汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)（ccs）的設(shè)計(jì)

PAGE47汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)（CCS）的設(shè)計(jì)系別:專(zhuān)業(yè)名稱(chēng):學(xué)生姓名:學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師姓名、職稱(chēng)：汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)(CCS)的設(shè)計(jì)摘要隨著經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長(zhǎng)和我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車(chē)消費(fèi)迅速進(jìn)入大眾化階段。人們對(duì)駕駛的安全性和舒適性的要求越來(lái)越高,巡航控制恰好滿足了人們的這種需求。雖然有很多已開(kāi)發(fā)的巡航控制系統(tǒng)，但比較昂貴。若使該系統(tǒng)步入普通家用轎車(chē)家族，還存在著一些困難。本文介紹的解決方案電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，有很好的應(yīng)用前景。在認(rèn)真分析了巡航控制系統(tǒng)的基本原理,確定了輸入輸出信號(hào)以后，提出了一種閉環(huán)控制的巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。由車(chē)速傳感器采集的車(chē)速信號(hào)和設(shè)定車(chē)速的差值作為輸入量，實(shí)際車(chē)速作為輸出量。位置式PID控制算法造成計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大，而且計(jì)算機(jī)的任何故障都會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)大幅度的變化。然而就微分項(xiàng)而言,增量式算法容易引進(jìn)高頻干擾,導(dǎo)致調(diào)節(jié)性能不穩(wěn)，顯然，單純采用PID增量式算法或位置式算法都不能滿足巡航控制的要求。所以將位置式、增量式算法結(jié)合起來(lái),取長(zhǎng)補(bǔ)短,組成PID綜合算法。采用上述控制方法對(duì)汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究，建立了系統(tǒng)的仿真模型，詳述了模型的建立過(guò)程。仿真結(jié)果表明：所采用的控制策略是可行的，能較好地模擬真實(shí)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了基于PIC單片機(jī)的汽車(chē)巡航控制系統(tǒng),對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程作了必要說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)中，采樣了多組車(chē)速與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的波形，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)的超調(diào)量較小，響應(yīng)時(shí)間快，所采用的控制方法簡(jiǎn)單易行。關(guān)鍵詞巡航控制；PID控制；PIC單片機(jī)；仿真研究DesignofAutomotiveCruiseControlSystemAbstractWiththesteadyincreaseofeconomyandrapiddevelopmentofautomobileindustryinourcountry,vehicleconsumptionbecomespopular.securityandcomfortofdrivingbecomesmoreandmoreimportanttopeople,CruiseControljustmeetsthedemand.ManyengineershavedevelopedCruiseControlSystem,butthepriceisunaffordabletomostpeople.Thepaperintroducesakindofschemewithsimplecircuitandlowpricewhichhasapromisingprospectofapplication.AfteranalyzingthebasicprincipleofCCSanddefininginputsignalsandoutputsignals,akindofclose-loopedcontrolschemeisbroughtforward.Theinputistheerrorofthespeedandtheoutputisactualspeed.AnyfaultsofcomputercancausegreatchangesofexecutorandincreaseburdenofcomputerbyadoptingpositionalPID.DifferentialpartofincrementalPIDcanhardlyavoidhighfrequencyinterferencewhichmakesthesystemunstable.Obviously,usingeitherpositionalPIDorincrementalPIDcan’tmeetthedemand.Therefore,positionalPIDcontrollerandincrementalPIDmethodcontrollerareintegratedtosolvetheproblem.TheautomobileCruiseControlSystemisstudiedbycomputersimulationwithabovecontrollingmethod.Simulationmodelofsystemisestablishedandprocessofdesignisbrieflyexplained.Resultsofsimulationshowthatthecontrollingstrategyisfeasibleanditwouldsimulatethetruesystemexactly.CruiseControlSystembasedonPICisdesigned.Thepracticalcircuitisexplained.Severalgroupsofspeedandthrottleanglearerecorded.Resultsofexperimentshowthatthesystemhaslittledynamicsexcess,shortresponsetimeandthemethodadoptedissimpleandfeasible.KeywordsCruiseControl;PIDcontrol;PICMCU;SimulationResearch目錄TOC\o"1-3"\u第1章緒論 11.1課題的目的和意義 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 11.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2.2巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 41.3巡航控制研究的熱點(diǎn)問(wèn)題 41.4課題的來(lái)源及研究?jī)?nèi)容 5第2章巡航控制系統(tǒng)的組成與原理 62.1巡航控制系統(tǒng)的主要部件 62.2巡航控制系統(tǒng)的工作原理 112.3本章小結(jié) 12第3章巡行控制系統(tǒng)的仿真分析 133.1行駛轎車(chē)仿真模型的建立 133.2控制器模型的建立 143.2.1控制方法的選擇 143.2.2仿真語(yǔ)言簡(jiǎn)介 183.2.3控制器仿真模型的建立 193.2.4系統(tǒng)仿真模型的建立 193.3仿真結(jié)果分析 213.4本章小結(jié) 22第4章巡航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 224.1巡航控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 224.1.1微處理器的選擇 224.1.2其他輔助芯片介紹及應(yīng)用 224.1.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 264.1.4系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì) 284.2巡航控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 294.2.1開(kāi)發(fā)環(huán)境的介紹 294.