（电力电子与电力传动专业论文）基于pic16f873的汽车巡航控制系统的仿真与设计.pdf

哈血；滨理t 人学下学坝1 。学位论史 s i m u l a t i o na n a l y s i sa n dd e s i g no fa u t o m o t i v e c r u i s ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np i c l 6 f 8 7 3 a b s t r a c t w i t ht h es t e a d yi n c r e a s eo fe c o n o m ya n dr a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e i n d u s t r yi n o u rc o u n t r y ，v e h i c l e c o n s u m p t i o nb e c o m e sp o p u l a r s e c u r i t ya n d c o m f o r to fd r i v i n gb e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt op e o p l e ，c r u i s ec o n t r o l j u s tm e e t st h ed e m a n d m a n ye n g i n e e r sh a v ed e v e l o p e dc r u i s ec o n t r o ls y s t e m ， b u tt h ep r i c ei su n a f f o r d a b l et om o s tp e o p l e t h ep a p e ri n t r o d u c e sak i n do f s c h e m ew i t hs i m p l ec i r c u i ta n dl o wp r i c ew h i c hh a sap r o m i s i n gp r o s p e c to f a p p l i c a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fc c sa n dd e f i n i n gi n p u ts i g n a l sa n d o u t p u ts i g n a l s ，ak i n do fc l o s e - l o o p e dc o n t r o ls c h e m ei sb r o u g h tf o r w a r d t h e i n p u ti st h ee r r o ro ft h es p e e da n dt h eo u t p u ti sa c t u a ls p e e d a n yf a u l t so f c o m p u t e rc a nc a u s eg r e a tc h a n g e so fe x e c u t o ra n di n c r e a s eb u r d e no fc o m p u t e r b ya d o p t i n gp o s i t i o n a lp i d d i f f e r e n t i a lp a r to fi n c r e m e n t a lp 1 dc a nh a r d l ya v o i d h i g hf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ew h i c hm a k e st h es y s t e mu n s t a b l e o b v i o u s l y ，u s i n g e i t h e rp o s i t i o n a lp i do ri n c r e m e n t a lp i dc a n tm e e tt h ed e m a n d t h e r e f o r e ， p o s i t i o n a lp i dc o n t r o l l e ra n di n c r e m e n t a lp i dm e t h o dc o n t r o l l e ra r ei n t e g r a t e dt o s o l v et h ep r o b l e m t h ea u t o m o b i l ec r u i s ec o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n w i t ha b o v ec o n t r o l l i n gm e t h o d s i m u l a t i o nm o d e lo fs y s t e mi se s t a b l i s h e da n d p r o c e s so fd e s i g ni sb r i e f l ye x p l a i n e d r e s u l t s o fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e c o n t r o l l i n gs t r a t e g yi sf e a s i b l ea n di tw o u l ds i m u l a t et h et r u es y s t e me x a c t l y c r u i s ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np i ci sd e s i g n e d t h ep r a c t i c a lc i r c u i ti s e x p l a i n e d s e v e r a lg r o u p so fs p e e da n dt h r o t t l ea n g l ea r er e c o r d e d r e s u l t so f e x p e r i m e n ts h o wt h a tt h es y s t e mh a sl i u l ed y n a m i c se x c e s s ，s h o r tr e s p o n s et i m e a n dt h em e t h o da d o p t e di ss i m p l ea n df e a s i b l e k e y w o r d sc r u i s ec o n t r o l ；p 1 dc o n t r o l ；p i cm c u ；s i m u l a t i o nr e s e a r c h i i 哈血；滨理e 人学下学坝1 。