基于MC9S12单片机巡航控制系统毕业设计

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）I摘 要随着我国汽车工业的迅速发展，汽车的普及面越来越广，与此同时，人们对汽车的安全性和舒适性要求也越来越高。汽车巡航控制系统可以减轻驾驶员的驾驶疲劳，提高驾车的舒适性，是智能车辆的必备系统，具有重要的研究意义。本设计分析了国内外汽车巡航控制系统的发展状况和发展方向，介绍了基于MC9S12 单片机巡航控制系统的构成和基本原理。系统选用 Freescale l6 位单片机MC9S12DG128 作为系统控制处理器。运用该型单片机对电子节气门体的反馈控制进行设计，使节气门与加速踏板之间形成随动关系。在电子节气门控制的基础上，进一步设计基于 MC9S12 单片机巡航控制系统，通过车速传感器采集当前的车速信号，与预先设定的速度进行对比计算偏差，运用 PID 控制方法，调节节气门转过的角度，来改变车速到达设定的车速，使车辆以一恒定的速度行驶，进而完成汽车定速巡航控制系统对速度的闭环控制方案设计。 针对所设计的巡航控制系统，设计系统硬件电路，并在实验室搭建巡航控制模拟平台，对所设计的巡航控制系统进行实验，以验证所设计系统的可行性和稳定性。关键词：巡航控制；PID 控制；MC9S12DG128 ；电子节气门；定速巡航；单片机哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）IIABSTRACTWith the development of our countrys automobile industry,Automobiles are more and more popular,at the same time,the security and the comfort of Automobile should be higher and higher.Automobile curise control system（CCS）can ease The tiredness of driver,and improve the comfort of driving,it is the requisite system of the intelligent vehicles,so the study on CCS is of great importance. The automobile CCS development and developing trend of CCS are involved in this design,introduced the structure and fundamental principle of the Automobile cruise control system based on MC9S12 single-chip.The system uses Freescale l6-bit microcontrollers MC9812DG128 as system control processor.Use this type of single-chip feedback to the electronic air damper control,So that throttle and accelerator pedal with the dynamic relationship.On the basis of electronic throttle control,further design cruise control system based on MC9S12 single-chip,through vehicle speed sensor collects vehicles running speed signal,compares with beforehand enactment speed and computes between the speed deviations,using PID control,adjust the angle of turn throttle,to change the speed to set the speed,make the vehicle with a constant speed,to realize the car cruise control system of closed-loop control of the scheme design. Based on the design of cruise control system,design hardware circuit of system,and building cruise control simulation platform in laboratory, the design of cruise control system for experiment,in order to verify the feasibility and stability of the designed system. Key words：Curise control；PID control；MC9S12DG128；Electronic air damper；Constant speed curise；Single-chip哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）目 