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 304.2.3軟件可靠性措施 314.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果 324.4本章小結(jié) 33結(jié)論 34參考文獻(xiàn) 35致謝 36第1章緒論1.1課題的目的和意義為了加快我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，提高我國(guó)汽車(chē)的技術(shù)含量是迫在眉睫的問(wèn)題之一。而本課題正是適應(yīng)目前國(guó)內(nèi)外汽車(chē)工業(yè)的情形而產(chǎn)生的。汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)CCS，即“CruiseControlSystem”。汽車(chē)巡航控制是指在一定的車(chē)速范圍內(nèi)，當(dāng)汽車(chē)受到干擾外力時(shí)，允許駕駛員不用控制加速踏板，該系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)調(diào)整節(jié)氣門(mén)開(kāi)度從而調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使汽車(chē)按設(shè)定的車(chē)速恒速行駛。裝有巡航控制系統(tǒng)的汽車(chē)有如下優(yōu)點(diǎn)：1.保持車(chē)速穩(wěn)定無(wú)論是上坡、下坡還是在平直的路面上行駛，只要在發(fā)動(dòng)機(jī)功率允許的范圍內(nèi)，車(chē)速均可保持勻速行駛。2.可提高駕駛時(shí)的舒適性和安全性這一優(yōu)點(diǎn)在高速公路或是城市高等級(jí)公路上表現(xiàn)尤為明顯。此外，這一系統(tǒng)減輕了駕駛員的負(fù)擔(dān)，對(duì)保證行車(chē)安全十分有利。3.可最大限度地節(jié)省燃油及降低排氣污染汽車(chē)以恒定車(chē)速行駛時(shí)，可使燃油消耗與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率處于最佳配合狀態(tài)，既能降低燃油消耗，又減少排氣污染。隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)的迅速擴(kuò)大和延伸，汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的優(yōu)越性能也將更加體現(xiàn)出來(lái)。它有助于減少駕駛操作的強(qiáng)度，降低或避免交通事故的發(fā)展，提高高速公路的利用率，因此，這種汽車(chē)新技術(shù)在我國(guó)具備廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景，其研究的意義也是非常重大的。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀從總體上來(lái)說(shuō)，國(guó)外汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展大體經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段是50年代至70年代中期，這一時(shí)期美國(guó)和日本相繼出現(xiàn)了以模擬電路為基礎(chǔ)的汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)。例如，日本豐田公司從1965年起就開(kāi)始在車(chē)上裝用機(jī)械式巡航控制系統(tǒng)。之后，德國(guó)的VDO公司也研制出了氣動(dòng)機(jī)械式巡航控制系統(tǒng)。而1968年德國(guó)奔馳公司開(kāi)發(fā)了晶體管控制的巡航控制系統(tǒng)，并在莫克利汽車(chē)上裝用。第二階段是70年代中后期至80年代中后期，以數(shù)字信號(hào)為主的控制系統(tǒng)。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路及微機(jī)的應(yīng)用。出現(xiàn)了以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的巡航控制系統(tǒng)。例如：1974年美國(guó)魯卡斯汽車(chē)研究中心研究出了性能完善的運(yùn)用衛(wèi)星雷達(dá)的數(shù)字控制器控制的車(chē)速/車(chē)距控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)路面狀況的變化。日本Hino(日野)公司于1985年投放市場(chǎng)一種基于燃油經(jīng)濟(jì)性的車(chē)速控制系統(tǒng)，其控制框圖如圖1-1所示，其控制部分是基于數(shù)字式的微控制器[1]。美國(guó)摩托羅拉公司也研制了一種采用微處理器控制的巡航控制系統(tǒng)[2]，這種系統(tǒng)的所有輸入指令以數(shù)字形式直接存儲(chǔ)和處理，帶有可擦只讀存儲(chǔ)器的八位微處理器(MCU)根據(jù)指令車(chē)速、實(shí)際車(chē)速以及其他輸入信號(hào)，按給定程序完成所有數(shù)據(jù)處理之后產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，改變節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，每種車(chē)型的最佳加速度和減速度由編程人員決定。從安全上考慮，將制動(dòng)開(kāi)關(guān)與節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器直接相連，這樣，當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，在斷開(kāi)巡航控制的同時(shí)，將執(zhí)行器的動(dòng)力源斷開(kāi)，從而使節(jié)氣門(mén)安全關(guān)閉。圖1-1Hino公司研制的經(jīng)濟(jì)型車(chē)速控制系統(tǒng)框圖Fig.1-1EconomicalspeedcontrolsystemofHinoCo.與模擬技術(shù)相比，數(shù)字系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是系統(tǒng)的信號(hào)量以數(shù)字表示，受工作溫度和濕度的影響較小，因此數(shù)字控制具有更高的穩(wěn)定性。汽車(chē)巡航電子控制器采用先進(jìn)的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路技術(shù)做成專(zhuān)用模塊，也可在微機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)汽車(chē)上其它系統(tǒng)已有微機(jī)控制時(shí)，只要修改一下程序便可將此功能附加上去，因而可節(jié)省昂貴的控制硬件。從90年代開(kāi)始，國(guó)外又開(kāi)始發(fā)展以智能化為核心的汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)(ACC)和以定距離控制為主的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。目前國(guó)外很多專(zhuān)家都在研究自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。這種巡航控制系統(tǒng)主要由測(cè)速裝置、轉(zhuǎn)向角傳感器、車(chē)速傳感器、車(chē)速轉(zhuǎn)向傳感器、制動(dòng)ECU、轉(zhuǎn)矩ECU和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU等組成。當(dāng)?shù)缆非闆r良好時(shí)，該系統(tǒng)就是普通的巡航控制系統(tǒng)，可以按設(shè)定車(chē)速巡航行駛；當(dāng)另一輛車(chē)進(jìn)入裝置自動(dòng)測(cè)量距離以及和被測(cè)車(chē)的相對(duì)速度，并通過(guò)巡航控制系統(tǒng)控制制動(dòng)器。如果前方車(chē)輛從測(cè)量范圍內(nèi)消失，ACC將自動(dòng)恢復(fù)原先的車(chē)速，如果前方車(chē)輛減速，ACC便操縱制動(dòng)器來(lái)維持一定的時(shí)間間隔，從而避免了汽車(chē)的追尾。