（光学工程专业论文）定速巡航系统的设计.pdf

摘要 随着我国科技的不断进步、汽车工业的不断发展以及高速公路如雨后春笋 般的出现，人们对汽车的安全性能以及驾驶舒适性的要求不断提高，汽车定速 巡航控制系统也相应地进入了飞速发展的阶段。目前汽车定速巡航系统已逐步 应用在不少中档甚至中低档的轿车中。虽然我国的定速巡航的技术相比国外而 言还不是很成熟，但是它却有着很好的发展前景与研究价值。 本论文的主要目的是通过自己编程以及对控制方法的选取及改进来简单 模拟当前汽车定速巡航系统的工作过程，为了能够更加直观的反映出这一工作 过程，本论文搭建了一个模拟的实验平台。在控制方法的选取上，国内的定速 巡航系统大多数是采用普通p i d 控制，本文在此基础上采用了位置式p i d 控制 算法与增量式p i d 控制算法相结合，它能够更适应汽车的行驶工况。 首先，本论文对于汽车定速巡航系统的历史以及发展过程做了简要的介绍， 对目前常用的4 类定速巡航系统做了简介，对当前定速巡航系统的基本结构以 及工作原理进行了详细的介绍，为下文的核心内容打下良好的基础。 其次，本文介绍了目前汽车定速巡航控制系统常用的三种控制方法，经过 比较后选择了p i d 控制方法。经过一系列分析与公式推导后，本文又采用了位 置式p i d 算法与增量式p i d 算法相结合最终作为本系统的控制方式。首先，本 文通过对车轮、车身的纵向方向进行受力分析，列出了动态平衡方程。其次， 利用s i m u l i n k 对汽车纵向动力学和p i d 控制进行仿真，利用装帧技术将2 个 子模块合并在一起并且进行简化。最后在s i m u l i n k 模块里调试p i d 的三个控 制参数，经过仿真后所得到波形图可以发现系统的反应时间快，超调量小，完 全符合要求，使定速巡航控制能够达到最佳效果。 最后，在对实验所需要的硬件进行了详细的介绍后本文利用m c 9 s 1 2 x s l 2 8 开发平台作为汽车定速巡航系统的核心，对于所编程序的流程进行了介绍，利 用该开发平台所附带的编程软件c o d e w a r r i o r 进行核心程序的编写，并对其中的 a d 转换模块及p w m 的初始化进行了详细的说明，而后利用硬件搭建了一个实 验平台用来调试程序以及验证所编写程序的可行性。 关键词：定速巡航；p i d 控铜 ；m c 9 s 1 2 x s l 2 8 开发平台；s i m u l i n k 仿真 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h ep r o g r e s s i n go fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to fa u t oi n d u s t r ya n dt h eh i g h w a yh a v ea p p e a r e da sm u s h r o o m sa f t e rr a i n ， p e o p l es e et h es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h ec a ra n dd r i v i n g c o m f o r ta sa ni m p o r t t h i n g ，t h ec c sh a ss t e p p e di n t oas t a g eo fr a p i dd e v e l o p m e n t n o wt h ec c s i s a p p l i e di n t om a n ym i d d l e s t a n d a r dc a r s a l t h o u g hc h i n a sc c si sn o tv e r ym a t u r e w h e nc o m p a r e dw i t ha b r o a dc c s ，i ta c t u a l l yh a sag o o dd e v e l o p m e n tp r o s p e c ta n d r e s e a r c hv a l u e t h i st h e s i sm a i n l yt h r o u g hp r o g r a m m i n ga n dt h es e l e c t i o no fc o n t r o lm e t h o dt o s i m u l a t et h ew o r k i n gp r o c e s so fc c s i no r d e rt or e s p e c tt h ew o r k i n gp r o c e s sm o r e i n t u i t i v e ，t h i st h e s i sb u i l d sas i m u l a t i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r m i nt h ec o n t r o lm e t h o do f s e l e c t i n g , m o s td o m e s t i cc c sa d o p tc o m m o np i dc o n t r o l ，t