录摘要 .IAbstract .II第 1 章 绪 论 .11.1 课题背景 .11.2 巡航控制系统的发展现状和趋势 .11.2.1 巡航控制系统的国内外发展状况 .11.2.2 汽车巡航控制的发展方向 .31.3 设计的主要内容 .4第 2 章 基于 MC9S12 单片机巡航控制系统的总体设计 .52.1 巡航控制系统概述 .52.2 巡航控制系统的功能 .52.2.1 巡航控制系统的基本功能 .52.2.2 巡航控制系统的其他功能 .62.3 巡航控制系统的组成和原理 .62.4 巡航控制系统的工作原理 .82.5 本章小结 .10第 3 章 巡航控制系统的仿真分析 .113.1 MATLAB 软件的应用 .113.1.1 MATLAB 的简介 .113.1.2 Simulink 模块 .113.2 巡航控制系统控制算法的确定 .123.3 巡航控制系统仿真 .143.3.1 系统仿真模型的建立 .143.3.2 系统仿真模型的仿真结果分析 .173.4 本章小结 .18第 4 章 巡航控制系统的硬件设计 .194.1 微控制器的选择 .194.2 其他辅助芯片介绍及应用 .19哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4.2.1 MC9S12DG128 最小系统设计 .194.2.2 车速传感器选择及安装 .244.2.3 开关量的采集 .264.3 电机驱动电路的设计 .264.4 巡航控制系统整体控制电路设计 .284.5 巡航控制模 拟平台的组建及实验结果分析 .294.6 本章小结 .31第 5 章 巡航控制系统的软件设计 .325.1 开发环境的介绍 .325.2 系统软件设计 .335.2.1 速度采集程序的设计 .335.2.2 节气门位置信号的采集 .355.2.3 电机控制程序和相关控制原理 .365.3 本章小结 .40结论 .41参考文献 .43致谢 .44附录 .45附录 A 控制系统硬件原理图 .45附录 B 控制系统硬件 PCB 图 .46附录 C 程序源代码 .48附录 D 巡航控制系统模拟控制平台图片 .60附录 E 英文文献 .61Cruise Ctontrol System .61英文文献翻译 .66巡航控制系统 .66哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1第 1 章 绪 论1.1 课题背景随着社会的进步和我国汽车工业的发展，人们对汽车行驶的安全性、舒适性要求越来越高。为了满足人们的需求，汽车电子化程度也越来越高，特别是微处理器进入汽车控制领域后，给汽车发展带来了划时代的变化。使汽车的动力性、燃油经济性、操控稳定性、行驶安全性、以及尾气的排放都得到了大幅改善。 汽车巡航控制系统，简称 CCS（Cruise Control System） 。它实际上是一种辅助驾驶系统。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。目前，世界发达国家有很多已经把巡航控制系统应用于车辆上，特别是高级轿车。由于我国对汽车巡航控制的研究起步较晚，并且技术相对落后，所以国内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。我国汽车工业和公路交通运输业正处在迅猛发展时期，车辆驾驶的自动化、智能化也己成为汽车发展的主要趋势之一。人们需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快速的生活节奏，因此对汽车智能化的要求更加迫切，汽车巡航控制系统可以减轻驾驶员的负担，减少了不必要的车速变化，最大限度地节省燃料，降低排气污染，提高发动机的使用效率，并可在一定程度上提高汽车的动力性能和乘坐的舒适性。可以有效地减轻长途驾驶的疲劳，是提高舒适性和趣味性的重要方法之一。随着我国高速公路网的扩展，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 巡航控制系统的发展现状和趋势1.2.1 巡航控制系统的国内外发展状况 国外汽车巡航控制系统起步很早，其发展过程主要经历了三个阶段：第一阶段是上世纪 60 年代至 70 年代中期，早期的汽车巡航控制系统主要是机械式和气动机械式巡航控制系统。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，哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2这期间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。第二阶段是上世纪 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单片机的应用。出现了以数字技术为基础的巡航控制系统。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。汽车巡航控制系统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，也可在微处理器上编程实现。当汽车上其他系统已有控制微处理器时，只要修改一下程序便可将此功能附加上去，因而可节省昂贵的硬件开支。 