國(guó)外很多專(zhuān)家開(kāi)始了一種半自主式巡航控制系統(tǒng)的研究。此種巡航控制系統(tǒng)能夠很快地應(yīng)用于公路上，同時(shí)能夠保持人工操縱和自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的共存。其研究的理論結(jié)果表明，此種控制具有更高的控制精度和更強(qiáng)的控制魯棒性[17]。綜合利用仿真、分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)人工駕駛和具有自適應(yīng)控制系統(tǒng)的汽車(chē)進(jìn)行了比較，從得到的數(shù)據(jù)和信息可以知道，具有巡航控制系統(tǒng)的汽車(chē)能對(duì)駕駛員提供重要的輔助作用，對(duì)行駛安全性提供了一種主動(dòng)安全技術(shù)。不少車(chē)輛，特別是高級(jí)轎車(chē)已經(jīng)把巡航控制系統(tǒng)作為配備設(shè)備或備選設(shè)備。例如美國(guó)別克(BUICK)、凱迪拉克(CADILAC)、協(xié)和(CONCORD)、紐約人(NEWYORKER)、克萊斯勒(CMC)等均裝用了巡航控制系統(tǒng)。而日本高速公路的迅速發(fā)展使得巡航控制系統(tǒng)的裝車(chē)率也不斷得到提高，如日本皇冠(CROWN)、佳美(CAMRY)、凌志(LEXUS)等。歐洲的奔馳(BENZ)、寶馬(BMW)以及我國(guó)的紅旗轎車(chē)等均裝有巡航控制系統(tǒng)。由于國(guó)內(nèi)汽車(chē)起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，并且就目前我國(guó)公路狀況和實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，對(duì)汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用主要是以單車(chē)定速控制為主。目前，模擬汽車(chē)恒速控制器在我國(guó)已經(jīng)投入生產(chǎn)和使用。例如：由江蘇省儀征式巡航設(shè)備廠生產(chǎn)的XD-1型汽車(chē)定速系統(tǒng)是一種機(jī)電式汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的真空度作動(dòng)力，通過(guò)系統(tǒng)簡(jiǎn)單的機(jī)電結(jié)構(gòu)來(lái)穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其產(chǎn)生的真空度保持最小的變化。由于其自動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)進(jìn)行控制，使駕駛員在駕駛時(shí)不用踩油門(mén)，換檔減速使發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)變速，能節(jié)省燃油5%以上，減輕駕駛員駕駛疲勞度。然而該機(jī)電式巡航控制裝置雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卻有控制精度不高，穩(wěn)定性不強(qiáng)等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)也開(kāi)始了對(duì)電子式巡航控制裝置的研究，例如，北京理工大學(xué)應(yīng)用PID控制對(duì)汽車(chē)巡航控制進(jìn)行了細(xì)致的研究。結(jié)果表明：由于車(chē)速變化的非線性，此種控制方法難以滿足不同車(chē)速時(shí)的控制要求。由清華大學(xué)王俊敏等研制的汽車(chē)數(shù)字式巡航控制系統(tǒng)，采用了變參數(shù)的比例—積分(PI)控制算法，可根據(jù)系統(tǒng)識(shí)別的汽車(chē)行駛狀況和目標(biāo)車(chē)速與實(shí)際車(chē)速之間的偏差大小，通過(guò)查表來(lái)調(diào)整參數(shù)。這一控制方法的缺點(diǎn)是：每一組特定的PID參數(shù)都是對(duì)應(yīng)于某一段范圍內(nèi)的特征車(chē)速，因此對(duì)于不斷變化的車(chē)速來(lái)說(shuō)，其控制特性仍然不很理想。國(guó)內(nèi)也有人將模糊控制算法應(yīng)用于巡航控制系統(tǒng)，其前提是認(rèn)為司機(jī)對(duì)汽車(chē)的控制，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一個(gè)模糊控制的過(guò)程。駕駛員駕駛汽車(chē)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)車(chē)速與實(shí)際車(chē)速之間的偏差及路面情況，利用自己的經(jīng)驗(yàn)，決定加速踏板的變動(dòng)量，從而使汽車(chē)車(chē)速趨近于目標(biāo)車(chē)速。模仿這一過(guò)程的模糊控制原理如圖1-2所示。用于汽車(chē)巡航控制的模糊控制器輸入量一般可選擇設(shè)定車(chē)速和實(shí)際車(chē)速的偏差以及偏差的變化率。模糊控制是不依賴(lài)系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，因而對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)不太敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性。其不足之處是模糊控制規(guī)則的獲取和模糊隸屬度函數(shù)形狀的確定是一項(xiàng)費(fèi)力的工作；而且系統(tǒng)一旦確定，其規(guī)則和隸屬度就確定了，不能隨外界和車(chē)輛參數(shù)變化進(jìn)行調(diào)整。應(yīng)該指出，目前國(guó)內(nèi)對(duì)汽車(chē)巡航系統(tǒng)的研究還不是很成熟，控制結(jié)構(gòu)參差不齊，例如控制的精度和穩(wěn)定性差別很大。而對(duì)汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)研究的關(guān)鍵就是能夠找到一種合適的控制算法，使得控制效果盡可能理想。1.2.2巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)汽車(chē)巡航控制自70年代起各大汽車(chē)廠家都爭(zhēng)相研制并裝在較高級(jí)的轎車(chē)上，到了80年代中末期，由于微電腦在汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用和高速公路建設(shè)的迅速發(fā)展，使得它更加完善。到本世紀(jì)末起以及目前展出的21世紀(jì)汽車(chē)，該系統(tǒng)真可謂日臻完善，系統(tǒng)電路集成化水平提高，控制模塊體積精巧，多路傳輸系統(tǒng)日漸成熟，自檢系統(tǒng)更準(zhǔn)確有效。但是若使該系統(tǒng)步入普通家用轎車(chē)家族，還存在著一些問(wèn)題。即雖然系統(tǒng)多用模塊控制，但造價(jià)十分昂貴；限速太高，一般系統(tǒng)都必須在40km/h以上才起作用；檢修雖方便，但需較高的技術(shù)。隨著汽車(chē)技術(shù)和現(xiàn)代公路交通的迅速發(fā)展，汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是：進(jìn)一步采用集中微電腦控制，降低系統(tǒng)的成本。微電腦系統(tǒng)隨時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)并顯示系統(tǒng)的故障，自動(dòng)及時(shí)地中止系統(tǒng)的工作，降低最低限速，增加智能系統(tǒng)，采用跟蹤技術(shù)和增加鄰車(chē)警告系統(tǒng)，提高行車(chē)安全性，使之被大眾汽車(chē)所接受。1.3巡航控制研究的熱點(diǎn)問(wèn)題我們知道，汽車(chē)的行駛是在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力以后，借助于地面對(duì)車(chē)輪的反作用力行駛的。車(chē)速的大小變化情況非常復(fù)雜。它會(huì)受到路面滾動(dòng)阻力、汽車(chē)行駛時(shí)風(fēng)的阻力、以及道路坡度等時(shí)變因素的影響而變化[40]。而且也受到發(fā)動(dòng)機(jī)工況、負(fù)載情況等的影響。坡道的阻力是隨著道路坡度大小而變化的，即使在高速公路上也不可能避免爬坡或下坡行駛，車(chē)重越大時(shí)，坡道的阻力就越大；下坡時(shí)的慣力也就越大，而路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)也隨路面的情況、輪胎形狀、溫度、氣壓、行車(chē)速度等變化而隨機(jī)地變化，風(fēng)阻與車(chē)速的平方成正比，由于汽車(chē)行駛過(guò)程中風(fēng)速的大小和方向不斷變化。