h i st h e s i sc o m b i n et h e i n c r e m e n t a lp i da l g o r i t h ma n dp o s i t i o nt y p ep i da l g o r i t h mt o g e t h e ro nt h eb a s i so f c o l l l m o np i dc o n t r 0 1 i tc a l la d a p tv e h i c l et r a v e l i n gc o n d i t i o n f i r s t l y , t h i st h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c tt h ec c sh i s t o r ya n dt h ep r o c e s so f d e v e l o p m e n t i ta l s oi n t r o d u c t st h e4c o m m o nc u r r e n tc l a s s e so fc c s t h e nt h i st h e s i s d e t a i l e d l yi n t r o d u c et h eb a s i cs t u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fc c s ，i tl a y sa g o o df o u n d a t i o no f t h en e x tc o r ec o n t e n t s e c o n d l y , t h i st h e s i si n 仃o d u c t s t h et h r e ec o m m o n l yu s e do ft h r e ec o n t r o l m e t h o do fc c s a f t e ras e r i e so fa n a l y s i sa n df o r m u l a , t h i st h e s i sc o m b i n et h e p o s i t i o nt y p ep i da l g o r i t h ma n dt h ei n c r e m e n t a lp i da l g o r i t h mt o g e t h e ra s t h e c o n t r o lm e t h o d f i r s to fa l l ，t h et h e s i sl i s tad y n a m i cb a l a n c ee q u a t i o nt h r o u g ha l o n g i t u d i n a lf o r c ea n a l y s i so fv e h i c l eb o d ya n dw h e e l s e c o n d l y , u s i n gs i m u l i n k f o rc a rl o n g i t u d i n a ld y n a m i c sa n dp i dc o n t r o lt os i m u l i n ka n db i n d i n gt e c h n o l o g yt o c o m b i n et h i st w os b u s y s t e mt o g e t h e ra n ds i m p l i f y f i n a l l yd e b u g g i n gt h ep i dt h r e e c o n t r o lp a r a m e t e r si ns i m u l i n km o d u l e ，a f t e rt h es i m u l i t a t i o nw ec a nf i n dt h e s y s t e mc a ng e tt h er e s p o n s et i m eo ft h ef a s t ，s m a l lo v e r s h o o t s ，f u l l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t st h r o u g ht h ew a v ef i g u r e ，i tc a nr e a c ht h eb e s tc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , a f t e r i n t r o d u c et h eh a r d e w a r eo ft h i st h e s i s d e t a i l y , w e u s e m c 9 s12 x s12 80 8t h ec o r eo fc c s ，t h e nd i s c u s s e st h ep r o c e d u r ef o rt h ep r o c e s si n t h i st h e s i s ，u s i n gt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fp r o g r a