第三阶段，从上世纪 90 年代开始，国外又开始发展以智能化为核心的汽车自动巡航控制系统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（Self-adaption Cruise Control System,简称 ACCS） 1。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、制动 ECU（Electronic Control Unit）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；当距另一辆车距离较近并相对车速较高时，通过巡航控制系统控制制动器减速。情况正常后将自动恢复原先的车速，如果前方车辆减速，ACCS 便操纵制动器来维持一定的车距，从而避免了汽车的追尾。 国外开始研究一种半自主式的巡航控制系统。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。综合利用仿真、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。目前不少车辆，特别是高级轿车已经把巡航控制系统作为标准配备设备或备选设备。我国汽车工业起步较晚，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，模拟汽车定速控制器在我国已经投入生产和使用。例如：由江苏省某巡航设备厂生产的 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为动力，通过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。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、稳定性不强等缺点。 国内有多所高校和科研单位从事汽车自动巡航控制系统的研究，控制系统的硬件哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3核心部件采用不同型号的单片机，控制策略多采用 PID 调节方式，也有人将模糊控制算法应用于巡航控制系统，模仿驾驶员驾驶汽车的情况，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。 1.2.2 汽车巡航控制的发展方向 汽车巡航控制自 20 世纪 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 20 世纪 80 年代中末期，由于微处理器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。到上世纪末起，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。 但是若使该系统普及应用到家用轿车上，还存在着一些问题。虽然系统模块化和集成度很高，但造价昂贵；限速太高，一般系统都必须在 40Km/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，下一代的智能交通系统即将出现，其中汽车巡航控制系统将发展为自适应巡航控制系统 ACC（Adaptive Cruise Control） ，进一步采用集中微处理器控制，不仅增加了系统的功能，同时降低了整个系统的成本。具体的说，自适应巡航控制系统，是一种安全辅助驾驶系统，它是将汽车定速巡航控制系统 CCS（Cruise Control System）和车辆前向撞击报警系统 FCWS（Forward Collision Warning System）或车间安全距离保持系统 SDKS（Safety Distance Keeping System）有机地结合起来，既有定速巡航功能，又有防止和前车或障碍物撞击的功能。定速巡航控制在自适应巡航控制系统功能的实现上占有重要的地位，随着许多经典的控制理论在定速巡航控制系统上的应用，使定速巡航控制系统取得了较快的发展。而随着自适应巡航控制系统（ACC）受到的关注程度越来越广，由于需要结合安全车距保持的功能，对定速巡航控制控制系统的控制精度要求将更高，将使得控制功能的方法和控制策略不断的改进。同控制定速巡航控制系统一样，驾驶员可通过设置在仪表盘上的人机交互界面实时了解车辆运行状态，通过控制开关开启或关闭 ACC 系统。CCS 系统有以下几个发展趋势：（1）集成化 它有助于降低成本，增强各系统间的内在联系，充分利用各种车辆信息，从而提高系统的稳定性和可靠性。 （2）智能化 现在对 CCS 系统的研制和开发主要针对的是在高速公路上高速行驶的车辆，和对车辆进行简单的自动控制，而不适用于城市中低速、高车流密度情况和更复杂的自动驾驶。未来的方向应是一种响应更快、控制更精确、稳定性更好的系哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4统，从而成为真正的驾驶员辅助系统。1.3 设计的主要内容（1）熟悉巡航控制系统的组成，巡航控制的原理，控制方法的分析与确定，进行汽车定速巡航控制系统的总体方案设计。选用飞思卡尔 16 位单片机MC9S12DG128 作为控制核心，通过车速传感器采集实际车速信号，输入控制核心和预先设定的车速进行比较，从而对电子节气门的节气门位置进行控制，以使车辆保持在设定的速度上行驶，实现间接的控制车速恒定的目的，同时还可以根据巡航控制按键对巡航状态进行设定和修改。