并且車(chē)速越大風(fēng)阻也越大，巡航行駛時(shí)風(fēng)阻便是一個(gè)不能忽略的因素，再如上發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與節(jié)氣門(mén)的關(guān)系非常復(fù)雜，決定了巡航控制的實(shí)現(xiàn)是非常復(fù)雜的。不但如此，由于巡航控制系統(tǒng)是工作在汽車(chē)上，而使用汽車(chē)的自然環(huán)境地區(qū)條件是千差萬(wàn)別的，有時(shí)兩地的條件差異特別大，所以又必須考慮—下巡航的特殊工作環(huán)境。如南方和北方的冬季溫差特別大，汽車(chē)各零部件工作溫度也相差較多，溫度對(duì)電氣零部件的額定工作電流是有影響的；同時(shí)濕度較高的環(huán)境容易造成電子器件絕緣損壞或腐蝕機(jī)件；當(dāng)汽車(chē)行駛在崎嶇不平的山路時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生很大的振蕩，這對(duì)電控系統(tǒng)來(lái)講就要求較高；另外，汽車(chē)的供電系統(tǒng)有蓄電池和發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)電源，蓄電池由于發(fā)電程度不同，使其輸出電壓變化較大，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器一般是用通斷方式控制發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)電流，所以汽車(chē)上的電源波動(dòng)及瞬時(shí)過(guò)電壓形成的電氣環(huán)境也較惡劣；這些環(huán)境對(duì)汽車(chē)的保養(yǎng)與控制系統(tǒng)的可靠性等都是一些不利的因素。在研究巡航系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮到這些復(fù)雜的因素。才能設(shè)計(jì)出具有較高控制精度的應(yīng)用系統(tǒng)。1.4課題的來(lái)源及研究?jī)?nèi)容本課題是由指導(dǎo)老師提供。本汽車(chē)定速巡航系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方法，駕駛員通過(guò)操縱控制開(kāi)關(guān)設(shè)置巡航定速的速度值，與采集的當(dāng)前車(chē)速進(jìn)行比較，無(wú)論汽車(chē)處于何種狀態(tài)，上坡、下坡或平路，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算及控制，驅(qū)動(dòng)油門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作，達(dá)到車(chē)速穩(wěn)定狀態(tài)。鑒于目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，本課題的主要研究?jī)?nèi)容是：1.分析巡航控制的原理，進(jìn)行汽車(chē)定速巡航控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件。2.汽車(chē)仿真模型的建立。汽車(chē)仿真模型的建立是整個(gè)仿真研究的基礎(chǔ)，模型建立的恰當(dāng)與否，將關(guān)系到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性及后續(xù)研究的可行性。本文將以轎車(chē)為對(duì)象，分析汽車(chē)行駛過(guò)程中受到的各種外力，在合理假設(shè)的前提下建立起汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型。3.控制方法的分析與確定。由于汽車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系的非線性和汽車(chē)在行駛中受到的路面坡度、空氣阻力的外界干擾，需要尋找一種最佳控制方案，使汽車(chē)在行駛過(guò)程中受到外力干擾而車(chē)速變化時(shí)，控制系統(tǒng)能根據(jù)被控對(duì)象的變化特征在線及時(shí)的調(diào)整控制參數(shù)，使控制效果保持最佳。4.利用軟件MATLAB/Simulink建立汽車(chē)仿真模型、控制器模型及整個(gè)系統(tǒng)的模型，進(jìn)行仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。5.驗(yàn)證巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性、抗干擾性等。第2章巡航控制系統(tǒng)的組成與原理2.1巡航控制系統(tǒng)的主要部件汽車(chē)電子巡航控制系統(tǒng)主要由巡航控制開(kāi)關(guān)、車(chē)速傳感器、電子控制裝置、車(chē)速控制開(kāi)關(guān)、執(zhí)行器等組成。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示?，F(xiàn)將其各部分的結(jié)構(gòu)與工作原理分別介紹：1.主控開(kāi)關(guān)主控開(kāi)關(guān)一般是桿式開(kāi)關(guān)，如圖2-2所示。安裝在轉(zhuǎn)向柱上駕駛員容易接近的地方。通常將其功能包含在組合開(kāi)關(guān)內(nèi)，大多數(shù)指令開(kāi)關(guān)有三個(gè)檔位：設(shè)置/巡航(SET/COAST)、取消(CANCEL)和復(fù)位/加速(RES/ACC)檔。該開(kāi)關(guān)處于“設(shè)置/巡航”檔位時(shí)，只要按下按鈕開(kāi)關(guān)不動(dòng)，車(chē)輛就不斷加速。當(dāng)達(dá)到要求的車(chē)速時(shí)，松開(kāi)按鈕，車(chē)輛就會(huì)按松開(kāi)按鈕時(shí)的車(chē)速保持定速行駛，當(dāng)轉(zhuǎn)換到“取消”檔時(shí)，恒速行駛立即停止?！皬?fù)位/加速”檔用于制動(dòng)或換檔斷開(kāi)電路后，使車(chē)輛重新按調(diào)定速度行駛。電流由巡航控制ECU流出，經(jīng)過(guò)不同阻值的電阻搭鐵，從而給ECU提供不同的電壓，ECU根據(jù)接受的電壓信號(hào)可判定被操作的開(kāi)關(guān)位置。2.空檔啟動(dòng)開(kāi)關(guān)用于向巡航控制ECU傳送空氣啟動(dòng)開(kāi)關(guān)接通信號(hào)(即變速器操縱桿處于空檔位置的信號(hào))，以使汽車(chē)立即退出巡航控制狀態(tài)。3.制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)用于向巡航控制ECU傳送制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)接通信號(hào)(即駕駛員踩下制動(dòng)踏板的信號(hào))，以使汽車(chē)迅速退出巡航控制狀態(tài)。4.車(chē)速傳感器車(chē)速傳感器通常和車(chē)速里程表相連接。如果車(chē)速里程表是電子式的，車(chē)速傳感器傳出的信號(hào)可直接作為巡航控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)，因而不必為巡航系統(tǒng)另設(shè)傳感器。專(zhuān)門(mén)用于巡航控制系統(tǒng)的車(chē)速傳感器一般安裝在變速器的輸出軸上，這是因?yàn)閷?shí)際車(chē)速與變速器輸出軸轉(zhuǎn)速成正比。車(chē)速傳感器有磁感應(yīng)式、霍爾式、光電式等多種結(jié)構(gòu)形式，但簡(jiǎn)單常用的是磁感應(yīng)式。節(jié)氣門(mén)控制搖臂位置傳感器：用于監(jiān)測(cè)節(jié)氣門(mén)控制搖臂的位置，并將信號(hào)傳送給巡航控制ECU。5.節(jié)氣門(mén)位置傳感器用于監(jiān)測(cè)節(jié)氣門(mén)的位置，并將信號(hào)傳送給巡航控制ECU。6.巡航控制ECU用于接收各種傳感器送來(lái)的信號(hào)，再經(jīng)計(jì)算、加工處理后，向執(zhí)行器發(fā)出指令，控制執(zhí)行器的動(dòng)作。早期的電子巡航控制系統(tǒng)，電子控制器大多采用模擬電子技術(shù)，其原理圖如圖2-3所示。