m m i n gs o f t w a r ec o d e w a r r i o rt o t h ew r i t et h ec o r ep r o g r a m ，a n dd e t a i l e d l yi n t r o d u c et h ea dc o n v e r s i o nm o d u l ea n d i i p w mi n i t i a l i z a t i o n ，t h e nu s i n go fh a r d w a r eb u i l tae x p e r i m e n t a lp l a t f o r mu s e dt o d e b u g g i n ga n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ew r i t t e np r o c e d u r e s k e yw o r d s ：c c s ；p i dc o n t r o l ；m c 9 s 1 2 x s l 2 8 ；d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ；s s i m u l a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 l i p1 引言 第一章绪论 随着社会的不断进步和科技的发展，人们的生活水平与生活需求也不断地 提高与增多，各家各户也随之拥有自己的私家车，然而随着汽车保有量的增加 随之带来的是我国交通事故的不断增加，每年因为车祸而伤亡的人数逐渐增加。 因此提高汽车的安全性能已经是摆在各个汽车企业以及专家的首要问题。为了 满足群众的要求，顺应当今时代的发展潮流，汽车电子化的程度也越来越高， 越来越多的电子元件被应用在汽车上。其中车辆的智能控制已经被越来越多的 企业所重视。人们需要安全性能更高、保障性能更强和更加方便的交通工具， 以适应当前时代的节奏。而汽车定速巡航系统正好满足了人们的需求和当今汽 车发展的时代趋势。 自步入2 l 世纪以来，我国的高速公路正以飞速发展着，每年都有不少新的 高速公路修建而成，人们的出行也因此变得更加方便和快捷。高速公路如雨后 春笋般的出现也给了汽车定速巡航系统以广阔的发展前景。随着科技的不断进 步，不少先进的电子产品运用在汽车以及定速巡航系统中。特别是微控制器的 发展，使得汽车电子化发展有了一个质的飞跃。使汽车更加环保，并且其它性 能指标都相应地得到了提高- 。 我国属于大陆型国家，幅员辽阔，人们的出行非常依赖汽车这种交通工具， 而随着我国各种类型公路的不断建造与发展，人们自驾车出游的机会越来越多。 众所周知，在高速公路上，变换车速的频率以及机会都比较少，绝大多数时间 都只是掌握好方向即可，但是驾驶员还是要经常用脚踩住油门，时间长了驾驶 员就会觉得劳累甚至在行车过程中会睡着。因此在这种情况下定速巡航系统就 能显示出来它自身的优越性了。 1 2 国内外现状及发展趋势 汽车定速巡航系统从2 0 世纪6 0 年代开始发展至今，其发展过程主要有4 个阶段，分别是机械控制模式、晶体管控制模式、模拟集成电路控制模式以及 武汉理工大学硕士学位论文 微机控制模式。下面将对这四种模式进行详细地说明。 ( 1 ) 国外研究现状 由于我国工业起步较晚，汽车的发展也比较缓慢，因此国外汽车的定速巡 航系统相比于国内而言起步较早。国外对于定速巡航系统的研究主要经过了3 个阶段。 第一阶段是2 0 世纪4 0 年代至7 0 年代，这一段时间内欧洲和美国出现了由 模电技术控制的的汽车巡航控制系统。例如同本t o y t o a 公司从6 0 年代起就 开始尝试着采用机械控制方式来实现汽车的定速巡航控制。而后，德国的一家 企业也在此基础上相应地开发出了利用真空原理控制的机械巡航系统。1 9 6 9 年 德国戴姆勒公司开发出了由晶体管控制的系统，并在其旗下产品上得到了良好 地运用。在汽车定速巡航系统的起步阶段，欧洲的一些企业为其发展奠定了良 好的基础。 第二阶段是7 0 年代中期至8 0 年代中后期，由于大规模集成电路以及微机 的应用，定速巡航系统的控制过程逐步由机械式转换为数字式。例如在1 9 7 4 年 美国通用汽车公司研制出了采用卫星雷达的数字控制器来控制巡航系统，该系 统可以更好的适应即时的路况，能够感知车辆与前车的距离以及两车的相对车 速并能及时地作出正确的反应。与此同时，美国m o t o r o l a 公司也研发出了 一类由微处理器( 即单片机) 来控制的定速巡航系统弘j 。其结构图如图1 1 所示。 这种附带只读存储器的1 6 位微控制器根据驾驶员设定的车速、实际车速以及车 辆所反馈的其它信号，按照程序员事先设计好的程序完成全部数据处理后产生 一个输出信号( 即p w m 信号) 来驱动电机，电机输出轴的转动来带动节气门的 开闭。不同类型的车辆的发动机最佳工况下的加减速度都是由程序人员事先设 定好的。从安全性能考虑，将巡航系统的制动控制器与节气门的操纵机构相连 接，当踩一f n 动踏板或者按下定速巡航系统的取消键的同时，电子节气门内的 直流电机的电源就断开，从而使得节气门安全关闭。 与机械式巡航系统相比，数字式巡航系统的优点是受外界环境的影响较小， 比如外界风力、空气的湿度等等，由于它们都是采用信号处理的，因此数字式 巡航系统具有更高的稳定性。