学位论史 1 1 课题的目的和意义 第1 章绪论 为了加快我困汽车i , i k 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c c s ，即“c r u i s ec o n t r o ls y s t e m ”。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，该系统通过自动凋整节气门丌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 保持车速稳定无沧是上坡、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，车速均叮保持匀速行驶。 2 可提高驾驶时的舒适性和安全性这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，义减少排 气污染。 随着我国高速公路网的迅速扩人和延伸，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 从总体上来说，国外汽车巡航控制系统的发展大体经力了i 个阶段： 第。阶段是5 0 年代至7 0 年代中期，这一时期美国和只本相继出现了以模 拟电路为基础的汽车巡航控制系统。例如，f 1 本丰阳公司从1 9 6 5 年起就开始 哈血；滨理t 人学下学坝1 。学位论史 在车上装用机械式巡航控制系统。之后，德国的v d o 公卅也研制出了气动机 械式巡航控制系统。而1 9 6 8 年德国奔驰公司开发了晶体管控制的巡航摔制系 统，并住莫克利汽车卜装用。 第二阶段是7 0 年代中后期至8 0 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摔制系统。例如：1 9 7 4 年美国鲁卡斯汽车研究中心研究 m 了性能完善的运片j 卫提雷达的数字控制器控制的车速，车距控制系统，浚系 统町以更好地适应路面状况的变化。r 本h i n o ( r 野) 公司于1 9 8 5 年投放市场 一种基十燃油经济性的车速控制系统，其控制框图如图1 - l 所示，其控制部分 是皋丁数字式的微控制器。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”l ，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( m c u ) 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，每种车型的最传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， 在断丌巡航控制的同时，将执行器的动力源断丌，从而使节气门安全关闭。 罔1 1h i n o 公司研制的经济型乍速控制系统框蚓 f i g i - ie c o n o m i c a ls p e e dc o n t r o ls y s t e mo f h i n oc o 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 制器采片j 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i 二其它系统已有微机控制时，只要修改一下程序便可将此功 能附加卜，去，因而町节省昂贵的控制硬件。 从9 0 年代丌始，国外又丌始发展以智能化为核心的汽车巡航控制系统 哈尔滨理1 2 人学下学坝1 。学位论史 ( a c c ) l ”和以定距离控制为主的自适应巡航控制系统”“5 l 。 1 9 9 0 年美固鲁卡斯公司研制出种自动恒速智能控制系统，该系统采用了 连续调频波雷达“，通过雷达来探测前方车辆护e 车的距离1 ，通过处理单 元计算出相对车速与距离”“，并将该信息提供给电控单元，通过执行器控制 节气门与制动器来控制车速。之后，该公司又针对暴露的问题加以改进，在美 洲虎牌轿车安装了新的自动担速控制系统，并对控制节气门与制动器的执行机 构作了改进，微波雷达安装在前保险杠内，通过塑料车牌照发射微波探测信 号。 目前国外很多专家都在研究自适应巡航控制系统“。“l 。这种巡航控制系 统主要山测速装置、转向角传感器、车速传感器、车速转向传感器、制动 e c u 、转矩e c u 和发动机e c u 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，a c c 将自动恢复原先的车速，如果前方车辆减速，a c c 便操纵制动器来维持一定的时问问隔，从而避免了汽车的追尾。 国外很多专家丌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级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”1 。综合利用仿真、分析和实验结果对人l ：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( b u i c k ) 、凯迪拉克( c a d i l a c ) 、协和( c o n c o r d ) 、纽约 人( n e wy o r k e r ) 、克莱斯勒( c m c ) 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h 本争冠 ( c r o w n ) 、佳美( c a m r y ) 、凌志( l e x u s ) 等。欧洲的奔驰( b e n z ) 、宝马 ( b m w ) p a 及我国的红旗轿车等均装有巡航控制系统。 由于园内汽车起步较晚，技术相对落后，并且就目盼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1 m 。 目的，模拟汽车恒速控制器在我国已经投入生，“和使用。例如：由江苏省仪征 式巡航设备厂牛，“的x d 一1 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7 l - 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，使驾驶员在驾驶时彳i 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 置虽然结构简孽，却有控制精度不高，稳定性小强等特点。 