整個(gè)電子控制器采用了4個(gè)放大器，每個(gè)放大器都有特定的作用，運(yùn)算放大器1是誤差信號(hào)放大器，它的輸出與指令車(chē)速和實(shí)際車(chē)速之差成正比，誤差信號(hào)UE用作運(yùn)算放大器2和3的輸入，運(yùn)算放大器2是一個(gè)放大倍數(shù)為KP的線性放大器，由于R1是可變電阻，因此放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)，運(yùn)算放大器3是一個(gè)積分放大器，其放大倍數(shù)為：KI=1/R3C因R3為可變電阻，因而KI亦可調(diào)節(jié)。線性放大器和積分放大器的輸出通過(guò)運(yùn)算放大器4疊加在一起，運(yùn)算放大器4將電壓信號(hào)UP和UI相加并將運(yùn)算結(jié)果反相。由于線性放大器和積分放大器輸出的相位與其輸入相位相反，故由運(yùn)算放大器4求和反相后才能使控制信號(hào)回到正確的極性。運(yùn)算放大器4產(chǎn)生一個(gè)模擬電壓輸出US，該模擬電壓必須先轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)方能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。為此采用了一個(gè)將模擬電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的輸出UC直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。指令開(kāi)關(guān)S1由駕駛員置位，用于選定指令車(chē)速、向采樣及保持電路發(fā)送信號(hào)，使其對(duì)已選定的指令車(chē)速采樣并記憶，即采樣及保持。采樣及保持電路的原理如圖2-4所示。采樣及保持電路原理圖圖中U1表示由駕駛員選定的指令車(chē)速信號(hào)，經(jīng)采樣后向電容C1充電，電容器電荷有一個(gè)具有高輸入阻抗的放大器進(jìn)行檢測(cè)，該運(yùn)算放大器向誤差信號(hào)放大器輸出一個(gè)與指令車(chē)速成正比的電壓信號(hào)U2，接受來(lái)自車(chē)速傳感器、巡航控制開(kāi)關(guān)、制動(dòng)開(kāi)關(guān)等的信號(hào)，經(jīng)計(jì)算、記憶、放大及信號(hào)轉(zhuǎn)換等處理后，輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作。圖2-3模擬電子控制器電路原理圖Fig.2-3Thecircuitdiagramofanalogelectro-controller圖2-4采樣及保持電路原理圖Fig.2-4Principleofsampleandholdingcircuit與模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是系統(tǒng)的信號(hào)以數(shù)字量表示，受工作溫度和濕度變化的影響小，因此數(shù)字控制具有更高的穩(wěn)定性。汽車(chē)電子巡航控制系統(tǒng)ECU可采用先進(jìn)的大規(guī)模或超大規(guī)模集成電子技術(shù)做成專(zhuān)用集成塊,也可以在微機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)汽車(chē)上其它系統(tǒng)已有控制用微機(jī)時(shí)，只需改動(dòng)一下程序便可將此功能附加上去,因而可節(jié)省其控制硬件。7.執(zhí)行器執(zhí)行器又稱(chēng)伺服器，其作用是接受巡航控制單元ECU的控制指令信號(hào)，采用可以減速的直流電機(jī)以電動(dòng)或氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)拉線盤(pán)，該拉線與油門(mén)拉線并聯(lián)，用于調(diào)整節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度，使車(chē)輛作加速、減速及定速行駛。執(zhí)行器常分為電動(dòng)式和真空式(氣動(dòng)式)兩種。下面分別作以介紹：1)電動(dòng)式執(zhí)行器電動(dòng)式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。圖2-5電動(dòng)式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖Fig.2-5Thestructureofelectromotorexecutor電動(dòng)式執(zhí)行器主要由電動(dòng)機(jī)、安全電磁離合器和位置傳感器組成。電動(dòng)機(jī)采用直流永磁式電動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)中電流方向即可改變節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)執(zhí)行元件控制臂轉(zhuǎn)動(dòng)，控制臂通過(guò)控制拉索改變節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。為限定控制臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度，電動(dòng)機(jī)電路裝有限位開(kāi)關(guān)。在電動(dòng)機(jī)與控制臂間裝有安全電磁離合器。當(dāng)進(jìn)行巡航控制時(shí)安全電磁離合器接合，此時(shí)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)可使節(jié)氣門(mén)開(kāi)度改變；若在巡航控制行駛階段執(zhí)行器或車(chē)速傳感器發(fā)生故障，安全電磁離合器立即分離。在電機(jī)式執(zhí)行器中還裝有位置傳感器，它是一個(gè)由滑動(dòng)變電阻器構(gòu)成的電位計(jì)，用于檢測(cè)執(zhí)行器控制臂的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，并將信號(hào)輸入巡航控制ECU中。2)真空式執(zhí)行器真空式執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-6所示。密封圓筒內(nèi)裝有膜片、膜片彈簧、兩個(gè)空氣電磁閥和一個(gè)真空電磁閥。真空電磁閥和空氣電磁閥的搭鐵線分別接到巡航控制ECU的端子上，在ECU內(nèi)部搭鐵時(shí)，電磁閥起作用。真空電磁閥內(nèi)部有一個(gè)真空管接頭，通過(guò)一根橡皮管與進(jìn)氣歧管相連。在膜片的中間裝有拉動(dòng)節(jié)氣門(mén)的拉索。真空式執(zhí)行器是利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的真空度吸引膜片，通過(guò)節(jié)氣門(mén)拉索，使節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大，并可保持固定位置不動(dòng)。如果空氣電磁閥打開(kāi)，則由于膜片彈簧的彈力，使節(jié)氣門(mén)拉索放松，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度減小。圖2-6真空式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2-6Thestructureofvacuumexecutor圖2-7為真空式巡航控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。在巡航控制系統(tǒng)未工作時(shí)，真空電磁閥保持關(guān)閉，空氣電磁閥打開(kāi)，密封圓筒與大氣相通。當(dāng)汽車(chē)加速時(shí)，真空電磁閥和兩個(gè)空氣電磁閥的電磁線圈電路均通過(guò)ECU內(nèi)部搭鐵而構(gòu)成回路，真空電磁閥打開(kāi)，與進(jìn)氣歧管相通，而兩個(gè)空氣電磁閥則關(guān)閉，密封圓筒內(nèi)真空度增大，吸動(dòng)膜片，克服彈簧力，通過(guò)拉索使節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大，車(chē)輛加速行駛。當(dāng)加速到一定車(chē)速時(shí)，真空電磁閥與空氣電磁閥同時(shí)關(guān)閉，此時(shí)密封圓筒內(nèi)的真空度不變，汽車(chē)保持恒速行駛。當(dāng)汽車(chē)減速時(shí)，空氣電磁閥電磁線圈斷路，又恢復(fù)為打開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)空氣進(jìn)入密封圓筒，膜片彈簧把膜片壓回原位，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度減小，汽車(chē)減速。