汽车巡航电子控制系统采用先进的大规模的电路 集成技术做成的模块，也能够通过编程让计算机去控制。假如车辆上已经装有 其它的微处理器时，只要改变一下原来的程序便可将巡航系统的功能给附加上 去，这样做最大的好处就是能够节省掉不少电器元件成本。 2 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 摩托罗拉公司生产的控制系统框图 第三阶段是2 0 世纪从9 0 年代开始，国外一些汽车的定速巡航系统正逐步朝 着智能化的方向发展。1 9 9 0 年美国通用公司研发出了一种能够自动使汽车匀速 行驶的系统，该系统通常在车的前保险杠上装有电子雷达，这种雷达拥有调节 系统频率的功能。通过电控单元传输来的信息来判断前方汽车或者障碍物与本 车的距离，而后利用事先编好的程序利用c p u 来计算出来当前的状况，并将该信 息反馈给电控单元，电控单元再根据这些反馈信息计算出一个合适的输出量来 控制电子节气门开度的大小。之后，该企业又对这一装置进行了改进，并在凯 迪拉克轿车里装上了经过改造的汽车定速控制系统，并且对电子节气门内的各 个部分进行了优化，将探测距离的仪器安装在汽车的保险杠里面，通过塑胶装 置来检测前方所发生的信号p j 。 近些年国外不少技术人员均在研制自适应式巡航控制系统( a c c ：a d a p t i v e c r u i s ec o n t r o ls y s t e m ) ，也可以称为智能式巡航控制系统( i c c ：i n t e l l i g e n tc r u i s e c o n t r o l s y s t c r n ) 。自适应控制技术属于一种主动安全的技术，它是将以前四种巡 航控制系统的优点集合起来，在此基础上发展成为一种新技术卜j 。该系统的基本 结构有检测机构传感器、控制中心、执行器、人机合成装置、失效保险装置。 其结构示意图如图1 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2 自适应巡航控制系统结构框图 该系统将车辆巡航控制系统和汽车前向撞击报警系统( f c w s ：f o r w a r d c o l l i s i o nw a r n i n gs y s t e ：m ) 合理地结合在一起，这一系统拥有能够令汽车保持匀速 行驶的作用，又有能够使汽车避免碰撞到前方汽车的作用。当汽车行驶在较好 的路面上时( 即前后较大范围内均没有太多车辆) ，该系统就只是拥有使车速恒 定的作用，能够按照驾驶员设定的车速自动行驶；当有目标车辆行驶进雷达的 探测区间时，则该系统的另一半功能就开始发生作用，即利用安装在汽车上的 探测器来探测前方车辆与本车的距离以及相对车速，并将探测到的信号传至 e c u 中来操纵汽车的速度变化，从而使汽车与前方车辆或者障碍物一直固定在 某一相对安全的范围里面。如果前面的汽车已经行驶出了相对安全的距离内， 系统将会自动返回到原始的车速p j 。经过国外对这一系统的应用和调查，发现这 一装置可以明显地降低交通事故的发生概率，并且驾驶员的驾驶舒适性得到提 高，疲劳程度明显减少。 在上述控制系统的基础之上，国外不少科研机构正在研发一种半自主式巡 航控制系统。这种汽车巡航控制系统的优点就是能够很好地适应汽车所处的各 种工况，同时能够很好地将人工操纵和自动巡航控制系统有效结合起来。通过 实验所分析的数据可以发现该控制系统具有更高的控制精度和更可靠的安全措 施。通过各种仿真软件对该系统进行仿真并将得到的结果对人工驾驶和具有巡 航控制系统的车辆进行了对比，从研究结果能够判断，装有巡航控制系统的汽 车具有很多重要的辅助功能，这些都能够减轻驾驶员的负担，节省驾驶员的体 4 武汉理工大学硕士学位论文 力，为汽车行驶的安全性提供了良好的保障。 在当今汽车行业里，很多车辆，特别是中高档轿车把巡航控制系统设备视 为最基本的设备之一。在国外不少高档车型都装有低速巡航系统。例如美国的 道奇( c h a r g e r ) 、福特( f o r d ) 、林肯( l i n c o l n ) 、雪弗兰( c h e v r o l e t ) 等。在同 本等国家，随着电子技术的飞速发展以及高速公路的不断兴建，定速巡航系统 的使用率也在飞速增加。比如日本本f h ( h o n d a ) 、凯美瑞( c a m e r y ) 、讴歌 ( a c u r a ) 、日产( n i s s a n ) 等。欧洲的奥迪( a u d i ) 、沃尔沃( v o l v o ) 。上述这些 车里均装有该系统。 ( 2 ) 国内研究现状 由于我国的工业起步很晚，汽车发展较为缓慢，目前我国的巡航控制系统 仍处在萌芽阶段，在世界上还没有自主的知识产权产品。虽然我国现在的公路 发展很快，建设很多，但是路况与国外相比还是有着不小的差距。所以目前对 我国应用在车上的巡航控制系统主要是以定速为主。目前，该系统已经在国内 的某些企业进行研发与制造。例如：由浙江省金华市电子仪器公司生产的x d 一1 型汽车定速系统。该装置是一种将机械式与电子式结合起来控制的系统，它利 用车辆行驶时发动机飞轮旋转时产生的压力差作为动力源，而后通过发动机内 部的部分机电结构来稳定飞轮的转速，使其内部的压力差一直保持在极小的误 差内。