（2）掌握汽车在行驶过程中影响车速变化的因素，根据被控对象的变化特征及时的调整控制参数，使控制效果保持最佳。对巡航控制系统进行软件和硬件结构设计，并在实验室搭建巡航控制系统模拟控制平台，通过实验验证巡航控制系统设计的合理性、可靠性等。（3）分析电子节气门的基本结构和控制原理，选择合适的电子节气门。设计电机驱动电路模块、PWM 驱动模块以及位置传感器模块。通过试验方法确定电子节气门系统的关键参数，并对节气门位置传感器输出电压进行标定。根据所学的控制理论，设计相应的 PID 控制算法。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）5第 2 章 基于 MC9S12 单片机巡航控制系统的总体设计2.1 巡航控制系统概述 汽车巡航控制系统（Cruise Control System，简称 CCS） 。又称为巡航行驶装置、速度控制系统、恒速行驶系统或巡行控制系统等。是使汽车工作在发动机有效功率范围内，减轻驾驶员的驾驶操纵劳动强度，提高驾驶舒适性的汽车自动行驶装置。它是利用电子技术对汽车的行驶速度进行自动调节，从而实现以某一设定车速行驶的电子控制系统。汽车巡航控制系统是指汽车在行驶中为了达到所希望的速度，驾驶员不必踩踏加速踏板调整车速，只需通过操纵开关即可以完成对车速的设定和控制，从而实现汽车定速行驶 2。 采用汽车巡航控制系统后，汽车在高速公路上长时间行驶时就可使驾驶员踩加速踏板的脚得以休息，不致因长时间驾车控制加速踏板稳定车速而产生疲劳，同时，由于定速行驶，加速踏板及制动踏板的踩放次数减少，减轻了零件的磨损同时也使耗油量减少，提高了车辆行驶的安全性和经济性。汽车巡航控制系统的主要优点有：无论风力和道路坡度这些能引起汽车的行驶阻力发生变化的因素如何变化，只要在发动机功率允许范围内，汽车的行驶速度便可保持不变，保持稳定行驶状态。同时当汽车在高速公路上行驶时，当把汽车设定为定速行驶时，驾驶员负担明显减轻，提高了驾车的舒适性，此外，使用巡航控制系统后，可使汽车的燃油供给与发动机功率间的配合处于最佳状态，有效地降低了燃油的消耗，也减少了有害气体的排放。 2.2 巡航控制系统的功能 2.2.1 巡航控制系统的基本功能（1）定速行驶功能 汽车定速巡航即指汽车在行驶时，当驾驶员按下巡航键后，驾驶员即使不踏加速踏板，汽车仍可以按驾驶员所设定目标车速自动保持行驶的功能，这是汽车巡航控制系统的最基本功能。 （2）加速、减速功能 当车辆处于巡航行驶的状态时，根据道路的不同情况，若驾驶员按下加速按键，则设定速度增加，巡航控制系统会自动控制车速增加，此为加速功能。同样，若按下减速按键，则设定速度减小，此为减速功能。 （3）退出功能 按下退出按键，设定的巡航行驶功能自动消失，使车辆进入正常的靠人工踩踏加速踏板来控制车速的状态，但之前所设定的车速信息仍存储在系统中，哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）6以备后期的恢复巡航。 （4）恢复功能 当恢复按键被按下后，即以之前存储的车速重新进入到定速巡航控制状态。2.2.2 巡航控制系统的其他功能1、巡航控制系统有设定的巡航速度范围，根据车型的不同，该巡航速度范围也不同。当实际车速小于设定的最小安全速度或大于设定安全速度的上限时，存储的当前车速无效，系统不能以该速度进入巡航状态，并不能再恢复此速度。 2、制动踏板、离合器踏板、手制动等操作可以使车辆退出巡航控制状态，起到退出开关的功能。2.3 巡航控制系统的组成和原理 汽车电子巡航控制系统主要由巡航控制开关、传感器、巡航控制单元（ECU） 、电子节气门等组成。其结构如图 2.1 所示。设定/退出巡航控制 ECU(MC9S12DG128)车速传感器电子节气门体加 速 减 速 制动/离合节气门位置传感器车速模拟装置图 2.1 巡航控制系统结构图现将其各部分的结构与工作原理分别作以介绍：1、巡航控制开关 巡航控制开关一般有杆式开关如图 2.2，安装在转向柱上驾驶员容易接近的地方，或将组合开关安装在方向盘上如图 2.3。大多数指令开关有三个档位：设置/减速 （SET/DECEL ） 、恢复/加速（RES/ACCEL ）和巡航 /取消（CRUISE/Cancel）档。通哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）7常情况下，当车速超过 40km/h 时，只要按下设置按键，车辆就会记住当前的车速并保持定速行驶，当按下 “取消”键时，恒速行驶立即停止。 “恢复/加速”档用于制动或换档断开电路后，使车辆重新按设定速度行驶。汽车在自动巡航控制状态下，可以通过按加速按钮提高车速，或按减速按钮来降低车速。图 2.2 杆式开关 图 2.3 组合开关2、传感器 传感器主要包括节气门位置传感器、车速传感器，二者通常与发动机电子控制系统和自动变速器电子控制系统共用，也可以专门设置单独使用。本设计的节气门位置传感器为电子节气门体上固有的，而车速传感器为自己按需求选用的。车速传感器即检测车速的装置如图 2.4 所示，种类很多，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。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，主要作用就是时刻检测车辆的行驶速度，通过仪表显示给驾驶员，使驾驶员了解车辆的运行状态。图 2.4 实车使用的车速传感器本次设计选用的是 GP1A73 对射式光电传感器。