汽车巡航控制系统CCS的设计.doc

汽车巡航控制系统（CCS）的设计系系别别:专专业业名名称称:学学生生姓姓名名:学学号号:指指导导教教师师姓名、姓名、职职称：称：完成日期200年4月30日I汽车巡航控制系统汽车巡航控制系统(CCS)(CCS)的设计的设计摘摘要要随着经济的稳定增长和我国汽车工业的飞速发展，汽车消费迅速进入大众化阶段。人们对驾驶的安全性和舒适性的要求越来越高巡航控制恰好满足了人们的这种需求。虽然有很多已开发的巡航控制系统，但比较昂贵。若使该系统步入普通家用轿车家族，还存在着一些困难。本文介绍的解决方案电路简单、价格低廉，有很好的应用前景。在认真分析了巡航控制系统的基本原理确定了输入输出信号以后，提出了一种闭环控制的巡航控制系统设计方案。由车速传感器采集的车速信号和设定车速的差值作为输入量，实际车速作为输出量。位置式PID控制算法造成计算机运算工作量大，而且计算机的任何故障都会引起执行机构大幅度的变化。然而就微分项而言增量式算法容易引进高频干扰导致调节性能不稳，显然，单纯采用PID增量式算法或位置式算法都不能满足巡航控制的要求。所以将位置式、增量式算法结合起来取长补短组成PID综合算法。采用上述控制方法对汽车巡航控制系统进行了计算机仿真研究，建立了系统的仿真模型，详述了模型的建立过程。仿真结果表明：所采用的控制策略是可行的，能较好地模拟真实系统。设计了基于PIC单片机的汽车巡航控制系统对设计过程作了必要说明。实验中，采样了多组车速与节气门开度的波形，验证了仿真结果的正确性。实验结果表明：系统的超调量较小，响应时间快，所采用的控制方法简单易行。关键词巡航控制；PID控制；PIC单片机；仿真研究IIDesignofAutomotiveCruiseControlSystemAbstractWiththesteadyincreaseofeconomyandrapiddevelopmentofautomobileindustryinourcountryvehicleconsumptionbecomespopular.securityandcomfortofdrivingbecomesmoreandmoreimportanttopeopleCruiseControljustmeetsthedemand.ManyengineershavedevelopedCruiseControlSystembutthepriceisunaffordabletomostpeople.Thepaperintroducesakindofschemewithsimplecircuitandlowpricewhichhasapromisingprospectofapplication.AfteranalyzingthebasicprincipleofCCSanddefiningsignalsandoutputsignalsakindofclose-loopedcontrolschemeisbroughtforward.Theistheerrorofthespeedandtheoutputisactualspeed.AnyfaultsofcomputercancausegreatchangesofcutorandincreaseburdenofcomputerbyadoptingpositionalPID.DifferentialpartofincrementalPIDcanhardlyavoidhighfrequencyinterferencewhichmakesthesystemunstable.ObviouslyusingeitherpositionalPIDorincrementalPIDcantmeetthedemand.ThereforepositionalPIDcontrollerandincrementalPIDcontrollerareintegratedtosolvetheproblem.TheautomobileCruiseControlSystemisstudiedbycomputersimulationwithabovecontrolling.Simulationmodelofsystemisestablishedandprocessofdesignisbrieflyexplained.Resultsofsimulationshowthatthecontrollingstrategyisfeasibleanditwouldsimulatethetruesystemexactly.CruiseControlSystembasedonPICisdesigned.Thepracticalcircuitisexplained.Severalgroupsofspeedandthrottleanglearerecorded.Resultsofexperimentshowthatthesystemhaslittledynamicsexcessshortresponsetimeandtheadoptedissimpleandfeasible.KeywordsCruiseControlPIDcontrolPICMCUSimulationResearch目录第1章绪论.11.1课题的目的和意义.11.2国内外研究现状及发展趋势.11.2.1国内外研究现状.11.2.2巡航控制系统的发展趋势.41.3巡航控制研究的热点问题.41.4课题的来源及研究内容.5第2章巡航控制系统的组成与原理.62.1巡航控制系统的主要部件.62.2巡航控制系统的工作原理.112.3本章小结.12第3章巡行控制系统的仿真分析.133.1行驶轿车仿真模型的建立.133.2控制器模型的建立.143.2.1控制方法的选择.143.2.2仿真语言简介.183.2.3控制器仿真模型的建立.193.2.4系统仿真模型的建立.193.3仿真结果分析.213.4本章小结.22第4章巡航控制系统的设计.224.1巡航控制系统的硬件设计.224.1.1微处理器的选择.224.1.2其他辅助芯片介绍及应用.224.1.3驱动电路的设计.264.1.4系统整体电路设计.284.2巡航控制系统的软件设计.294.2.1开发环境的介绍.294.2.2系统软件设计.304.2.3软件可靠性措施.314.3实验结果.324.4本章小结.33结论.34参考文献.35致谢.361第第11章绪论章绪论1.1课题的目的和意义为了加快我国汽车工业的发展，提高我国汽车的技术含量是迫在眉睫的问题之一。而本课题正是适应目前国内外汽车工业的情形而产生的。汽车巡航控制系统，简称CCS，即“CruiseControlSystem”。汽车巡航控制是指在一定的车速范围内，当汽车受到干扰外力时，允许驾驶员不用控制加速踏板，该系统通过自动调整节气门开度从而调整发动机的转矩，使汽车按设定的车速恒速行驶。装有巡航控制系统的汽车有如下优点：1.保持车速稳定无论是上坡、下坡还是在平直的路面上行驶，只要在发动机功率允许的范围内，车速均可保持匀速行驶。2.可提高驾驶时的舒适性和安全性这一优点在高速公路或是城市高等级公路上表现尤为明显。此外，这一系统减轻了驾驶员的负担，对保证行车安全十分有利。3.可最大限度地节省燃油及降低排气污染汽车以恒定车速行驶时，可使燃油消耗与发动机输出功率处于最佳配合状态，既能降低燃油消耗，又减少排气污染。随着我国高速公路网的迅速扩大和延伸，汽车巡航控制系统的优越性能也将更加体现出来。它有助于减少驾驶操作的强度，降低或避免交通事故的发展，提高高速公路的利用率，因此，这种汽车新技术在我国具备广泛的发展和应用前景，其研究的意义也是非常重大的。1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1国内外研究现状国内外研究现状从总体上来说，国外汽车巡航控制系统的发展大体经历了三个阶段：第一阶段是50年代至70年代中期，这一时期美国和日本相继出现了以模拟电路为基础的汽车巡航控制系统。例如，日本丰田公司从1965年起就开始在车上装用机械式巡航控制系统。之后，德国的VDO公司也研制出了气动机械式巡航控制系统。而1968年德国奔驰公司开发了晶体管控制的巡航控制系统，并在莫克利汽车上装用。第二阶段是70年代中后期至80年代中后期，以数字信号为主的控制系统。随着单片机技术的发展，特别是大规模集成电路及微机的应用。出现了以数字技术为基础的巡航控制系统。例如：1974年美国鲁卡斯汽车研究中心研究出了性能完善的运用卫星雷达的数字控制器控制的车速车距控制系统，该系统可以更好地适应路面状况的变2化。日本Hino(日野)公司于1985年投放市场一种基于燃油经济性的车速控制系统，其控制框图如图1-1所示，其控制部分是基于数字式的微控制器1。美国摩托罗拉公司也研制了一种采用微处理器控制的巡航控制系统2，这种系统的所有输入指令以数字形式直接存储和处理，带有可擦只读存储器的八位微处理器(MCU)根据指令车速、实际车速以及其他输入信号，按给定程序完成所有数据处理之后产生一个输出信号驱动步进电机，改变节气门开度，每种车型的最佳加速度和减速度由编程人员决定。从安全上考虑，将制动开关与节气门执行器直接相连，这样，当踩下制动踏板时，在断开巡航控制的同时，将执行器的动力源断开，从而使节气门安全关闭。图1-1Hino公司研制的经济型车速控制系统框图Fig.1-1EconomicalspeedcontrolsystemofHinoCo.与模拟技术相比，数字系统的突出特点是系统的信号量以数字表示，受工作温度和湿度的影响较小，因此数字控制具有更高的稳定性。汽车巡航电子控制器采用先进的大规模或超大规模集成电路技术做成专用模块，也可在微机上编程实现。