基于滑模控制的时滞自动车辆跟随系统数学模型
摘要:基于非线性车辆动力学方程和固定车辆间距跟随策略,对具有时间滞后的自动化公路系统车辆纵向跟随控制问题进行了研究。在假定车队中的每个被控制车辆能够接收到车队领头车辆以及该车前面一个车辆的位移、速度和加速度信息的情况下,应用滑模变结构控制方法,通过对滑模运动方程的分析,得到了关于车辆间距误差的车辆纵向跟随系统的数学模型。该模型属于一类具有时间滞后的无限维非线性关联大系统。在具有时间滞后的车辆纵向跟随控制器设计中,利用该类非线性关联大系统的稳定性判定条件来设计控制参数,可确保车辆纵向跟随控制系统的稳定性。
引言
近年来,关于智能交通系统自动高速公路车辆跟随控制问题的研究,已取得了很多有价值的研究成果和研究方法。文献[1]在考虑车辆跟随系统时引入了无限维关联系统模型;文献[2]通过分析无限维关联系统的稳定性来研究自动化高速公路控制系统;文献[3]及文献[4]建立了车辆跟随系统的非线性模型;文献[5~9]研究了基于PID (Proportional Inte-gral Derivative)控制的车辆纵向跟随控制方法;文献[3, 10~12]利用变结构滑模控制策略,来设计车辆纵向跟随控制器。本文在文献[12]的基础上继续研究了基于滑模控制方法的车辆纵向跟随控制问题,考虑了车辆纵向跟随系统中的滞后因素,得到了关于车辆间距误差的具有时间滞后的无限维车辆跟随系统的数学模型。
1 自动化公路系统车辆纵向跟随控制
智能交通系统(ITS, Intelligent Transport Systems)是近年来提出的新概念,其涵义是综合运用人工智能、信息通讯、自动控制、交通规划等技术,改善交通运输系统的运行情况,逐步建立起一个智能化、安全、高效、舒适、环保的全自动的综合交通运输体系[13,14]。自动化公路系统(AHS, Automated HighwaySystem)是智能交通系统中的一个重要研究领域。对AHS进行研究的本质是使公路系统以及车辆具有一定的智能,并依靠智能实现车辆的自动驾驶,将交通流调整至最佳状态,从而减少人工驾驶引起的交通事故,提高整个公路系统的安全性和运行效率。可以说, AHS是ITS的最高形式,是公路系统发展的方向,也是社会各界共同开发和研究的领域。AHS研究的一项重要内容是车辆的编队控制,即把进入高速公路的车辆组成车队,车辆间设定固定的间距,车辆入队后自动行驶,通过在车体上设计安装跟随控制器,由控制器根据车队领头车辆、前面车辆的状态信息产生控制命令,实现车辆自动跟随,使车辆间距自动保持在规定的范围内。
2 时滞自动车辆纵向跟随系统的数学建模车辆跟随误差:设计自动化公路系统车辆纵向跟随控制器,就首先要确定合适的跟随误差准则,跟随误差应为车辆位移或速度的函数,根据误差准则来设计控制器,由控制器通过调节车辆牵引-制动系统调整车辆速度,达到使误差趋于0的目的。跟随误差准则的确定与车辆跟随策略有关,这里指的跟随策略主要有两种情况,如果车辆间距设定为不随速度改变的固定常数,则称为固定车辆间距跟随策略;如果设定的车辆间距随速度改变,即为车辆速度的函数,则称为可变车辆间距跟随策略。本文采用固定车辆间距跟随策略。第i个车辆与第i-1个车辆之间的车间距误差定义为
变结构滑模控制:变结构控制是文献[15]提出的一种控制策略。变结构控制方法通过控制作用首先使系统的状态轨线运动到适当选取的切换流形,然后沿切换流形渐近运动到平衡点,系统一旦进入滑模运动,在一定条件下就对外界干扰和参数扰动具有不变性,所以这种方法非常适合于具有不确定性和非线性的车辆跟随控制系统。文献[16,17]对变结构控制的理论和方法进行了比较详细的介绍。
时滞车辆纵向跟随系统的数学建模:采用滑模控制方法,定义如下的切换函数
3 结语
本文在文献[12]的基础上,继续对自动化公路系统车辆纵向跟随控制问题进行了研究,考虑了车辆纵向跟随系统中的滞后因素。基于车辆动力学模型,应用变结构滑模控制方法,得到了关于车辆间距误差的具有时间滞后的无限维车辆跟随系统的数学模型。扩展了对自动高速公路车辆纵向跟随控制问题的研究成果。为进一步研究具有时间滞后的车辆跟随系统的稳定性以及基于稳定性准则的车辆纵向跟随控制器设计奠定了基础。
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