目前汽車(chē)上使用的巡航控制系統(tǒng)分為機(jī)電式巡航控制系統(tǒng)和電子式巡航控制系統(tǒng)。采用真空式執(zhí)行器的是機(jī)電式巡航控制系統(tǒng)，采用電動(dòng)式執(zhí)行器的是電子式巡航控制系統(tǒng)。電子巡航控制系統(tǒng)是系統(tǒng)與機(jī)電式控制系統(tǒng)不同之處，是它用電子控制系統(tǒng)來(lái)設(shè)定和維持所選擇的速度。電子控制系統(tǒng)的精確性較高，與機(jī)電式控制系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn)：1.一般在行駛速度達(dá)到40km/h時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始工作。2.速度控制模塊采用數(shù)字方法測(cè)量速度，將汽車(chē)固定在設(shè)定開(kāi)關(guān)的速度上，并將系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)汽車(chē)的精確速度儲(chǔ)存起來(lái)。3.系統(tǒng)每秒鐘能調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)8次，使汽車(chē)速度維持在2km/h的波動(dòng)范圍內(nèi)。4.在汽車(chē)動(dòng)力允許的情況下，汽車(chē)爬坡時(shí)，能維持恒定的速度，并做出微小的調(diào)整。這就比直接測(cè)出機(jī)電式系統(tǒng)所產(chǎn)生的速度變化而做出較大的修正，具有更大的控制力。真空伺服裝置用來(lái)增加爬坡時(shí)系統(tǒng)維持所設(shè)定的能力。5.電子控制系統(tǒng)能提供精確的控制，通過(guò)敲擊設(shè)定開(kāi)關(guān)，能使系統(tǒng)以3km/h的穩(wěn)定增量變化。機(jī)電式系統(tǒng)雖有相同的性質(zhì)，但增量為2km/h~5km/h。6.使用“恢復(fù)”功能可以獲得更加穩(wěn)定的加速度，而不必考慮速度上的誤差。電子控制系統(tǒng)具有機(jī)電式系統(tǒng)所沒(méi)有的安全性，主要表現(xiàn)在：1.當(dāng)預(yù)定的減速度發(fā)生時(shí)，即使沒(méi)有踩制動(dòng)踏板，迅速減速停車(chē)功能將使系統(tǒng)關(guān)閉。2.當(dāng)預(yù)定的減速度發(fā)生時(shí)，滑轉(zhuǎn)停車(chē)功能將使系統(tǒng)關(guān)閉。由于這種情況通常發(fā)生在溜滑路面上，電子控制系統(tǒng)通常發(fā)生在比以前的速度的規(guī)定值，以提示駕駛員行駛條件不夠理想。3.如果設(shè)置開(kāi)關(guān)、恢復(fù)開(kāi)關(guān)、制動(dòng)器或離合器開(kāi)關(guān)、或線路出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)失效，斷開(kāi)功能將使巡航系統(tǒng)關(guān)閉。這能防止由于失效引起錯(cuò)誤的或所不希望的系統(tǒng)操作。圖2-7真空式巡航器的原理圖Fig.2-7Principleofvacuumexecutor2.2巡航控制系統(tǒng)的工作原理圖2-8是一種典型的閉環(huán)汽車(chē)電子巡航控制系統(tǒng)原理方框圖。由圖2-8可知，控制器有兩個(gè)輸入信號(hào):一個(gè)是駕駛員按要求的車(chē)速設(shè)定的車(chē)速信號(hào)，另一個(gè)是實(shí)際車(chē)速反饋信號(hào)。當(dāng)測(cè)出的實(shí)際車(chē)速高于或低于駕駛員設(shè)定的車(chē)速時(shí)，ECU將這兩種信號(hào)進(jìn)行比較，得出兩信號(hào)之差，即誤差信號(hào)，再經(jīng)放大、處理后成為節(jié)氣門(mén)控制信號(hào)，送至節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器工作，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，以修正設(shè)定車(chē)速信號(hào)與實(shí)際車(chē)速反饋信號(hào)的誤差，從而使實(shí)際車(chē)速很快恢復(fù)到駕駛員設(shè)定的車(chē)速，并保持恒定。圖2-8巡航控制系統(tǒng)基本原理框圖Fig.2-8BasicprincipleblockschemeofCCS通常將汽車(chē)在平坦路面上行駛時(shí)車(chē)速與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的關(guān)系存儲(chǔ)在巡航控制系統(tǒng)ECU的ROM中。汽車(chē)在平坦、上坡與下坡路面上行駛時(shí)的車(chē)速與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的關(guān)系如圖2-9所示。巡航控制系統(tǒng)使微機(jī)根據(jù)目標(biāo)車(chē)速自動(dòng)維持汽車(chē)恒速行駛。ECU設(shè)置了輸出控制線，輸出控制線斜率應(yīng)盡量使車(chē)速變化小，且斜率還可以調(diào)整。當(dāng)汽車(chē)速度下降時(shí)，微機(jī)就命令加大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率升高，轉(zhuǎn)矩增大，從而恢復(fù)設(shè)定速度。系統(tǒng)進(jìn)行巡航控制時(shí)，若在平坦路面上車(chē)速為V0時(shí),按下設(shè)定開(kāi)關(guān)進(jìn)入巡航控制的自動(dòng)行駛狀態(tài)，系統(tǒng)控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度到O點(diǎn)時(shí)，一旦遇到爬坡時(shí)，則行駛阻力增加，如不進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，車(chē)速就會(huì)降到V1點(diǎn)，使行駛達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)的巡航控制則按照控制線操作節(jié)氣門(mén)，使開(kāi)度從O點(diǎn)變?yōu)锳點(diǎn)，相應(yīng)的車(chē)速穩(wěn)定在VA點(diǎn)，重新取得動(dòng)力平衡。當(dāng)遇到下坡時(shí)，行駛阻力減小，巡航控制系統(tǒng)也沿著控制線操縱節(jié)氣門(mén)，節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度由O點(diǎn)變到B點(diǎn)，使車(chē)速保持在VB點(diǎn)取得平衡。因此，即使行駛阻力發(fā)生變化，車(chē)速也只在VA和VB之間的小范圍內(nèi)變化，達(dá)到穩(wěn)定行駛的目的。若使控制線呈現(xiàn)垂直狀態(tài)，則車(chē)速的波動(dòng)（控制誤差）減小到零。當(dāng)車(chē)速在40km/h以下、100km/h以上時(shí)，巡航系統(tǒng)不工作。圖2-9車(chē)速與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的關(guān)系Fig.2-9Therelationbetweencar'sspeedandthrottle'sopeningdegree2.3本章小結(jié)本章分別對(duì)主控開(kāi)關(guān)、空檔起動(dòng)開(kāi)關(guān)、制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)、車(chē)速傳感器、電子控制單元和執(zhí)行器的原理和功能進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。通過(guò)對(duì)比電動(dòng)式執(zhí)行器和真空式執(zhí)行器的特點(diǎn)，分析了采用電動(dòng)式執(zhí)行器的原因。分析了一種以實(shí)際車(chē)速和巡航車(chē)速的差值作為輸入量，實(shí)際車(chē)速為輸出量，采用閉環(huán)控制的巡航控制系統(tǒng)的工作原理。繪制了汽車(chē)在平坦、上坡與下坡路面上行駛時(shí)車(chē)速與油門(mén)開(kāi)度的關(guān)系并對(duì)其原理作了詳細(xì)分析和說(shuō)明。第3章巡行控制系統(tǒng)的仿真分析3.1行駛轎車(chē)仿真模型的建立坡路上行駛汽車(chē)的受力如圖3-1所示。