当汽车上其它系统已有微机控制时，只要修改一下程序便可将此功能附加上去，因而可节省昂贵的控制硬件。从90年代开始，国外又开始发展以智能化为核心的汽车巡航控制系统(ACC)和以定距离控制为主的自适应巡航控制系统。目前国外很多专家都在研究自适应巡航控制系统。这种巡航控制系统主要由测速装置、转向角传感器、车速传感器、车速转向传感器、制动ECU、转矩ECU和发动机ECU等组成。当道路情况良好时，该系统就是普通的巡航控制系统，可以按设定车速巡航行驶；当另一辆车进入装置自动测量距离以及和被测车的相对速度，并通过巡航控制系统控制制动器。如果前方车辆从测量范围内消失，ACC将自动恢复原先的车速，如果前方车辆减速，ACC便操纵制动器来维持一定的时间间隔，从而避免了汽车的追尾。国外很多专家开始了一种半自主式巡航控制系统的研究。此种巡航控制系统能够很快地应用于公路上，同时能够保持人工操纵和自适应巡航控制系统的共存。其研究的理论结果表明，此种控制具有更高的控制精度和更强的控制鲁棒性17。综合利用仿3真、分析和实验结果对人工驾驶和具有自适应控制系统的汽车进行了比较，从得到的数据和信息可以知道，具有巡航控制系统的汽车能对驾驶员提供重要的辅助作用，对行驶安全性提供了一种主动安全技术。不少车辆，特别是高级轿车已经把巡航控制系统作为配备设备或备选设备。例如美国别克(BUICK)、凯迪拉克(CADILAC)、协和(CONCORD)、纽约人(NEWYORKER)、克莱斯勒(CMC)等均装用了巡航控制系统。而日本高速公路的迅速发展使得巡航控制系统的装车率也不断得到提高，如日本皇冠(CROWN)、佳美(CAMRY)、凌志(LEXUS)等。欧洲的奔驰(BENZ)、宝马(BMW)以及我国的红旗轿车等均装有巡航控制系统。由于国内汽车起步较晚，技术相对落后，并且就目前我国公路状况和实际应用来说，对汽车巡航控制系统的研究应用主要是以单车定速控制为主。目前，模拟汽车恒速控制器在我国已经投入生产和使用。例如：由江苏省仪征式巡航设备厂生产的XD-1型汽车定速系统是一种机电式汽车巡航控制系统。该系统用汽车发动机工作时产生的真空度作动力，通过系统简单的机电结构来稳定发动机的转速，使其产生的真空度保持最小的变化。由于其自动对发动机的油门进行控制，使驾驶员在驾驶时不用踩油门，换档减速使发动机自动变速，能节省燃油5%以上，减轻驾驶员驾驶疲劳度。然而该机电式巡航控制装置虽然结构简单，却有控制精度不高，稳定性不强等特点。国内也开始了对电子式巡航控制装置的研究，例如，北京理工大学应用PID控制对汽车巡航控制进行了细致的研究。结果表明：由于车速变化的非线性，此种控制方法难以满足不同车速时的控制要求。由清华大学王俊敏等研制的汽车数字式巡航控制系统，采用了变参数的比例积分(PI)控制算法，可根据系统识别的汽车行驶状况和目标车速与实际车速之间的偏差大小，通过查表来调整参数。这一控制方法的缺点是：每一组特定的PID参数都是对应于某一段范围内的特征车速，因此对于不断变化的车速来说，其控制特性仍然不很理想。国内也有人将模糊控制算法应用于巡航控制系统，其前提是认为司机对汽车的控制，从本质上来说是一个模糊控制的过程。驾驶员驾驶汽车时，根据目标车速与实际车速之间的偏差及路面情况，利用自己的经验，决定加速踏板的变动量，从而使汽车车速趋近于目标车速。模仿这一过程的模糊控制原理如图1-2所示。用于汽车巡航控制的模糊控制器输入量一般可选择设定车速和实际车速的偏差以及偏差的变化率。模糊控制是不依赖系统的精确数学模型，因而对系统的参数不太敏感，具有很强的鲁棒性。其不足之处是模糊控制规则的获取和模糊隶属度函数形状的确定是一项费力的工作；而且系统一旦确定，其规则和隶属度就确定了，不能随外界和车辆参数变化进行调整。应该指出，目前国内对汽车巡航系统的研究还不是很成熟，控制结构参差不齐，例如控制的精度和稳定性差别很大。而对汽车巡航控制系统研究的关键就是能够找到一种合适的控制算法，使得控制效果尽可能理想。41.2.2巡航控制系统的发展趋势巡航控制系统的发展趋势汽车巡航控制自70年代起各大汽车厂家都争相研制并装在较高级的轿车上，到了80年代中末期，由于微电脑在汽车上的广泛应用和高速公路建设的迅速发展，使得它更加完善。到本世纪末起以及目前展出的21世纪汽车，该系统真可谓日臻完善，系统电路集成化水平提高，控制模块体积精巧，多路传输系统日渐成熟，自检系统更准确有效。但是若使该系统步入普通家用轿车家族，还存在着一些问题。即虽然系统多用模块控制，但造价十分昂贵；限速太高，一般系统都必须在40kmh以上才起作用；检修虽方便，但需较高的技术。随着汽车技术和现代公路交通的迅速发展，汽车巡航控制系统的发展趋势是：进一步采用集中微电脑控制，降低系统的成本。微电脑系统随时自动监测并显示系统的故障，自动及时地中止系统的工作，降低最低限速，增加智能系统，采用跟踪技术和增加邻车警告系统，提高行车安全性，使之被大众汽车所接受。