汽車(chē)自動(dòng)巡航系統PID控制策略的研究

汽車(chē)在巡航定速狀態(tài)下，當汽車(chē)速度下降時(shí)，ECU加大節氣門(mén)開(kāi)度，使發(fā)動(dòng)機功率升高，轉矩增大，車(chē)速達到設定速度。反之，減小節氣門(mén)的開(kāi)度。系統進(jìn)行巡航控制時(shí)，若在平坦路面上車(chē)速為v，按下設定開(kāi)關(guān)進(jìn)入巡航控制的自動(dòng)行駛狀態(tài)，一旦遇到爬坡時(shí)，則行駛阻力增加，如不進(jìn)行調節控制，車(chē)速就會(huì )降低，此時(shí)巡航控制器會(huì )按照一定的控制規則使節氣門(mén)開(kāi)度變大，使車(chē)速穩定在v，重新取得動(dòng)力平衡。當遇到下坡時(shí)，行駛阻力減小，巡航控制系統調節節氣門(mén)的開(kāi)度變小，使車(chē)速保持在v取得平衡。因此，即使行駛阻力發(fā)生變化，車(chē)速也只在很小范圍內變化，達到穩定行駛的目的。當車(chē)速超出特定上下限時(shí)，巡航系統不工作。這個(gè)上下限的范圍并不固定依車(chē)型的不同而略有差別。
當系統的傳感器出現故障，或控制信號電路被切斷時(shí)，傳感器輸出為零，此時(shí)車(chē)速超出特定上下限，巡航控制系統停止工作。

3 汽車(chē)巡航系統控制算法的選擇
PID控制作為最早發(fā)展起來(lái)的控制策略經(jīng)由長(cháng)時(shí)間的不斷發(fā)展和改進(jìn)，具有結構簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高、參數易于整定等優(yōu)點(diǎn)。因此在工業(yè)控制中PID算法具有最廣泛的應用。本次設計選擇PID控制策略實(shí)現巡航系統的定速功能。

下面介紹PID控制器各校正環(huán)節的作用。
(1)比例環(huán)節。根據控制系統的偏差信號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。主要用于消除靜差，提高系統的無(wú)差度。積分作用的強弱取決于積分時(shí)問(wèn)常數，積分時(shí)間常數越大，積分作用越弱，反之，則越強。
(3)微分環(huán)節。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，在系統中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統的動(dòng)作速度，減小調節時(shí)間。
在數字計算機控制系統中，使用數字PID控制器，數字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，當計算機只輸出增量時(shí)，增量式PID控制算法計算機誤動(dòng)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。因此選擇增量式數字PID控制算法。

4 硬件設計概述
本文所介紹的汽車(chē)自動(dòng)巡航系統輸入量：實(shí)際車(chē)速、節氣門(mén)開(kāi)度、發(fā)動(dòng)機轉速、制動(dòng)開(kāi)關(guān)(當制動(dòng)開(kāi)關(guān)有效時(shí)系統設定值是設定車(chē)速)。選用Atmega 8單片機作為控制核心，執行器采用直流電動(dòng)機?？刂七^(guò)程如下：設定速度和實(shí)際車(chē)速輸入、比較產(chǎn)生偏差，通過(guò)PID算法整定，結合其他輸入量處理后的信號，由Atmega 8單片機PWM通道驅動(dòng)直流電動(dòng)機轉速而改變氣節門(mén)開(kāi)度，實(shí)現車(chē)速的控制。
出于安全考慮，在硬件設計上將制動(dòng)開(kāi)關(guān)與節氣門(mén)執行器直接相連，這樣當踩下制動(dòng)踏板時(shí)，在停止單片機恒速控制程序的同時(shí)，將巡航控制系統與節氣門(mén)拉索斷開(kāi)。
系統硬件電路主要由微處理器、電源電路、離合器和直流電機驅動(dòng)電路、保護電路、A／D轉換電路和輸入信號處理電路等部分組成。Atm ega 8微處理器是系統的核心。汽車(chē)巡航控制系統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(chē)速傳感器、節氣門(mén)位置傳感器、制動(dòng)踏板傳感器、離合器踏板傳感器等。
車(chē)速傳感器采集的速度信號是車(chē)輛巡航控制系統最重要的輸入信息之一。車(chē)速傳感器將采集的車(chē)速模擬信號轉化為數字量輸送給巡航控制ECU，作為反饋信號與設定值比較處理后產(chǎn)生輸出信號，驅動(dòng)執行器達到控制要求。對車(chē)速傳感器的要求是實(shí)時(shí)性、準確性、可靠性。
節氣門(mén)位置傳感器的功能是采集節氣門(mén)位置信號。在該系統中節氣門(mén)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轉換電路，將傳感器輸出的電壓信號先轉換為數字量，再由微處理器進(jìn)行處理。
制動(dòng)踏板傳感器安裝在制動(dòng)踏板下，用于獲取制動(dòng)踏板動(dòng)作信號，以決定是否退出巡航系統。
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(dòng)作信號。