圖3-1坡路上行駛汽車(chē)受力圖Fig.3-1Bearingforceofautomobileonroadslope根據(jù)牛頓第二定律，得到汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)方程為式(3-1)中m——汽車(chē)質(zhì)量；θ——坡路與水平的夾角；Fe——引擎動(dòng)力;Fr——空氣阻力,計(jì)算公式為Fh——重力分量,計(jì)算公式為Fd——汽車(chē)與路面之間的摩擦力為圖3-2中FcIn——“指令”驅(qū)動(dòng)力Fc為提供輸入口；MaxThrust——設(shè)置驅(qū)動(dòng)力的上限；UpLim取小模塊—取兩個(gè)輸入中的最大者作為輸出；MaxBrake——設(shè)置制動(dòng)力下限，取為-2021；LowLim——取兩個(gè)輸入這種的大者為輸出；ClockIn——為接受仿真時(shí)間提供輸入口；FW函數(shù)模塊——空氣阻力模塊；FH函數(shù)模塊——重力分量函數(shù)。圖3-2汽車(chē)仿真模型Fig.3-2Simulationmodelofautomobile3.2控制器模型的建立3.2.1控制方法的選擇為了使汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)達(dá)到車(chē)速控制的要求，選擇哪種控制原理和采用什么控制算法是非常重要的問(wèn)題。數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種最普通的控制方法，在冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-3所示。圖3-3中，系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，將被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng)PID控制器。其模擬表達(dá)式為或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式式(3-7)中KP——比例系數(shù)；TI——積分時(shí)間常數(shù)；TD——微分時(shí)間常數(shù)。圖3-3模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖Fig.3-3PrincipleblockschemeofanalogPIDControl簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1.比例環(huán)節(jié)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少靜差。2.積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI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(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(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。由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式(3-6)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式(3-6)，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t,以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換式(3-8)中T——采樣周期顯然，上述離散化過(guò)程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書(shū)寫(xiě)方便，將e(kT)簡(jiǎn)化表示成e(k)等，即省去T。將式(3-8)代入式(3-6)，可得離散的PID表達(dá)式為或當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量(例如驅(qū)動(dòng)電機(jī))時(shí)，可由式(3-10)導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得：式(3-10)減式(3-11)，可得式(3-13)稱(chēng)為增量式PID控制算法。圖3-4給出了增量式PID控制系統(tǒng)示意圖。由(3-12)可得式(3-14)為位置式PID控制算法，圖3-5為位置式PID控制系統(tǒng)示意圖。圖3-4增量式PID控制原理圖Fig.3-4PrincipleschemeofincrementalPIDcontrol圖3-5位置式PID控制原理Fig.3-5PrincipleschemeofpositionalPIDcontrol可以將式(3-13)進(jìn)一步改寫(xiě)成它們都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)?？梢钥闯?，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T,一旦確定了KP、KI、KD，只要使用前后三次測(cè)量值的偏差，即可由式(3-13)或式(3-15)求出控制增量。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量Δu(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置(例如閥門(mén)開(kāi)度)的增量。對(duì)應(yīng)閥門(mén)實(shí)際位置的控制量，即控制量增量的積累需要采用一定的方法來(lái)解決，目前應(yīng)用較多的是利用算式通過(guò)執(zhí)行軟件來(lái)完成。比較位置式PID及增量式PID控制框圖可以看出，位置式PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出u(k)為全量輸出，每次輸出與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，需要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，因此造成計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。而且，計(jì)算機(jī)的任何故障都會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)大幅度的變化。而對(duì)增量PID控制算法而言，雖然在算法上改動(dòng)不大,卻帶來(lái)不少優(yōu)點(diǎn),當(dāng)計(jì)算機(jī)只輸出增量時(shí)，計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作造成輸出變化也小，控制狀態(tài)的切換沖擊也小，算式中不作累加運(yùn)算,增量只跟最近的幾次采樣有關(guān)，所以非常容易獲得很好的控制效果。但增量式算法的理想微分環(huán)節(jié)容易引進(jìn)高頻干擾，導(dǎo)致調(diào)節(jié)性能不穩(wěn)。為此，在研制過(guò)程中,曾采用在微分環(huán)節(jié)中串聯(lián)一個(gè)低通濾波器以用來(lái)抑制高頻干擾，也就是實(shí)際微分環(huán)節(jié)。其關(guān)系式為式(3-19)中T——微分時(shí)間常數(shù)用實(shí)際微分代替理想微分的關(guān)系為則調(diào)節(jié)器增量算式為采用以上方法在仿真時(shí)，曾出現(xiàn)了投入微分后調(diào)節(jié)時(shí)間反而變長(zhǎng)的現(xiàn)象，其動(dòng)態(tài)品質(zhì)有時(shí)比不加微分作用還要差，特別是有時(shí)出現(xiàn)輸出異常，輸出方向相反即反跳現(xiàn)象。實(shí)踐證明：用計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)增量式PID算法和位置式PID算法,但單純采用PID增量式算法或位置式算法均不是理想的控制算法。綜合算法的PID表達(dá)式為式(3-22)中式(3-24)、(3-25)中τ——采樣周期綜上所述，如果PID調(diào)節(jié)采用增量式控制算法,能在控制系統(tǒng)中避免一般常規(guī)PID算法中存在的問(wèn)題，然而就微分項(xiàng)而言，增量算法顯然不能滿足巡航控制的要求，而位置式算法又帶來(lái)計(jì)算復(fù)雜和抗干擾能力差的缺陷。所以，我們將位置式、增量式算法結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，組成PID綜合算法，即微分環(huán)節(jié)采用位置式算法，即對(duì)全量直接作衰減運(yùn)算，所以不存在增量PID微分算法中所存在的反跳問(wèn)題。