1.3巡航控制研究的热点问题我们知道，汽车的行驶是在发动机产生动力以后，借助于地面对车轮的反作用力行驶的。车速的大小变化情况非常复杂。它会受到路面滚动阻力、汽车行驶时风的阻力、以及道路坡度等时变因素的影响而变化40。而且也受到发动机工况、负载情况等的影响。坡道的阻力是随着道路坡度大小而变化的，即使在高速公路上也不可能避免爬坡或下坡行驶，车重越大时，坡道的阻力就越大；下坡时的惯力也就越大，而路面的滚动阻力系数也随路面的情况、轮胎形状、温度、气压、行车速度等变化而随机地变化，风阻与车速的平方成正比，由于汽车行驶过程中风速的大小和方向不断变化。并且车速越大风阻也越大，巡航行驶时风阻便是一个不能忽略的因素，再如上发动机输出转矩与节气门的关系非常复杂，决定了巡航控制的实现是非常复杂的。不但如此，由于巡航控制系统是工作在汽车上，而使用汽车的自然环境地区条件5是千差万别的，有时两地的条件差异特别大，所以又必须考虑下巡航的特殊工作环境。如南方和北方的冬季温差特别大，汽车各零部件工作温度也相差较多，温度对电气零部件的额定工作电流是有影响的；同时湿度较高的环境容易造成电子器件绝缘损坏或腐蚀机件；当汽车行驶在崎岖不平的山路时，又会产生很大的振荡，这对电控系统来讲就要求较高；另外，汽车的供电系统有蓄电池和发动机两个电源，蓄电池由于发电程度不同，使其输出电压变化较大，同时发动机调节器一般是用通断方式控制发动机激励电流，所以汽车上的电源波动及瞬时过电压形成的电气环境也较恶劣；这些环境对汽车的保养与控制系统的可靠性等都是一些不利的因素。在研究巡航系统时，应充分考虑到这些复杂的因素。才能设计出具有较高控制精度的应用系统。1.4课题的来源及研究内容本课题是由指导老师提供。本汽车定速巡航系统采用闭环控制方法，驾驶员通过操纵控制开关设置巡航定速的速度值，与采集的当前车速进行比较，无论汽车处于何种状态，上坡、下坡或平路，通过实时计算及控制，驱动油门执行机构的工作，达到车速稳定状态。鉴于目前国内汽车巡航控制系统的研究现状，本课题的主要研究内容是：1.分析巡航控制的原理，进行汽车定速巡航控制系统的总体方案设计，设计出系统的硬件。2.汽车仿真模型的建立。汽车仿真模型的建立是整个仿真研究的基础，模型建立的恰当与否，将关系到仿真结果的准确性及后续研究的可行性。本文将以轿车为对象，分析汽车行驶过程中受到的各种外力，在合理假设的前提下建立起汽车动力学模型。3.控制方法的分析与确定。由于汽车、发动机及传动系的非线性和汽车在行驶中受到的路面坡度、空气阻力的外界干扰，需要寻找一种最佳控制方案，使汽车在行驶过程中受到外力干扰而车速变化时，控制系统能根据被控对象的变化特征在线及时的调整控制参数，使控制效果保持最佳。4.利用软件MATLABSimulink建立汽车仿真模型、控制器模型及整个系统的模型，进行仿真并对仿真结果进行分析。5.验证巡航控制系统设计的合理性、可靠性、抗干扰性等。6第第22章巡航控制系统的组成与原理章巡航控制系统的组成与原理2.1巡航控制系统的主要部件汽车电子巡航控制系统主要由巡航控制开关、车速传感器、电子控制装置、车速控制开关、执行器等组成。其结构如图2-1所示。现将其各部分的结构与工作原理分别介绍：1.主控开关主控开关一般是杆式开关，如图2-2所示。安装在转向柱上驾驶员容易接近的地方。通常将其功能包含在组合开关内，大多数指令开关有三个档位：设置巡航(SETCOAST)、取消(CANCEL)和复位加速(RESACC)档。该开关处于“设置巡航”档位时，只要按下按钮开关不动，车辆就不断加速。当达到要求的车速时，松开按钮，车辆就会按松开按钮时的车速保持定速行驶，当转换到“取消”档时，恒速行驶立即停止。“复位加速”档用于制动或换档断开电路后，使车辆重新按调定速度行驶。电流由巡航控制ECU流出，经过不同阻值的电阻搭铁，从而给ECU提供不同的电压，ECU根据接受的电压信号可判定被操作的开关位置。2.空档启动开关用于向巡航控制ECU传送空气启动开关接通信号(即变速器操纵杆处于空档位置的信号)，以使汽车立即退出巡航控制状态。3.制动灯开关用于向巡航控制ECU传送制动灯开关接通信号(即驾驶员踩下制动踏板的信号)，以使汽车迅速退出巡航控制状态。4.车速传感器车速传感器通常和车速里程表相连接。如果车速里程表是电子式的，车速传感器传出的信号可直接作为巡航控制系统的反馈信号，因而不必为巡航系统另设传感器。专门用于巡航控制系统的车速传感器一般安装在变速器的输出轴上，这是因为实际车速与变速器输出轴转速成正比。车速传感器有磁感应式、霍尔式、光电式等多种结构形式，但简单常用的是磁感应式。节气门控制摇臂位置传感器：用于监测节气门控制摇臂的位置，并将信号传送给巡航控制ECU。75.节气门位置传感器用于监测节气门的位置，并将信号传送给巡航控制ECU。6.巡航控制ECU用于接收各种传感器送来的信号，再经计算、加工处理后，向执行器发出指令，控制执行器的动作。