将对射型光电传感器安装在码盘哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）8上，当码盘缝隙交替通过时，会产生一系列电脉冲，记单位时间的脉冲数，从而获得转速。 3、巡航控制 ECU 巡航控制 ECU 由处理器芯片、A/D、D/A 转换 I2C 及输出重置驱动和保护电路等模块组成，ECU 接收来自系统所用的各种传感器和各种开关的信号，按照存储的程序进行处理。向执行器发出指令，控制执行器的动作，从而实现对速度的控制 3。本次设计采用的微控制器是 Freescale 公司的 MC9S12 系列的 MC9S12DG128B。4、电子节气门体本次设计选用的是长春一汽款捷达轿车所配备的电子节气门体如图 2.5，该节气门体由执行器、节气门阀和节气门位置传感器 3 部分组成，它们被封装为一体。执行器如图 2.5 捷达轿车所配备的电子节气门体又称伺服器，由一个直流电机和相关的传动部件组成。通过巡航控制 ECU 的控制驱动直流电机，来实现对节气门开度变化的控制。直流电机比步进电机移动快，随动性能好，符合 ECT 的性能要求，目前大多数电子节气门都采用直流电机做执行机构。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。2.4 巡航控制系统的工作原理 巡航控制系统是一个双闭环控制系统，如图 2.6 所示，是一种典型的闭环汽车电子巡航控制系统原理方框图。控制器接收到速度和节气门位置两个反馈信号输出为一个节气门控制信号。节气门位置信号与控制器构成一个小闭环，而速度信号和控制器之间构成的是大的闭环。通过调节节气门的位置这个小闭环来实现对速度的大的闭环哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）9的控制，从而实现整个系统的控制。由图 2.6 可知，控制器有两个车速信号，其中， 一设定速度 执行器发动机与变速器车速传感器节气门位置传感器控制器车辆控制信号+ +实际车速反馈信号节气门反馈信号实际车速外界干扰图 2.6 巡航控制系统基本原理框图个是驾驶员按自己的意愿设定的车速信号，另一个是车速传感器根据实际的路况测得的实际车速的反馈信号。ECU 将这两种信号进行比较，得出误差信号，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，调节节气门开度，以修正实际车速，从而将实际车速很快调整到驾驶员设定的车速，并保持恒定4。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 2.7 所示。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）10图 2.7 车速与节气门开度的关系巡航控制系统根据目标车速自动维持汽车恒速行驶。汽车在巡航定速状态下，当汽车速度下降时，ECU 加大节气门开度，使发动机功率升高，转矩增大，使车速达到设定速度。反之，减小节气门的开度。参照图 2.7，系统进行巡航控制时，若在平坦路面上车速为 VO 时，按下设定开关进入巡航控制的自动行驶状态，此时节气门开度在 0 点，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VA 点，但巡航控制器会按照一定的控制规则控制节气门，使节气门开度从 0 点变为A 点，使车速稳定在 VO 点，重新取得动力平衡。当遇到下坡时，行驶阻力减小，如不进行调节控制，车速就会升高到 VB 点，此时巡航控制系统自动调节节气门的开度由 0 点变到 B 点，使车速保持在 VO 点取得平衡。因此，即使行驶阻力发生变化，车速也只在很小范围内变化，达到稳定行驶的目的。当车速在 50km/h 以下、120km/h以上时，巡航系统不工作。当然这个上下限的限定依车型的不同而略有不同。 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，这样一来，行驶阻力的微小变化都会引起油门开度的变化，由于反应过度灵敏，容易产生游车。因此，应综合考虑控制误差与游车问题，选择合适的控制线斜率。 一旦系统的传感器出现故障，或控制信号电路被切断，因没有车速信号，低速限制电路将认为车速为零，使巡航控制系统停止工作。2.5 本章小结 本章对汽车巡航控制系统进行了综述，介绍了巡航控制系统的各种功能，和巡航控制系统的优点等。并对巡航控制系统的组成和工作原理进行了介绍，还分别对各组哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）11成部件如巡航控制开关、车速传感器、电子控制单元和节气门体等的组成和工作原理进行了详细说明。并通过对汽车在平坦、上坡与下坡等不同路况上行驶时车速与节气门开度的关系进行分析。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）12第 3 章 巡航控制系统的仿真分析3.1 MATLAB 软件的应用3.1.1 MATLAB 的简介 MATLAB 是 MathWorks 公司于 1984 年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，可方便地应用于数学计算、算法开发、数据采集、系统建模和仿真、数据分析和可视化、科学和工程绘图、应用软件开发等方面。