[发明专利]一种车辆队列状态约束有限时间控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种车辆队列状态约束有限时间控制系统及方法，该方法所采用的车辆队列控制器包含状态约束模块、虚拟控制输入求解模块、实际控制输入求解模块以及车辆动力控制信号求解模块。状态约束模块通过性能约束函数与误差系统进行非线性变换；虚拟控制输入求解模块基于误差系统获取虚拟控制输入；实际控制输入求解模块根据虚拟控制输入获取实际控制输入；车辆动力控制信号求解模块根据实际控制输入进行加减速信号的获取。本发明针对车队跟随过程中间距调整缓慢、队列不稳定以及外部干扰等，通过提出一种基于状态约束有限时间控制的车队间距调整方法，使车队在有限时间达到稳定性，显著提高了车队跟车间距的响应速度以及车队的鲁棒抗干扰性能。

技术领域

本发明涉及一种车辆队列状态约束有限时间控制系统及方法，属于自动控制系统领域。

背景技术

近年来,随着汽车保有量的不断增加,由此带来的资源消耗、环境污染、交通拥堵等问题日益突出,探索更加节能、环保、高效的出行方式已经成为智能交通领域的研究重点。车辆队列控制是智能交通系统的重要技术之一，受到越来越多的关注。车队中的车辆在行驶过程中相互耦合，任何一辆车的加减速操作都会影响其他车辆，甚至导致碰撞等交通事故。因此，有效控制车队中的每辆车使之保持给定的车间距，从而保持整个车队系统的稳定性至关重要。

车辆队列控制中，相邻车间距误差的收敛速度是评价车队行驶性能的一个重要指标。现有的大多数研究中，只能得到基于Lyapunov渐近稳定的收敛结果，渐近稳定以指数形式收敛最快，意味着渐近稳定下不能达到时间最优的控制效果，这将会影响车队驾驶的性能。此外，车队行驶过程中车辆容易受到路面不平及恶劣行驶环境等不利因素影响，这些都将影响车队行驶的稳定性。有限时间控制技术比渐近稳定具有更快的收敛速度和更强的抗干扰性能。目前，基于齐次有限时间控制技术和基于终端滑模有限时间控制技术在车辆队列系统中得到了进一步的研究。其中，基于齐次有限时间控制技术的控制律设计过程较为简便，只需使车队系统满足渐近稳定并且具有负的齐次度，但是该方法无法给出有限收敛时间的上界表达式。基于终端滑模有限时间控制技术虽然能给出具体收敛时间的上界表达式，但是收敛时间在很大程度上依赖于车队相邻车间距误差的初始值，且终端滑模控制得到的是一种不连续的控制律，这会使系统产生抖振，容易造成车队行驶过程中车辆频繁加减速，甚至影响车辆队内及队列稳定性。

因此，针对车队行驶过程中间距无法快速收敛及外部干扰下无法保证车队稳定性等问题，有必要从时间最优的角度提出一种具有更快响应速度和更强鲁棒性能的高品质车辆队列间距控制器，以实现车辆间距的快速调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：减小车辆队列行驶时相邻车间距误差的收敛时间，使车辆间距快速趋向安全跟车间距，并且具有良好的鲁棒性能。针对该技术问题，本发明提出一种基于状态约束性能函数的车辆队列系统跟车间距有限时间控制系统及方法。本发明所采用的技术方案为：

一种车辆队列状态约束有限时间控制系统，包括依次相连接的状态约束模块、虚拟控制输入求解模块、实际控制输入求解模块以及车辆动力控制信号求解模块；

所述状态约束模块用于构建性能约束函数p_i(t)，引入非线性函数将误差函数e_i(t)与性能约束函数p_i(t)进行非线性变换e_i(t)＝f(ε_i)p_i(t)；

所述虚拟控制输入求解模块基于状态约束函数的误差系统,选取关于误差e_i(t)的函数，通过构造Lyapunov函数，借助有限时间控制技术，用于获取使车辆状态变量有限时间快速收敛的虚拟控制输入β_i(t)；

所述实际控制输入求解模块用于根据状态约束模块中非线性变换得到的误差系统，结合虚拟控制输入求解模块中得到的虚拟控制输入，再一次构造Lyapunov函数，根据有限时间控制技术进一步获取实际控制输入u_i(t)；