早期的电子巡航控制系统，电子控制器大多采用模拟电子技术，其原理图如图2-3所示。整个电子控制器采用了4个放大器，每个放大器都有特定的作用，运算放大器1是误差信号放大器，它的输出与指令车速和实际车速之差成正比，误差信号UE用作运算放大器2和3的输入，运算放大器2是一个放大倍数为KP的线性放大器，由于R1是可变电阻，因此放大倍数可以调节，运算放大器3是一个积分放大器，其放大倍数为：KI=1R3C(2-1)因R3为可变电阻，因而KI亦可调节。线性放大器和积分放大器的输出通过运算放大器4叠加在一起，运算放大器4将电压信号UP和UI相加并将运算结果反相。由于线性放大器和积分放大器输出的相位与其输入相位相反，故由运算放大器4求和反相后才能使控制信号回到正确的极性。运算放大器4产生一个模拟电压输出US，该模拟电压必须先转换成脉冲信号方能驱动执行器。为此采用了一个将模拟电压转换为脉冲电压信号的转换器，转换器的输出UC直接驱动执行器。指令开关S1由驾驶员置位，用于选定指令车速、向采样及保持电路发送信号，使其对已选定的指令车速采样并记忆，即采样及保持。采样及保持电路的原理如图2-4所示。采样及保持电路原理图图中U1表示由驾驶员选定的指令车速信号，经采样后向电容C1充电，电容器电荷有一个具有高输入阻抗的放大器进行检测，该运算放大器向误差信号放大器输出一个与指令车速成正比的电压信号U2，接受来自车速传感器、巡航控制开关、制动开关等的信号，经计算、记忆、放大及信号转换等处理后，输出控制信号，驱动执行器动作。8图2-3模拟电子控制器电路原理图Fig.2-3Thecircuitdiagramofanalogelectro-controller图2-4采样及保持电路原理图Fig.2-4Principleofsampleandholdingcircuit与模拟系统相比，数字系统的突出特点是系统的信号以数字量表示，受工作温度和湿度变化的影响小，因此数字控制具有更高的稳定性。汽车电子巡航控制系统ECU可采用先进的大规模或超大规模集成电子技术做成专用集成块也可以在微机上编程实现。当汽车上其它系统已有控制用微机时，只需改动一下程序便可将此功能附加上去因而可节省其控制硬件。7.执行器执行器又称伺服器，其作用是接受巡航控制单元ECU的控制指令信号，采用可以减速的直流电机以电动或气动方式驱动拉线盘，该拉线与油门拉线并联，用于调整节气门的开度，使车辆作加速、减速及定速行驶。执行器常分为电动式和真空式(气动式)两种。下面分别作以介绍：1)电动式执行器电动式执行器结构如图2-5所示。9图2-5电动式执行器结构图Fig.2-5Thestructureofelectromotorcutor电动式执行器主要由电动机、安全电磁离合器和位置传感器组成。电动机采用直流永磁式电动机，通过改变电动机中电流方向即可改变节气门转动方向。电动机转动时可带动执行元件控制臂转动，控制臂通过控制拉索改变节气门开度。为限定控制臂转动角度，电动机电路装有限位开关。在电动机与控制臂间装有安全电磁离合器。当进行巡航控制时安全电磁离合器接合，此时电动机旋转可使节气门开度改变；若在巡航控制行驶阶段执行器或车速传感器发生故障，安全电磁离合器立即分离。在电机式执行器中还装有位置传感器，它是一个由滑动变电阻器构成的电位计，用于检测执行器控制臂的转动位置，并将信号输入巡航控制ECU中。2)真空式执行器真空式执行器的结构框图如图2-6所示。密封圆筒内装有膜片、膜片弹簧、两个空气电磁阀和一个真空电磁阀。真空电磁阀和空气电磁阀的搭铁线分别接到巡航控制ECU的端子上，在ECU内部搭铁时，电磁阀起作用。真空电磁阀内部有一个真空管接头，通过一根橡皮管与进气歧管相连。在膜片的中间装有拉动节气门的拉索。真空式执行器是利用发动机进气歧管的真空度吸引膜片，通过节气门拉索，使节气门开度增大，并可保持固定位置不动。如果空气电磁阀打开，则由于膜片弹簧的弹力，使节气门拉索放松，节气门开度减小。图2-6真空式执行器结构框图Fig.2-6Thestructureofvacuumcutor图2-7为真空式巡航控制系统的结构原理。在巡航控制系统未工作时，真空电磁阀保持关闭，空气电磁阀打开，密封圆筒与大气相通。当汽车加速时，真空电磁阀和两个空气电磁阀的电磁线圈电路均通过ECU内部搭铁而构成回路，真空电磁阀打开，与进气歧管相通，而两个空气电磁阀则关闭，密封圆筒内真空度增大，吸动膜片，克服弹簧力，通过拉索使节气门开度增大，车辆加速行驶。当加速到一定车速时，真空电磁阀与空气电磁阀同时关闭，此时密封圆筒内的真空度不变，汽车保持恒速行驶。当汽车减速时，空气电磁阀电磁线圈断路，又恢复为打开状态，此时空气进入密封圆筒，10膜片弹簧把膜片压回原位，节气门开度减小，汽车减速。目前汽车上使用的巡航控制系统分为机电式巡航控制系统和电子式巡航控制系统。