h1和分别为时间间隔和发动机时间常数，为发动机时间常数的时变不确定增量；

取x1＝[δ1δν1(t)a1]^t，式(1)转化为矩阵形式，参见式(2)：

其中，

δa1(t)，δb1(t)为时变结构不确定性，具有以下形式：

[δa1(t)δb1(t)]＝df(t)[e1e2](3)

其中，f(t)为时变的未知实矩阵，满足

矩阵d以及e1、e2为具有适当维数的常数实矩阵；

2)、定义车辆自适应巡航系统在t时刻的鲁棒控制函数，参见式(4)：

其中，k1是控制函数的增益系数，对前车与本车的间距误差δ1(t)、相对速度δv1(t)和本车加速度a1(t)的控制增益分别为k1、k2、k3，并且设控制器对前车加速度a0(t)的控制增益为-k3，k1可由线性矩阵不等式求得，需满足的线性矩阵不等式参见式(5)：

存在具有适当维数的实矩阵q＝q^t＞0，v以及正数ε，使得以下lmi成立：

其中，控制函数的增益系数

3)、通过车载传感器得到当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到当前时刻前车加速度，根据方程式(4)实时计算车辆自适应巡航系统安全车间距控制量u1(t)，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，通过车载传感器得到前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到前车加速度，如此周而复始，实现本车高稳定性和实时性的参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制。

本实施例为参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制过程，具体操作过程如下：

1、在参数设置界面中，输入模型参数，如下：时间间隔h1＝2、发动机时间常数常数实矩阵d＝[000；000；001]，e1＝[000；000；00-4.2]，e2＝[0；0；4.2]，输入控制器参数：可调参数ε初始值设为1；

2、在组态界面上点击“调试”按钮进入调试界面，启动主控计算机的cpu调用事先编制好的“控制器计算程序”求解可行的参数不确定性鲁棒控制函数增益系数k1，计算过程如下：

1)根据给定的参数ε，利用线性矩阵不等式(5)计算相应的控制函数增益系数k1；

2)根据方程式(4)计算控制量，观察车辆自适应巡航系统安全车间距控制效果，调整可调参数ε，综合考虑安全车间距控制的响应能力和调整时间，确定能良好实现参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制的最优调试参数ε＝0.5。

3)根据调试得到的ε值，利用线性矩阵不等式(5)计算可行的控制器增益系数k1，

k1＝[0.37240.6573-0.6774]，

将计算结果保存到计算机存储单元ram中；

3、启动主控制计算机的cpu读取模型参数和控制器参数，通过车载传感器得到当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到当前时刻前车加速度，根据方程式(4)实时计算车辆自适应巡航系统安全车间距控制量u1(t)，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新通过车载传感器得到前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到前车加速度，如此周而复始，实现本车高稳定性和实时性的参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制；

本实施例中选取车长l＝2m，前车做初速度为0，0～30s内加速度为1m/s²，30s后加速度为0的变速运动，最小安全距离d0＝8m，假设发动机时间常数的时变不确定增量处于(0,1)区间内。

实际控制效果如图1、图2、图3、图4、图5所示，图1为参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制中本车与前车的车间距变化曲线。图2为参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制中本车的输入控制量变化曲线。图3为参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制中本车与前车的相对速度变化曲线。图4为参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制中本车的加速度变化曲线。图5为参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制中前车与本车的速度变化曲线。

以上阐述的是本发明给出的一个实施例所表现出的优良的参数不确定自主车辆变速巡航系统鲁棒控制效果。需要指出，上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。