汽車自動巡航系統(tǒng)PID控制策略的研究

汽車在巡航定速狀態(tài)下，當(dāng)汽車速度下降時，ECU加大節(jié)氣門開度，使發(fā)動機(jī)功率升高，轉(zhuǎn)矩增大，車速達(dá)到設(shè)定速度。反之，減小節(jié)氣門的開度。系統(tǒng)進(jìn)行巡航控制時，若在平坦路面上車速為v，按下設(shè)定開關(guān)進(jìn)入巡航控制的自動行駛狀態(tài)，一旦遇到爬坡時，則行駛阻力增加，如不進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，車速就會降低，此時巡航控制器會按照一定的控制規(guī)則使節(jié)氣門開度變大，使車速穩(wěn)定在v，重新取得動力平衡。當(dāng)遇到下坡時，行駛阻力減小，巡航控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度變小，使車速保持在v取得平衡。因此，即使行駛阻力發(fā)生變化，車速也只在很小范圍內(nèi)變化，達(dá)到穩(wěn)定行駛的目的。當(dāng)車速超出特定上下限時，巡航系統(tǒng)不工作。這個上下限的范圍并不固定依車型的不同而略有差別。
當(dāng)系統(tǒng)的傳感器出現(xiàn)故障，或控制信號電路被切斷時，傳感器輸出為零，此時車速超出特定上下限，巡航控制系統(tǒng)停止工作。

3 汽車巡航系統(tǒng)控制算法的選擇
PID控制作為最早發(fā)展起來的控制策略經(jīng)由長時間的不斷發(fā)展和改進(jìn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定等優(yōu)點。因此在工業(yè)控制中PID算法具有最廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計選擇PID控制策略實現(xiàn)巡航系統(tǒng)的定速功能。

下面介紹PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用。
(1)比例環(huán)節(jié)。根據(jù)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，并按一定的比例產(chǎn)生控制作用，以減少誤差。
(2)積分環(huán)節(jié)。主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時問常數(shù)，積分時間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之，則越強(qiáng)。
(3)微分環(huán)節(jié)。能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。
在數(shù)字計算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。兩種控制算法相比較而言，當(dāng)計算機(jī)只輸出增量時，增量式PID控制算法計算機(jī)誤動作造成輸出變化小，控制狀態(tài)的切換沖擊也小，算式中不作累加運算，增量只與最近的幾次采樣有關(guān)，控制效果明顯優(yōu)于位置式PID控制算法。因此選擇增量式數(shù)字PID控制算法。

4 硬件設(shè)計概述
本文所介紹的汽車自動巡航系統(tǒng)輸入量：實際車速、節(jié)氣門開度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、制動開關(guān)(當(dāng)制動開關(guān)有效時系統(tǒng)設(shè)定值是設(shè)定車速)。選用Atmega 8單片機(jī)作為控制核心，執(zhí)行器采用直流電動機(jī)?？刂七^程如下：設(shè)定速度和實際車速輸入、比較產(chǎn)生偏差，通過PID算法整定，結(jié)合其他輸入量處理后的信號，由Atmega 8單片機(jī)PWM通道驅(qū)動直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速而改變氣節(jié)門開度，實現(xiàn)車速的控制。
出于安全考慮，在硬件設(shè)計上將制動開關(guān)與節(jié)氣門執(zhí)行器直接相連，這樣當(dāng)踩下制動踏板時，在停止單片機(jī)恒速控制程序的同時，將巡航控制系統(tǒng)與節(jié)氣門拉索斷開。
系統(tǒng)硬件電路主要由微處理器、電源電路、離合器和直流電機(jī)驅(qū)動電路、保護(hù)電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和輸入信號處理電路等部分組成。Atm ega 8微處理器是系統(tǒng)的核心。汽車巡航控制系統(tǒng)中多處用到傳感器進(jìn)行信號采集，所需傳感器主要包括車速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、制動踏板傳感器、離合器踏板傳感器等。
車速傳感器采集的速度信號是車輛巡航控制系統(tǒng)最重要的輸入信息之一。車速傳感器將采集的車速模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸送給巡航控制ECU，作為反饋信號與設(shè)定值比較處理后產(chǎn)生輸出信號，驅(qū)動執(zhí)行器達(dá)到控制要求。對車速傳感器的要求是實時性、準(zhǔn)確性、可靠性。
節(jié)氣門位置傳感器的功能是采集節(jié)氣門位置信號。在該系統(tǒng)中節(jié)氣門位置測量選用電位器式角位移傳感器，在傳感器和微處理器之間有A／D轉(zhuǎn)換電路，將傳感器輸出的電壓信號先轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由微處理器進(jìn)行處理。
制動踏板傳感器安裝在制動踏板下，用于獲取制動踏板動作信號，以決定是否退出巡航系統(tǒng)。
離合器踏板傳感器安裝在離合器踏板下，用于獲取離合器踏板動作信號。