采用真空式执行器的是机电式巡航控制系统，采用电动式执行器的是电子式巡航控制系统。电子巡航控制系统是系统与机电式控制系统不同之处，是它用电子控制系统来设定和维持所选择的速度。电子控制系统的精确性较高，与机电式控制系统相比有下列优点：1.一般在行驶速度达到40kmh时系统开始工作。2.速度控制模块采用数字方法测量速度，将汽车固定在设定开关的速度上，并将系统动作时汽车的精确速度储存起来。3.系统每秒钟能调节节气门8次，使汽车速度维持在2kmh的波动范围内。4.在汽车动力允许的情况下，汽车爬坡时，能维持恒定的速度，并做出微小的调整。这就比直接测出机电式系统所产生的速度变化而做出较大的修正，具有更大的控制力。真空伺服装置用来增加爬坡时系统维持所设定的能力。5.电子控制系统能提供精确的控制，通过敲击设定开关，能使系统以3kmh的稳定增量变化。机电式系统虽有相同的性质，但增量为2kmh5kmh。6.使用“恢复”功能可以获得更加稳定的加速度，而不必考虑速度上的误差。电子控制系统具有机电式系统所没有的安全性，主要表现在：1.当预定的减速度发生时，即使没有踩制动踏板，迅速减速停车功能将使系统关闭。2.当预定的减速度发生时，滑转停车功能将使系统关闭。由于这种情况通常发生在溜滑路面上，电子控制系统通常发生在比以前的速度的规定值，以提示驾驶员行驶条件不够理想。3.如果设置开关、恢复开关、制动器或离合器开关、或线路出现问题，系统失效，断开功能将使巡航系统关闭。这能防止由于失效引起错误的或所不希望的系统操作。图2-7真空式巡航器的原理图11Fig.2-7Principleofvacuumcutor2.2巡航控制系统的工作原理图2-8是一种典型的闭环汽车电子巡航控制系统原理方框图。由图2-8可知，控制器有两个输入信号:一个是驾驶员按要求的车速设定的车速信号，另一个是实际车速反馈信号。当测出的实际车速高于或低于驾驶员设定的车速时，ECU将这两种信号进行比较，得出两信号之差，即误差信号，再经放大、处理后成为节气门控制信号，送至节气门执行器，驱动节气门执行器工作，调节发动机节气门开度，以修正设定车速信号与实际车速反馈信号的误差，从而使实际车速很快恢复到驾驶员设定的车速，并保持恒定。图2-8巡航控制系统基本原理框图Fig.2-8BasicprincipleblockschemeofCCS通常将汽车在平坦路面上行驶时车速与节气门开度的关系存储在巡航控制系统ECU的ROM中。汽车在平坦、上坡与下坡路面上行驶时的车速与节气门开度的关系如图2-9所示。巡航控制系统使微机根据目标车速自动维持汽车恒速行驶。ECU设置了输出控制线，输出控制线斜率应尽量使车速变化小，且斜率还可以调整。当汽车速度下降时，微机就命令加大节气门开度，使发动机功率升高，转矩增大，从而恢复设定速度。系统进行巡航控制时，若在平坦路面上车速为V0时按下设定开关进入巡航控制的自动行驶状态，系统控制节气门开度到O点时，一旦遇到爬坡时，则行驶阻力增加，如不进行调节控制，车速就会降到V1点，使行驶达到动态平衡，此时的巡航控制则按照控制线操作节气门，使开度从O点变为A点，相应的车速稳定在VA点，重新取得动力平衡。当遇到下坡时，行驶阻力减小，巡航控制系统也沿着控制线操纵节气门，节气门的开度由O点变到B点，使车速保持在VB点取得平衡。因此，即使行驶阻力发生变化，车速也只在VA和VB之间的小范围内变化，达到稳定行驶的目的。若使控制线呈现垂直状态，则车速的波动（控制误差）减小到零。当车速在40kmh以下、100kmh以上时，巡航系统不工作。12图2-9车速与节气门开度的关系Fig.2-9Therelationbetweencarsspeedandthrottlesopeningdegree2.3本章小结本章分别对主控开关、空档起动开关、制动灯开关、车速传感器、电子控制单元和执行器的原理和功能进行了详细说明。通过对比电动式执行器和真空式执行器的特点，分析了采用电动式执行器的原因。分析了一种以实际车速和巡航车速的差值作为输入量，实际车速为输出量，采用闭环控制的巡航控制系统的工作原理。绘制了汽车在平坦、上坡与下坡路面上行驶时车速与油门开度的关系并对其原理作了详细分析和说明。13第第33章巡行控制系统的仿真分析章巡行控制系统的仿真分析3.1行驶轿车仿真模型的建立坡路上行驶汽车的受力如图3-1所示。图3-1坡路上行驶汽车受力图Fig.3-1Bearingforceofautomobileonroadslope根据牛顿第二定律，得到汽车的运动方程为式(3-1)中m汽车质量；坡路与水平的夹角；Fe引擎动力Fr空气阻力计算公式为Fh重力分量计算公式为Fd汽车与路面之间的摩擦力为14图3-2中FcIn“指令”驱动力Fc为提供输入口；MaxThrust设置驱动力的上限；UpLim取小模块取两个输入中的最大者作为输出；MaxBrake设置制动力下限，取为-2000；LowLim取两个输入这种的大者为输出；ClockIn为接受仿真时间提供输入口；FW函数模块空气阻力模块；FH函数模块重力分量函数。