国内也丌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 p i d 控制剥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牟速时的控制要求。由清华大学土俊敏等研制 的汽车数字式巡航控制系统“，采用了变参数的比例一积分( p i ) 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问的偏差大小，通过查 表来凋整参数”“”“。这控制方法的缺点是：每一组特定的p i d 参数都足对 应f 某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”。 哈尔滨工、i p 人学建立了基于一汽捷达轿车的汽车纵向动力学模型“”“， 提出了一种基于先验知识控制规则的p i d 参数自适应校萨器”。”】，它在传统分 析方法整定出的一组确定的参数基础上，依据p 1 d 参数对控制系统性能影响的 先验知识，以洪差为控制过程中不同时刻的状态特征”“，按照一定规则对p i d 参数作在线的动态校丁f ”，使得在不同巡航车速下的控制参数最优”。但 只是作了仿真，没有硬件设计。 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稗”。驾驶员驾驶汽车时，根 据目标车速与实际车速之f 1 _ i j 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日标车速j 。模仿这一过程的模糊控制原 理如图1 2 所示。用r 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蛹数形状的 确定足一项费力的工作：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。面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，使得控制效果尽町能理想。 1 2 2 巡航控制系统的发展趋势 汽车巡航控制自7 0 年代起各大汽车家都争相研制并装在较高级的轿车 上，到了8 0 年代中木期，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，使得它史加完善。到本世纪未起以及目前展h 的2 1 世纪汽车，浚 系统真町谓f 1 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r 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4 0 k m h 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m ，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。 堕查兰警叉怕丽h 确两规则h 而酬i 蕊盥轳驾 下1 1 实随! 笙壅垦堕 图1 2 汽下巡航模糊控制原理幽 f i g 1 - 2p r i n c i p l eo f f u z z yc o n t r o lf o ra u t o m o b i l ec r u i s es y s t e m 1 3 巡航控制研究的热点问墨 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“。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，坡道韵阻力就越 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一比， 由于汽车行驶过程中风速的人小和方向不断变化。并且车速越大j x l 阻也越大， 巡航行驶时风阻便足 个不能忽略的凶素，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。 哈血；滨理t 人学下学坝1 。学位论史 不但如此，由于巡航控制系统是 作在汽车上，而使用汽车的自然环境地 区条件是干差万别的，有时两地的条件差异特别大，所以又必须考虑一卜巡航 的特殊j 一作环境。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什：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摔 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。爿能设计出具有较高控制精度的应用系统。 1 4 课厦的来源及研究内容 本课题是哈尔滨市后备学科带头人基会项目，项目编号足： 2 0 0 3 a f x x j 0 0 2 。本汽牟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。 鉴于日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 以轿牟为对象，分析汽车行驶过程中受到的各种外力在合理假设的前提f 建 立起汽车动力学模型。 3 控制方法的分析与确定。出于汽车、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警控制参数，使控制效果保持最佳。 4 利用软件m a t l a b s i m u l i n k 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 通过实验验证巡航控制系统设计的合理性、可靠性、抗干扰性等。 第2 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 汽车电予巡航控制系统主要由巡航控制丌关、车速传感器、电子控制装 置、车速控制”关、执行器等组成。其结构如图2 1 所示。 幽2 - 1 巡航控制系统的构成 f i g ，2 - 1c o n f i g u r a t i o no f c c s 现将其各部分的结构与工作原理分别介绍： 1 主控开关 主控丌笑一般是杆式丌关，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丌关内，大多数指令j r 关有 三个档位：设置巡航( s e t c o a s t ) 、取消( c a n c e l ) 和复位加速( r e s a c c l 档。