由于这一装置可以自动控制发动机的转速与节气门的开度，因此在汽车 行驶过程中，能够至少节省5 的燃油，驾驶员在行车的过程中只需双脚平放， 无需踩踏油门，提高了驾驶员的舒适性、减轻了驾驶员的负担。虽然该巡航控 制系统结构简单，制造成本较低。但是在控制过程中的精确度以及稳定性和国 外相比都略逊一筹。 在最近几年，国内有许多科研所以及高等学府也开始对汽车定速巡航系统 展开了研究。例如，北京理工大学利用p i d 控制方法、哈尔滨工业大学建立了汽 车纵向动力学模型使的定速巡航系统的研究更为精确。但总地看来，国内的定 速控制系统相比国外而言还很不成熟1 。 1 3 巡航控制系统的发展趋势 从2 0 世纪6 0 年代末开始，国外各个厂家都将自己厂所生产的中高档轿车安 装上定速巡航控制系统，进入2 0 世纪7 0 年代末期，由于汽车电子元件越来越普 武汉理工大学硕士学位论文 遍地应用在汽车上以及各地公路、高速公路的不断发展，使得定速巡航系统又 步入了一个新的里程碑。从上个世纪9 0 年代未，包括目前不断出现的新车型， 定速巡航系统已经逐步变得成熟，系统的电路以及布线有了很大的进步，控制 部分更加快捷与精确，多路传送系统的技术变得更加成熟，故障自动报警系统 发展得更加精准。 总体看来，汽车巡航控制主要有以下几个发展方面： ( 1 ) 先进的控制方法的引进 车辆在行驶过程中的实际工况是很复杂的，它主要受到车载人员的人数、 发动机的当前状况等因素的影响。驾驶员对舒适性的要求更高了，引入新技术 的巡航控制系统在以传统的控制原理为基础，又引入不少先进的控制理论。目 前，迭代控制与自适应控制等原理已经相继地应用在汽车定速巡航系统中。 ( 2 ) 联动与复合控制 目前，国内绝大部分汽车上的定速巡航均是独立使用的，都在汽车罩单独 地使用，而目前随着汽车行业的不断发展，并且与国际接轨，汽车的各个部件 在工作过程中都需要相应地提高响应度、精确度和灵敏度。为此，需要计算机 将各个部件有机地结合起来，使得各个部件在计算机的作用下都有着各自的联 系。 ( 3 ) 智能化与小型化 目前，车用计算机都非常小，包括汽车上的各个的电子元件也是如此，这 使得汽车的质量减轻，并有逐步地在往智能化发展。 ( 4 ) 追踪与行驶控制 目前车用定速巡航系统里分别用加速、减速、恢复车速、消除等开关用来 控制巡航系统，但这种情况只适用于车流量不大的高速公路上，如果在类似城 一市的公路上，尤其是车流量密集的时候，车辆车距离通常很小并且不方便加速 和减速。为了解决这一问题，通常车辆前保险杠或者后保险杠装有探测器，通 过发射的纳米微波来探测本车辆与前方车辆或者障碍物之间的距离，目前有专 家提出车载雷达还可利用激光，以求能够达到更加迅速、准确地控制车辆，对 于此提议，国外的科研机构仍在研究之中【8 】。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文的主要内容 本论文工作主要有以下4 个方面： ( 1 ) 熟悉定速巡航系统的基本构成、工作原理、并设定总体方案。 ( 2 ) 设计出定速巡航系统的主要程序，并通过调试能够使其运行。 ( 3 ) 建立汽车动力仿真模型，利用p i d 控制并且利用s i m u l i n k 进行仿真。 ( 4 ) 搭建试验平台，调试所编的程序并且运行程序证明所编程序的可行性。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章巡航控制系统的组成和工作原理 2 1 巡航控制系统简介 汽车巡航控制系统( c r u i s ec o n t r o ls y s t e m 又称c c s ) ，根据其特点又被称 为巡航行驶装置、速度控制装置、智能驾驶系统等。目前，汽车巡航系统主要 分为巡航控制和自适应控制两大类，后者是前者的衍生产物。 汽车巡航系统相对于其它电控单元属于较早开发的系统之一，其主要作用 是：当按下巡航系统的控制开关，启动巡航控制机构，汽车在行驶过程中，驾 驶员只需要手握方向盘而不用踩着加速踏板也能够达到自由控制车速的目的。 在这一过程中，随着外界干扰因素的不断改变，比如道路坡度和空气的阻力， 车辆也会自动地变换档位及改变车速的大小，使得发动机与汽牟均在最佳工况 下工作【9 】o 根据记载，最早的巡航控制系统是在飞机上使用的，当这一系统在飞机上 显示出它的巨大优越性时，上个世纪5 0 年代各个汽车厂家也开始尝试着将巡航 控制系统应用在汽车上并且得到了用户的广泛好评。目前在美、日、法、德等 国家普及很快，尤其是随着近些年高速路的不断发展和增多，汽车定速巡航系 统更有了它更加广泛发挥空间，尤其是对于大陆型国家，定速巡航系统显得尤 为重要。 汽车定速巡航系统的基本功能： ( 1 ) 车速设定功能 当车辆在行驶过程中，假如路况好，行人和车流都很少的情况下，适合车 辆的匀速行驶，这时驾驶员可以设置一个固定的速度值，这样就不用踩下节气 门和不断地换档，车辆可以一直匀速行驶。 ( 2 ) 恢复功能 当路况发生改变时，司机可以根据道路的情况以及自己本身的需求来改变 设定车速的值，这样汽车将会很快以另一个恒定车速来行驶 ( 3 ) 取消功能 当驾驶员踩下制动踏板或者按下取消按钮时时，汽车会立即退出“巡航”状 武汉理工大学硕士学位论文 态。 故障保险功能： ( 1 ) 消除低速 当车速小于一个数值时( 一般为4 0 k m h ) ，巡航控制系统将处于停止工作的 状态，先前设定的车速消失并且无法恢复。 ( 2 ) 开关消除功能 除开驾驶员踩下制动踏板时能够取消巡航控制，当按下巡航取消按钮时离 合器控制开关或者变速器档位开关时，车辆都将会退出巡航控制系统 10 1 。 综合汽车巡航系统的控制系统和作用，可以总结出以下几个优点： ( 1 ) 提高汽车行驶的稳定性、安全性和舒适性 定速巡航系统保证了无论汽车在任何路况或者风速的变化下行驶。只要在 发动机所允许的功率范围内，均可以保持恒速。这种优点在郊外和高速公路上 显现的尤为突出。此时，驾驶员只需要控制住汽车的行驶方向，掌握好方向盘 就可以使汽车稳定地行驶。这样驾驶员在驾车的过程中可以减轻体力消耗，能 够更好地集中注意力来注意周围发生的情况。 ( 2 ) 减少磨损，延长寿命 当汽车匀速行驶时整个汽车所受合力为0 ，因此内部元件的相互摩擦较少， 所以能够增加汽车的寿命。 ( 3 ) 环保型与经济性 同一车辆在相同路况以及外界环境下，美国专家做了一项实验，装有巡航 控制系统的汽车能够降低1 5 左右的能源，因为当汽车匀速行驶后，汽车各个部 件均处在一个最佳的工况，这样可以降低c o 、c h 、氮氧化物等有害气体排放， 使得汽车更加环保【11 1 。 2 2 巡航控制系统的原理及结构组成 在巡航控制系统里，各个传感器随时感应着外界环境以及路况变化来向 e c u 传输当前信号并且计算出控制量来调节节气门开度以及车辆上其它部件的 运行，最终达到汽车匀速行驶的目的，其结构及工作过程如图2 1 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 电子巡航系统的基本原理框图 巡航控制系统主要有控制开关、传感器、电控单元以及执行器组成。其构 造与零部件布置如图2 2 所示。 从熔断嚣扳来的屯语 图2 - 2 电子巡航系统的构成 汽车巡航系统的各部分结构与工作原理分述如下： ( 1 ) 巡航控制开关 巡航控制开关主要由巡航开关、制动开关、离合器开关等组成。 巡航开关是用来控制巡航系统工作与关闭的，它一般安装在转向机构或控 制信号灯的手柄上。按键主要有“接通( o n ) ”、“设置加速( s e t a c c ) ”、“恢 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 复减速( r e s d e c ) ”和“取消( c a n c l e ) ”构成。当开关调节到“接通”位置时， 巡航系统立即工作。如果按下“设置力口速”时，车辆的速度就开始增加一个固定 值( 一般为1 0 k i n h ) ，比如按5 下按钮时，车速就增加5 0 k m h ，系统就按照此 时的车速值使车辆恒速行驶。当按下恢复减速”时，相反，每按一下时，汽车的 车速就会减小一个固定值。当驾驶员按下“取消”开关时，巡航系统关闭，将不再 具有巡航定速功能引。 ( 2 ) 传感器 巡航控制系统的传感器分为2 类：节气门角度传感器和车速传感器，该系 统的作用是向巡航系统的e c u 提供节气门当前的位置信息以及当前的车速信 号。 目前，绝大多数汽车上的速度传感器均与车速里程表所附带的驱动机构相 连接，也有的与汽车变速器以及发动机电控系统共用一个车速传感器。如果汽 车装的是电子式的车速表，它提供给车速传感器的信号可以直接当作系统的反 馈信号，因此就不用再另外安装传感器了。因为车速与变速器轴的转速成一种 线性关系，因此汽车巡航控制系统的车速传感器一般都安装在变速器的输出轴 上。一般，车速传感器通常分为三种，光电传感器、霍尔感应传感器、以及电 磁阻传感器。选择这三类传感器是主要依靠这一点，即车速传感器的响应频率 必须要远远高于整个系统的响应频率，以免对汽车的行驶产生很大的影响。 节气门位置传感器的作用是将节气门开度信号传给e c u 。节气门位置传感 器一般与汽车的其它电子元件共同使用，也可以单独使用。 ( 3 ) 巡航电控单元( e c u ) 巡航控制单元是整个系统的核心，它的作用是接收各种信号，e c u 经过一 系列计算后，转变成输出信号，来操纵节气门的开度大小，使得汽车保持匀速。 1 ) 模拟式电子控制器 在早期的巡航控制系统中，控制器绝大部分都采用模电技术，如图2 3 所示 该图所示的是由四个运算放大器组成的。 图中4 个放大器都起着各自重要的作用，放大器1 接受当前的车速和驾驶 员所设定的车速两个信号，e c u 经过计算这两个信号的差并且放大后开始传递， 其传递路线是放大器l 至线性放大器2 和3 中：线性放大器2 是一个放大倍数 为k 。一r ，r 的放大器，因为电阻r 。的大小是可以控制的，因此该装置的倍数 是能够调节的；放大器3 是一个带有积分性能的放大器，其放大倍数为 武汉理工大学硕士学位论文 k 。= i r ，c ，由于r ，是可变电阻，因此积分系数k ，是可调的；每当放大器4 产生 一个电压信号v s 时，v 必须先通过转换器转换成为脉冲信号( 即p w m 信号) 才能作为控制节气门开度大小的信号，故而在该系统中安装一个转换器，将转 换器的输出信号直接转换为能够节气门开启的电磁线圈【13 1 。 运算放大墨l 运簋放大墨2 兰二_ 、一系统断开开关 、= = 7 - 7 v # 、 指令速度一- i 夕? v p c | 。一运算放大器t ；龟 ”础 r 一一 = _ ! _ 一=- ；墨；l 4 0 一、 二 ：融j 矗大器3 粤巽鬟菇信脉j q l 信号输出 。