MATLAB 历经二十几年的发展，其核心内容（语言系统、开发环境、图形系统、数学函数库、应用程序接口等）和辅助工具箱(符号计算、图象处理、优化、统计和控制等工具箱)两大部分均得到了快速的发展，各种成熟的工具箱不断扩展并加入到系统中去,现己是一个高度的集成系统，成为国际公认的最优秀的科技应用软件 5。 本次设计所使用的是 MATLAB7.0 版本。 MATLAB 软件从 1984 年推出的第 1个版本到目前发布的第 14 个版本 MATALAB7.0（Release14），有了较大的改进和增补，增加了许多新功能和更为有效的处理方法。1、新的绘图界面窗口，用户可以不必通过输入 M 函数代码而直接在绘图界面窗口中交互式地创建并编辑图形。2、用户可以直接从图形窗口生成 M 代码文件，使得用户可以多次重复地执行用户自定义的作图。3.1.2 Simulink 模块Simulink 是 MATALAB 提供的实现动态系统建模、仿真和综合分析的一个软件包，它是 MATALAB 的一个重要组成部分，具有相对独立的功能和使用方法。它支持线性和非线性、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统建模，且系统可以是多进程的。Simulink 中存储了大量系统模型，用户只要在模型库窗口上调出各个系统环节，并用连线连接起来，便可利用 Simulink 提供的功能对系统进行仿真和分析。这种方框图式的建模方法很容易将一个复杂系统的数学模型输入到计算机中，大大简化了编程过程，运行界面如图 3.1 所示。 对于建模，Simulink 提供了一个图形化的用户界面，只要进行鼠标点击和拖拉模块的图标就可构造出复杂的仿真模型。它外表以方块形式呈现，且采用分层结构。从建模角度讲，这既适合自上而下的设计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件）哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）13，图 3.1 Simulink 的运行环境又适合自下而上逆程设计。从分析研究角度讲，这种 Simulink 模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间地信息交换，掌握各部分之间交互影响。3.2 巡航控制系统控制算法的确定 为了满足巡航控制系统控制车速的要求，采用怎样的控制方法，成为一个不可忽略的问题。目前用于汽车巡航控制系统的控制方案主要有 PID 控制、自适应控制、模糊控制、迭代学习控制等，它们都有各自的特点。受所学知识和本次设计的相关条件的限制本次设计采用的是 PID 控制。PID 控制算法是连续系统理论中技术比较成熟、应用比较广泛的一种控制方法，PID 控制可归结为对控制系统动态质量的校正而得到的一种方案，使得系统能按偏差的比例、积分和微分进行控制。数字 PID 控制器有两种，控制器输出值与被控量一一对应的叫位置型 PID，控制器第 k 次输出值为第 k 次与第 k-1 次的差值的叫增量型PID。由于控制器输出量（由 PWM 信号控制）与位置偏差一一对应，所以选择了位置型 PID6，其表达式如下：)1()()()(0keTjekKudkjip（3.1）哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）14式中 T 为采样周期，T 必须足够小系统才具有一定精度， 为第 k 次采样t )(e时的偏差值，可为采样序号， 为第 k 次采样时控制器的输出。其简化式为：)(u)1()()(0keKjeKkDjIp（3.2） 式中 、 、 分别叫做比例、积分、微分控制系数。pKID1、比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。2、积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI ）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3、微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例” 项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+ 微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+ 微分（ PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。这 3 种控制的各自特点如下：1、比例控制作用的特点是系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被PID 控制的对象朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数的大小。缺点是对于具有自平衡（即系统阶跃响应终值为一有限值）能力的被控对象存在静差。加大 可减小静差，但 过大，会导致系统超调增大，使系统的动态性能变坏。 pKpK2、积分控制作用的特点能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。不哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）15足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统不稳定。 3、