该丌关处于“设置巡航”档位时，只要按卜按钮，i ：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d l i 速”档用j 二制 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e c u 流 出，经过不同阻值的电阻搭铁，从而给e c u 提供不同的电压，e c u 根据接受 的电压信号町判定被操作的丌关位置。 2 空档启动开关用于向巡航控制e c u 传送空气启动开关接通信号f 即变 速器操纵杆处于空梢位置的信号) ，以使汽车立即退出巡航控制状念。 3 制动灯开关用于向巡航控制e c u 传送制动灯开关接通信号( 即驾驶员 踩卜i 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罩程表相连接。如果车速氍程表 是电子式的，车速传感器传出的信号町直接作为巡航控制系统的反馈信号，因 哈a ；滨理_ r 人学i 学帧1 。学位论史 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般安 装在变速器的输出轴卜，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e c u 。 图2 2 巡航控制操纵手柄 f i g 2 - 2t h eo p e r a t i o n a lh a n d l eo f c r u i s ec o n t r o l 5 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e c u 。 6 巡航控制e c u 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，电了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，每个放火器都有特定的作 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 f 比，误差信号魄用作运算放大器2 和3 的输入，运算放大器2 是一个放大 倍数为k p 的线性放大器，由于rj 是可变电阻，风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： k ，= 烁r ， ( 2 - 1 ) 儿3 v 因飓为可变电阻，凶而局亦可调节。 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 将电压信号弭和u ，十e 1 ) j n 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f 确的极件。运算放大器4 产生一个模拟电压输出玩，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 )， 。了_ - 上 = 雾 一 厂i l 垮 哈血；滨理t 人学下学坝1 ：g e 位论史 电压信号的转换器，转换器的输出u c 直接驱动执行器。指令”关s i 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u ，表 示山驾驶员选定的指令车速信号，经采样后向电容c ，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，该运算放人器向误差信号放大器输 _ | 一 个井旨令车速成正比的电压信号，接受来自车速传感器、巡航控制丌关、 制动丌关等的信号，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。 厂磊i 及保蔓坐! 登 l 持电：各_ 运算放大器l 一 - 一遥舁胍天器i 指佥j j 枣 、 、卜， l _ j j i l 6 7 l 来白午速传感 i 。器的信号 ： 哈血；滨理t 人学下学坝1 。学位论史 下程序便可将此功能附加上去，因而_ n j 节省其控制硬件。 7 执行器执干j 二器义称伺服器，其作用是接受巡航控制单元e c u 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，浚拉线与 油门拉线并联，用丁调整节气门的丌度，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。f 面分别作以介绍： 1 1 电动式执行器电动式执行器结构如图2 5 所示。 脉动阻尼箱 进气岐管 节气门臂 同簧， 镦。 节气门琶一j 7 弋： 川簧、， 磁? ? 、芝t 空气流量计 图2 - 5 电动式执行器结构图 f i g 2 - 5t h es t r u c t u r eo f e l e c t r o m o t o re x e c u t o r 电动式执行器乇要由电动机、安全电磁离合器和位置传感器组成。电动机 采用甑流永磁式电动机，通过改变电动机中电流方向即可改变节门转动方 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l u j 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 机旋转町使节气门开度改变；若在巡航控制行驶阶段执行器或车速传感器发生 故障，安令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 信号输入巡航控甫i i e c u 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g l j e c u 的端了上，在e c u 内部搭铁时，电磁阀起 哈血；滨理t 人学下学坝1 。学位论史 作用。真空电磁阀内部有一个真空管接头，通过根橡皮管与进气歧管相连。 在膜片的中问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fj 丌度增大，并口j 保持固定位置不 动。如果空气电磁阀打丌，则由于膜片弹簧的弹力，使柑气门拉索放松，节气 门丌度减小。 