运算敲大器3 喜藉器赫一譬冲信昙兰出 = = ： ! ! 来自车速佶岳嚣的信号 至油门执行墨 图2 - 3 模电式控制器原理图 图2 - 3 中，指令开关s 。由驾驶员操控，用来选定目标车速，它通过采样和维 持电路所产生的信号并对车速进行采集让e c u 对驾驶员所设定的车速采样并且 记忆下来；开关s ，是用来取消定速巡航控制的开关，当发动机熄火，拉动驻车 手刹、踩下刹车踏板、离合器踏板及换挡时巡航系统停止工作。当s 闭合时， 开关s ，与s 。一起闭合。 2 ) 数字式电控器 进入2 1 世纪8 0 年代后，德国、意大利的巡航系统逐步转换为数字控制器， 图2 - 4 表示的是一种微处理器控制的巡航系统。 1 2 一 号一 冀 至 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 数字式微处理器的结构框图 在该系统中，整个装置的控制原理和模拟电路控制的原理相似，但是所有 信号( 包括输入以及输出) 均已变为数字式的。带有只读存储器的8 位微处理 器( m c u ) 根据汽车各个电器元件所反馈回来的各种信号，此时e c u 按照程序 员事先设定好的程序完成所有数据处理后给电子节气门内的直流电机以一个驱 动信号来操纵节气门开度的大小。每种车型在行驶过程中的最佳工况都由程序 员事先设定好的。从汽车安全性能来看，将制动开关与节气门的机械机构连接， 当驾驶员踩踏刹车踏板或者按下巡航控制系统的取消开关时，此时整个装置就 停止了工作，节气门内的直流电机停止工作，使得节气门完全关闭，并进入由 r11 。 驾驶员踩下加速踏板来控制的状态u 叫。 与模电技术相比，数字电路的突出特点就是所有的控制信号以及输出输入 信号均由数字量来表示，因为数字信号受到外界的干扰很小，从而使得汽车行 驶更加安全。汽车巡航控制系统可采用模电技术与电路集成技术来做成模块， 这一系统也可以通过编程来实现。特别是汽车上的控制系统已经装有微处理器 时，此时只需要修改或者添加新的程序就可以将新的功能添加上去，这样做可 以大量节省成本以及劳动量。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 执行机构 执行机构也被成为伺服器，其核心作用是接收e c u 通过各种计算与处理后 传递给巡航系统的控制信号，利用直流减速电机或利用真空原理来控制拉盘， 从而来操纵节气门的开度，使车辆车速发生变化。执行机构一般分为电动式和 气动式2 种 1s 1 。 电动式执行器主要由直流电机、电磁离合机构和节气门位置传感器构成， 其结构如图2 5 所示。 鐾碧器晷箱7 ：= 一- j 7 ；节气_ 。t j 二空气藏量计 进气装管 。 一芏、矗堇丌 卑寥一 ， 。 ! 控割臂 电位计 l ，j j - 叼r | 节气巴。7 被覆一l 謇三电机： ， “ i 世一l l 回萼、7 i ；毒j - l 。mji 芦气门管：z 生塑耋兰。：l 一一一二竺! 竺匕= _ j 雩多回誓烹加麟板 1 o 图2 。5 电动式执行机构图 该机构中的电动机采用直流式永磁电机，该系统的基本工作原理是通过改 变电机的电流方向来改变电机输出轴的转动方向进而改变节气门的的转动方 向。电动机的轴转动可以带动节气门控制臂的转动，控制臂通过控制拉锁来改 变节气门开度。为调节控制臂转动角度，电动机在电路的设计过程中装有开关 并且在电动机与控制臂之间装有安全电磁离合器。当巡航控制系统启动时，安 全电磁离合器相互接和，此时电动机可以根据所传递的输出信号来使节气门的 开度发生改变；如果在汽车行驶过程中电子节气门发生故障，安全电磁离合器 立刻分离。在电动执行机构中还装有节气门位置传感器，它是由一个滑动变阻 器构成的电位计，用来检测执行机构的控制臂所处的位置，以表达出节气门开 度的大小并将所感应的信号输入至巡航控制的e c u 中。 2 ) 气动执行器 气动方式里系统绝大多数采用进气管内外的压力差来控制气动活塞。气动 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 执行器基本结构图如图2 - 6 所示。 执行器的活塞连杆机构与电子节气门的拉杆相连，当活塞处于静止状态时， 弹簧会一直顶着节气门使其关闭。当机构产生一个输入信号令电磁线圈通电， 产生电磁力使得弹簧的力变小，活塞缸与进气管互相连接。由于进气管处在真 空状态，所以机构内的气压减小，该装置内的活塞连杆操纵节气门的控制臂， 拉杆在控制臂的作用下向左移动从而使节气门平稳地开启。作用在启动活塞上 的力随着气缸内的大气压的变化而变化，而气缸中平均压力的大小与通断压力 阀有关。执行器的所产生的信号是脉冲信号。当电压大时，电磁阀处在通电状 态：当电压小时，电磁阀处在断电状态l l o j 。 压力控制固汽缸活塞莲秆下气门拉秆 电磁铁闽弹簧 i 曩。 电磁线圈0 ： ! l 。 妇+ 2 3 本章小结 图2 - 6 气动式节气门执行器结构图 本章对汽车巡航系统的结构及功能进行了简要的介绍，通过一种实例阐述 了巡航控制系统的控制原理。另外，本章还对巡航系统的各个部件进行了介绍， 对其每一部分的功能也进行了详细地说明。 