图3-2汽车仿真模型Fig.3-2Simulationmodelofautomobile3.2控制器模型的建立3.2.1控制方法的选择控制方法的选择为了使汽车巡航控制系统达到车速控制的要求，选择哪种控制原理和采用什么控制算法是非常重要的问题。数字PID控制在生产过程中是一种最普通的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛应用。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3-3所示。图3-3中，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，将被控对象进行15控制，故称PID控制器。其模拟表达式为或写成传递函数形式式(3-7)中KP比例系数；TI积分时间常数；TD微分时间常数。图3-3模拟PID控制系统原理框图Fig.3-3PrincipleblockschemeofanalogPIDControl简单来说，PID控制器各校正环节的作用如下：1.比例环节成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少静差。2.积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3.微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式(3-6)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式(3-6)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换16式(3-8)中T采样周期显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去T。将式(3-8)代入式(3-6)，可得离散的PID表达式为或当执行机构需要的是控制量的增量(例如驱动电机)时，可由式(3-10)导出提供增量的PID控制算式。根据递推原理可得：式(3-10)减式(3-11)，可得式(3-13)称为增量式PID控制算法。图3-4给出了增量式PID控制系统示意图。由(3-12)可得式(3-14)为位置式PID控制算法，图3-5为位置式PID控制系统示意图。17图3-4增量式PID控制原理图Fig.3-4PrincipleschemeofincrementalPIDcontrol图3-5位置式PID控制原理Fig.3-5PrincipleschemeofpositionalPIDcontrol可以将式(3-13)进一步改写成它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T一旦确定了KP、KI、KD，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由式(3-13)或式(3-15)求出控制增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量u(k)对应的是本次执行机构位置(例如阀门开度)的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控制量增量的积累需要采用一定的方法来解决，目前应用较多的是利用算式通过执行软件来完成。比较位置式PID及增量式PID控制框图可以看出，位置式PID数字调节器的输出u(k)为全量输出，每次输出与过去的状态有关，需要对e(k)进行累加，因此造成计算机运算工作量大。而且，计算机的任何故障都会引起执行机构大幅度的变化。而对增量PID控制算法而言，虽然在算法上改动不大却带来不少优点当计算机只输出增量时，计算机误动作造成输出变化也小，控制状态的切换冲击也小，算式中不作累加运算增量只跟最近的几次采样有关，所以非常容易获得很好的控制效果。但增量式算法的理想微分环节容易引进高频干扰，导致调节性能不稳。为此，在研制过程中曾采用在微分环18节中串联一个低通滤波器以用来抑制高频干扰，也就是实际微分环节。其关系式为式(3-19)中T微分时间常数用实际微分代替理想微分的关系为则调节器增量算式为采用以上方法在仿真时，曾出现了投入微分后调节时间反而变长的现象，其动态品质有时比不加微分作用还要差，特别是有时出现输出异常，输出方向相反即反跳现象。实践证明：用计算机可以实现增量式PID算法和位置式PID算法但单纯采用PID增量式算法或位置式算法均不是理想的控制算法。