磁阀 磁阀 磁阀 幽2 - 6 真空式执行器绡构框幽 f i g 2 - 6t h es t r u c t u r eo f v a c u u me x e c u t o r 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 空电磁阀保持灭闭，空气电磁阀打丌，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e c u 内部搭铁而构成回 路，真宅电磁阀打丌，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，通过拉索使节气门丌度增人，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 斟断路，又恢复为打丌状态，此时卒气进入密封圆筒，膜片弹簧把膜片压回原 位，节气门，f ：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摔制系统小同之处，是它用电子控制系 统柬设定和维持所选择的速度。电予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： 哈血；滨理t 人学下学坝1 。学位论史 1 一般在行驶速度达到4 0 k m h 时系统丌始r ：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2 k m h 的波动范围 内。 4 在汽车动力允许的情况卜- ，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萨， 具有更大的控制力。真空伺服装置j l = | 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 3 k m l l 的稳定增量变化。机电式系统虽有相同的性质，但增量为 2 k m h 5 k m h 。 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 如果设肓! ，| ：关、恢复丌关、制动器或离合器丌关、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。 2 2 巡航控制系统的工作原理 图2 - 8 足一种典型的闭环汽车电子巡航控制系统原理方框图。由圈2 罐可 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，e c u 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、 处理后成为仃气门控制信号，送至节气门执行器，驱动节气门执行器工作，调 节发动机节气门丌度，以修f 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。 ! 竺竺堡些三垒兰三兰竺! ：兰堡篁兰 伺服膜盒 圈2 7 真空式巡航器的原理幽 f i g 2 - 7p r i n c i p l eo f v a c u u me x e c u t o r 幽2 - 8 巡航控制系统基本原理框幽 f i g2 - 8b a s i cp r i n c i p l eb l o c ks c h e m eo f c c s 通常将汽车在平坦路面上行驶时车速与节气门丌度的关系存储在巡航控制 系统e c u 的r o m 中。汽车在平坦、上坡与下坡路向上行驶时的车速与节气fj 丌度的关系如图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。e c u 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v 。时，按下设定丌关进入巡航控制的自动行驶状态，系统控制节气门 开度n o 点时，一旦遇到爬坡时，则行驶阻力增加，如小进行调节控制，车速 就会降到v 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，使丌度从o 点变为a 点，相应的车速稳定在v n 点，重新取得动力平衡。当 磊鞑 哈血；滨理t 人学下学坝1 。学位论史 i i 至1 - f 蝴, ，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 的丌度由o 点变到b 点，使车速保持在v b 点取得平衡。因此，即使行驶阻力发 生变化，车速也只在v a 和v b 之问的小范围内变化，达到稳定行驶的目的。若 使控制线旱现乖直状态，则车速的波动( 控制误差) 减小到零。当车速在 4 0 k m h 以下、1 0 0 k m h 以卜- 时，巡航系统不工作。 廿 气 fj 开 度 - 鞠i 山碰 制线、上坡 ， 、7， 一7 j 。 ， 7 7 ： 7i j ， 7 。 o 平路 v 1v sv o v b 车速 剀2 - 9 车速! ，协气fj 开度的关系 f i g 2 - 9t h er e l a t i o nb e t w e e nc a r ss p e e da n dt h r o l l e 。so p e n i n gd e g r e e 2 3 本章小结 奉章分别对主挖丌关、空档起动丌关、制动灯j r 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、卜i 坡与下 坡路面上行驶时车速与油门丌度的关系并对其原理作了详细分析和说明。 哈血；滨理t 人学下学坝1 。学位论史 第3 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 坡路卜行驶汽车的受力如图3 - 1 所示。 _ _ 斗x f r 幽3 - i 坡路上行驶汽乍受力蚓 f 嘻3 - 1b e a r i n gf o r c eo fa u t o m o b i l e o nr o a ds l o p e 根据牛顿第二定律，得到汽车的运动方程为 喀哥f 母e 式( 3 1 ) 巾 m 汽车质量； 目坡路与水平的夹角； n 引擎动力； n 一空气阻力，计算公式为 f r = 0 0 0 1 ( 等+ 2 0 s i n ( 0 0 1 f ) 2 ) 凡重力分量，计算公式为 e = m g s i n l 9 乃一汽车与路面之间的摩擦力为 瓦2 p i n g c o s 拶 ( 3 1 ) ( 3 - 2 1 ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 一 一 ，夕|。弋 歹j 艮 哈血；滨理t 人学下学坝1 。学位论史 图3 2 中f c l n “指令”驱动力凡为提供输入口； m a xt h m s t _ 一设置驱动力的上限； u p l i m 耿小模块一取两个输入中的最大者作为输h m a xb m k e 设置制动力下限，取为2 0 0 0 ； l o w l i m 取两个输入这种的人者为输出； c l o c k i n 为接受仿真时间提供输入口： f w 函数模块卒气阻力模块； f h 函数模块重力分量函数。 