1 5 ，一， ，ln| 一等一 龄 熄 靴 驮 武汉理工大学硕士学位论文 第三章巡航控制系统的仿真设计 m a t l a b 是m a t r i xl a b o r a t o r y 的缩写，1 9 8 4 年由美国m a mw o r k s 公司进 行设计并且开始在市场上进行推广，由于m a t l a b 是以矩阵做为基本编程单元， 在m a t l a b 的各个模块里均提供了很多类型的矩阵操作与运算，因此m a t l a b 在早期主要用于解决复杂矩阵的以及向量等各种运算。并且m a t l a b 中还拥有 强大的绘图功能，很多专家在自己所熟悉的领域中编写了不少具有专业性的 m a t l a b 工具包，主要有系统控制工具包；系统识别工具箱；信号采集与处理 工具包；鲁棒工具包；最优化系统工具包等等。 m a t l a b 已经经历2 0 多年的发展，现已集成数据处理、信号处理、科学计 算于一身，是一个高度集中的软件，它已经成为国际上最炙手可热的应用软件 之一。m a t l a b 具有功能强大、语言通俗易懂、界面亲和友善、开放性很强等 特点。这些特点使它其各种应用中( 如线性代数、数值计算及处理和随机信号、 图像的分析) 。此外，m a t l a b 中在系统设计、过程控制、建模和优化中也有 着很广泛的作用。 m a t l a b 系统强大的功能是根据其核心内容( 系统语言、开发环境、绘图 系统、数学函数库、应用程序接口等) 和辅助工具箱( 符号计算、图像处理、 优化、统计和控制等工具箱) 两大部分组成。目前所使用的版本都是m a t l a b 7 ， 而本论文也采用m a t l a b 7 对系统进行仿真u 。 建模仿真可视化功能是m a t l a b 的五大通用功能之一，它是在m a t l a b 内部环境下来对动态系统进行建模、仿真和综合分析的软件包，它可以处理的 系统包括：线性系统和非线性系统；连续和离散时间模型或者是两者的混合系 统；单任务、多任务离散时间系统；并且系统还可以是多采样的，比如系统的 不同部分拥有不同的采样率，它的存在使得m a t l a b 的功能得到进一步的进 展。s i m u l i n k 中有丰富的系统模型，用户只要在模型库的窗口上调出来各个 控制环节，并且用线连接起来，就可以利用m a t l a b 里面的功能对系统进行仿真 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 与分析。这种框图式的建模方法可以将一个很复杂的数学模型输入到计算机中 以大大地简化编程过程。 关于建模这一块，s i m u l i n k 提供了一个图形化的建模界面，只要用鼠标点 住左键即可拖动任何图块以构建仿真模型。它的外表以方框形式呈现，并且采 用分层结构。从建模的角度来讲，这种模型既适合正向的设计流程，又适合逆 向的设计流程。从分析的角度来讲，这种模型不仅能让用户更直观地了解到动 态程序的每一步的细节，而且能让用户清晰地了解到每一个模块之间的关联， 掌握各个部分之间的交互影响引。 3 2 巡航控制系统方案的选择 为了满足巡航控制系统的要求，控制方法的选取，成为一个不可忽略的问 题。目前用于汽车定速巡航系统的方案主要有p i d 控制、自适应控制、迭代学 习控制等，它们都有着各自的特点。 3 2 1p i d 控制 p i d 控制即比例控制、积分控制、微分控制，这3 中控制的特点如下： ( 1 ) 比例控制的特点 当系统运行时，比例控制器就会立即产生作用，使得被控制的对象朝着误 差减小方向来发能展，控制作用的强弱程度取决于所设定的比例系数k p 的大小。 缺点是对于具有能够自动调节平衡( 即系统阶跃响应终值为有限值) 的控制对 象存在着静差。随着k p 的逐渐增大，的确可以缩小误差，但是如果k p 被设置 的过大的话，会导致系统的超调增大，使得系统本身具有动态平衡被破坏。 ( 2 ) 积分控制的特点 一一 该控制能够对系统所产生的误差进行存储并且积分，有利于消除系统的静 态误差。不足之处在于它具有很强的延时特点，如果积分作用太强，这会导致 被控对象的控制精度降低，以导致系统在闭环控制下变得不够稳定。 ( 3 ) 微分控制的特点 通过系统所产生的误差进行微分，通过系统所感觉出来的被控对象将要产 生的误差趋势，增大微分控制作用可以加快系统的反应速度，使得超调量逐渐 减小。缺点是对某些干扰元素的干扰过于敏感，使得系统抗干扰能力降低【l 州。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 在汽车的行驶过程中，驾驶员首先设定一个车速，与此同时，车速传感器 所感应的车速信号同时也传递给e c u ，在实际情况中汽车当前的车速与设定车 速必定存在一个偏差( 设定为a v ) ，此时控制器中的比例控制部分就开始产生 作用，它根据e c u 所计算出来的偏差量的大小经过对比和分析后输出一个恰当 的控制量用来控制节气门的开度，使得车速逐渐趋近于驾驶员事先所设置的车 速值。 由于偏差的无限存在，控制器的积分部分就把这些偏差存储起来以提高控 制量来消灭系统所产生的偏差，使得车速保持恒定，同时微分部分则起着预估 作用，当a v 0 时，表示偏差j 下逐步增大，此时应该增加控制量，当a v 0 时， 表示偏差正在逐步缩小，此时应该减小控制量，以避免当v 趋近于0 时又反方 向发展而引起的震荡弘训。 p i d 控制具有结构简单，参数设定方便等优点，在很多场合下都能获得令