综合算法的PID表达式为式(3-22)中式(3-24)、(3-25)中采样周期综上所述，如果PID调节采用增量式控制算法能在控制系统中避免一般常规PID算法中存在的问题，然而就微分项而言，增量算法显然不能满足巡航控制的要求，而位置式算法又带来计算复杂和抗干扰能力差的缺陷。所以，我们将位置式、增量式算法结合起来，取长补短，组成PID综合算法，即微分环节采用位置式算法，即对全量直接作衰减运算，所以不存在增量PID微分算法中所存在的反跳问题。比例和积分环节则采用增量式算法，可避免位置式算法中积分环节的累加计算，以减少计算机运算工作量。采用综合算法的系统，大大地改善了动态品质，特别是在大扰动情况下其过渡调节时间短，超调量小等优点就体现出来了。193.2.2仿真语言简介仿真语言简介仿真语言采用目前国际流行的软件包MATLAB，它除了具有传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、方便的Windows编程等便利工具，广泛地应用于自动控制、图形信号处理、生物医学工程、语言处理、雷达工程、信号分析、振动理论等领域，并表现出一般高级语言不可比拟的优势4849。MATLAB不同于其他高级语言，它以矩阵为运算单位，它的线性代数、矩阵计算和数值分析等功能为进行控制系统的分析与设计提供了可靠方便的支持。MATLAB是一个开放的系统，各种成熟的工具箱不断扩展并加入到系统中去。迄今为止已有30多种各类工具箱面世，内容涉及信号处理、自动控制、图像处理、经济、数学、化学等不同的领域。特别是1990年MathWorks公司为MATLAB提供了新的控制系统模型输入与仿真工具Simulink。Simulink可以很方便地创建和维护一个完整的系统模型；评估不同的算法和结构并验证系统的性能；广泛地应用于动力系统的仿真。此软件有两个明显的功能：仿真与连接，亦即可以利用鼠标在模型窗口上画出所需的控制系统模型，然后利用该软件提供的功能来对系统直接进行仿真，这种做法使得一个很复杂系统的输入变得相当的容易。3.2.3控制器仿真模型的建立控制器仿真模型的建立PID控制器的仿真模型如图3-6所示。PID控制器参数的选取通过不断调试，得到了一组初始PID参数:KI=105，KP=0.5，KD=30，如前所述，这三个参数不是恒定的，而是随着跟随误差的不同作在线调整的。3.2.4系统仿真模型的建立系统仿真模型的建立把前面创建的轿车行驶动力学模型和比例控制器模型放在同一个新建模型窗口中，进行适当的连接，就可得到完整的仿真模型。最后，采用自上而下的建模方法建立起了整个系统的仿真模型如图3-7所示。由图3-7可以看出，随着系统变得越来越大、越来越复杂，模型将越来越过于庞大而难于读懂，并且其仿真速度也将变慢。因而，本章利用Simulink的装帧技术对系统进行了精装子系统的简化处理，使得整个模型简洁、可读性强、执行效率高。所谓装帧技术是指将Simulink模型中的子系统包装成一个模块，并可以如同使用Simulink内部的模块一样使用的一种技术。其特点是在不改变系统的前提下可以更改各个子系统。简化后的系统仿真模型如图3-8所示。系统保持轿车爬坡时的匀速行驶，轿车行20驶状况受到阵风和路面起伏的影响。模型中有两个子模块：PID控制器和轿车模型子模块。通过显示器可以看出两种控制器分别作用下车速的变化情况。图3-6PID控制器的仿真模型Fig.3-6SimulationmodelofPIDcontroller图3-7汽车巡航控制系统仿真模型Fig.3-7SimulatedModelofAutomotiveCCS图3-8装帧处理的汽车巡航控制系统仿真模型21Fig.3-8ManagedsimulationmodelforautomotiveCruiseControlSystem3.3仿真结果分析设定车速为60kmh65kmh和70kmh的PID控制的仿真波形分别如图3-9、3-10、3-11所示。由图3-9、3-10、3-11可以看出，所采用的控制方法超调较小，响应时间较快，能较好地模拟真实情况。图3-9设定车速为60kmh的仿真Fig.3-9Simulationwavewithdesiredspeedof60kmh图3-10设定车速为65kmh的仿真Fig.3-10Simulationwavewithdesiredspeedof65kmh22图3-11设定车速为70kmh的仿真车速Fig.3-11Simulationwavewithdesiredspeedof70kmh3.4本章小结本章分析了坡路上行驶轿车的受力，建立了轿车的数学模型。主要利用软件MATLABSimulink建立了行驶汽车、PID控制器以及整个系统的仿真模型，详述了模型建立过程。对系统进行了仿真计算和分析。在几种不同的车速下做出了基于PID控制方法的控制曲线。仿真研究表明：该控制律能使汽车的巡航速度逐渐趋向并稳定于设定的目标值，在不同的巡航车速下均可得到良好的控制效果，从而保证汽