幽3 - 2 汽乍仿真模型 f i g 3 - 2s i m u l a t i o nm o d e lo f a u t o m o b i l e 3 2 控制器模型的建立 3 2 1 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”“”3 。数字p i d 控制在生产过程中是种最普 通的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛应用”1 。在模拟控制 系统中，控制器最常用的控制规律是p i d 控制。常规p i d 控制系统原理框图如 图3 3 所示。图3 3 中，系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。 p i d 控制器是一种线性控制器“，它根据给定值州与实际输出值c ( t ) 构 成控制偏差 哈血；滨理t 人学下学坝1 。学位论史 ( 3 - 5 1 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 象进行控制，故称p i d 摔制器。其模拟表达式为 砸) = qe ( t ) + 1 ft j ) d e ( t ) i 或写成传递函数形式 一器圳k h 去蝴 式( 3 7 ) q hk 广比例系数； 矸积分时问常数； n r 一微 时| 、日i 常数。 c ( t ) r ( 3 6 ) ( 3 7 ) 图3 3 模拟p i d 控制系统原理框图 f i g 3 - 3p r i n c i p l eb l o c ks c h e m eo fa n a l o gp i dc o n t r o l 简单来说，p i d 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 决于积分时问常数乃，乃越大，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p i d 控制器，数字 p i d 控制算法又分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。 由丁计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏筹值计算控制 量，冈此式( 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p 1 d 控制算法的算式( 3 6 ) ，现以一系列的采样时刻点k t 代表连续时问t ，以 哈血；滨理t 人学下学坝1 。学位论史 和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换 t = k t 如弦z 呸k 西，) j - o 塑尘。堕塑二业二! 幽 砖7 1 = q l z l ) p 艰) 一d 女一1 ) 7 1 ( 3 8 ) 式( 3 墙) 巾卜采样土j 期 湿然，上述离散化过程中，采样周期丁必须足够短，才能保证有足够的精 度。为书写方便，将e ( k t ) 简化表示成p ( k ) 等，即省去n 将式( 3 8 ) 代入式( 3 6 ) ，可得离散的p i d 表达式为 “( 的= k a e ( k ) + 争p ( j ) + 等m d e ( k 1 ) 】) ( 3 9 ) 1 ij - 0 。 或 k 姒) = k 删+ k 乏如) 嗡，) 一酗一i ) j ( 3 。1 0 ) 曲 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 - l o ) 导出提 供增量的p i d 控制算式。根据递推原理可得： 砸一1 ) = k 肿一1 ) + 为劬屿，啡一1 ) 一砧一2 ) 】 ( 3 - 1 1 ) 阀 式( 3 1 0 ) 减式( 3 一i i ) ，可得 “( t ) 一u ( k 一1 ) = k ， e ( k ) - e ( k 一1 ) 】+ 葺p ( 女) + 【“t ) 一2 p ( t 一1 ) + p ( i 一2 ) 】 ( 3 1 2 ) ( 七) = 局，【p ( 七) 一p ( t 1 ) 】+ 蜀f ( 女) + 足。 e ( k ) - 2 e ( k - 1 ) + e ( k 一2 ) 】 = k ，缸砷+ 巧嗽) + 【缸) 一缸一1 ) 】 ( 3 1 3 ) 式( 3 - 1 3 ) 称为增量式p 1 d 控制算法。图3 - 4 给出了增量式p i d 控制系统示 意图。由( 3 1 2 ) 可得 域t ) = z 职一1 ) + k ，【d 妨一e ( k 一1 ) 】+ “d + 玉【砸) 一2 e ( k 1 ) + e ( 七一2 ) 1 ( 3 1 4 ) 式f 3 1 4 ) 为位置式p i d 控制算法，图3 - 5 为位置式p i d 控制系统示意图。 哈血；演理t 人学下学坝1 。学位论史 业拶缈辩砰部 。( 。) 旦长 i 剖3 _ 4 增蛄式p i d 控制原理幽 f i g 3 - 4p r i n c i p l es c h e m eo fi n c r e m e n t a lp i dc o n t r o f 稠甲 蹦3 - 5 伊苴式p 1 d 控制原理 f i g 3 - 5p r i n c i p l es c h e m eo f p o s i t i o n a lp i dc o n t r o l 可以将式( 3 1 3 ) 进一步改写成 6 u ( k ) = a e ( k ) + b e ( k 1 ) + ( 名( 七一2 )( 3 - z s ) 式( 3 1 5 ) l 卜ia = k e ( 1 + 7 卜蹦乃 b = k 区1 + 2 t o n c = k e ( 列丁) 它们都是与采样蒯期、比例系数、积分时问常数、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疋一旦确定了 郧、厨、杨，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由式( 3 一1 3 ) 或式( 3 1 5 ) 求出 控制增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量a u ( k ) 对麻的是奉次执 行机构位置( y t j 如阀门丌度) 的增量。对应阀门实际位置的控制量。即控制量增 量的积累 上 材( 七) = a u ( j ) ( 3 1 6 ) ，= o 需要采用一定的方法来解决，目前应用较多的