比例和積分環(huán)節(jié)則采用增量式算法，可避免位置式算法中積分環(huán)節(jié)的累加計(jì)算，以減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量。采用綜合算法的系統(tǒng)，大大地改善了動(dòng)態(tài)品質(zhì)，特別是在大擾動(dòng)情況下其過(guò)渡調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)就體現(xiàn)出來(lái)了。3.2.2仿真語(yǔ)言簡(jiǎn)介仿真語(yǔ)言采用目前國(guó)際流行的軟件包MATLAB，它除了具有傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、方便的Windows編程等便利工具，廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、圖形信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)工程、語(yǔ)言處理、雷達(dá)工程、信號(hào)分析、振動(dòng)理論等領(lǐng)域，并表現(xiàn)出一般高級(jí)語(yǔ)言不可比擬的優(yōu)勢(shì)[48][49]。MATLAB不同于其他高級(jí)語(yǔ)言，它以矩陣為運(yùn)算單位，它的線性代數(shù)、矩陣計(jì)算和數(shù)值分析等功能為進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)提供了可靠方便的支持。MATLAB是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，各種成熟的工具箱不斷擴(kuò)展并加入到系統(tǒng)中去。迄今為止已有30多種各類(lèi)工具箱面世，內(nèi)容涉及信號(hào)處理、自動(dòng)控制、圖像處理、經(jīng)濟(jì)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等不同的領(lǐng)域。特別是1990年MathWorks公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型輸入與仿真工具Simulink。Simulink可以很方便地創(chuàng)建和維護(hù)一個(gè)完整的系統(tǒng)模型；評(píng)估不同的算法和結(jié)構(gòu)并驗(yàn)證系統(tǒng)的性能；廣泛地應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)的仿真。此軟件有兩個(gè)明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標(biāo)在模型窗口上畫(huà)出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來(lái)對(duì)系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真，這種做法使得一個(gè)很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)?shù)娜菀住?.2.3控制器仿真模型的建立PID控制器的仿真模型如圖3-6所示。PID控制器參數(shù)的選取通過(guò)不斷調(diào)試，得到了一組初始PID參數(shù):KI=105，KP=0.5，KD=30，如前所述，這三個(gè)參數(shù)不是恒定的，而是隨著跟隨誤差的不同作在線調(diào)整的。3.2.4系統(tǒng)仿真模型的建立把前面創(chuàng)建的轎車(chē)行駛動(dòng)力學(xué)模型和比例控制器模型放在同一個(gè)新建模型窗口中，進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接，就可得到完整的仿真模型。最后，采用自上而下的建模方法建立起了整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型如圖3-7所示。由圖3-7可以看出，隨著系統(tǒng)變得越來(lái)越大、越來(lái)越復(fù)雜，模型將越來(lái)越過(guò)于龐大而難于讀懂，并且其仿真速度也將變慢。因而，本章利用Simulink的裝幀技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了精裝子系統(tǒng)的簡(jiǎn)化處理，使得整個(gè)模型簡(jiǎn)潔、可讀性強(qiáng)、執(zhí)行效率高。所謂裝幀技術(shù)是指將Simulink模型中的子系統(tǒng)包裝成一個(gè)模塊，并可以如同使用Simulink內(nèi)部的模塊一樣使用的一種技術(shù)。其特點(diǎn)是在不改變系統(tǒng)的前提下可以更改各個(gè)子系統(tǒng)。簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)仿真模型如圖3-8所示。系統(tǒng)保持轎車(chē)爬坡時(shí)的勻速行駛，轎車(chē)行駛狀況受到陣風(fēng)和路面起伏的影響。模型中有兩個(gè)子模塊：PID控制器和轎車(chē)模型子模塊。通過(guò)顯示器可以看出兩種控制器分別作用下車(chē)速的變化情況。圖3-6PID控制器的仿真模型Fig.3-6SimulationmodelofPIDcontroller圖3-7汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)仿真模型Fig.3-7SimulatedModelofAutomotiveCCS圖3-8裝幀處理的汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)仿真模型Fig.3-8ManagedsimulationmodelforautomotiveCruiseControlSystem3.3仿真結(jié)果分析設(shè)定車(chē)速為60km/h,65km/h和70km/h的PID控制的仿真波形分別如圖3-9、3-10、3-11所示。由圖3-9、3-10、3-11可以看出，所采用的控制方法超調(diào)較小，響應(yīng)時(shí)間較快，能較好地模擬真實(shí)情況。圖3-9設(shè)定車(chē)速為60km/h的仿真Fig.3-9Simulationwaveformwithdesiredspeedof60km/h圖3-10設(shè)定車(chē)速為65km/h的仿真Fig.3-10Simulationwaveformwithdesiredspeedof65km/h圖3-11設(shè)定車(chē)速為70km/h的仿真車(chē)速Fig.3-11Simulationwaveformwithdesiredspeedof70km/h3.4本章小結(jié)本章分析了坡路上行駛轎車(chē)的受力，建立了轎車(chē)的數(shù)學(xué)模型。主要利用軟件MATLAB/Simulink建立了行駛汽車(chē)、PID控制器以及整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，詳述了模型建立過(guò)程。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算和分析。在幾種不同的車(chē)速下做出了基于PID控制方法的控制曲線。仿真研究表明：該控制律能使汽車(chē)的巡航速度逐漸趨向并穩(wěn)定于設(shè)定的目標(biāo)值，在不同的巡航車(chē)速下均可得到良好的控制效果，從而保證汽車(chē)行車(chē)的舒適性。第4章巡航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1巡航控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1.1微處理器的選擇微控制器MCU是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，它的選擇決定了系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境以及硬件連接方式等一系列的問(wèn)題。在綜合考慮了巡航控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、性能/價(jià)格比、功能完善性等方面的因素后，選用的是Microchip公司的PIC系列單片機(jī)的PIC16F873。此單片機(jī)具有4k字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器、128字節(jié)的EEPROM、22個(gè)通用寄存器、5通道的10位AD轉(zhuǎn)換器和13個(gè)中斷源、支持在線串行編程等特點(diǎn)。完全滿足控制系統(tǒng)的要求。4.1.2其他輔助芯片介紹及應(yīng)用4.1.2.1電源芯片電源系統(tǒng)是任何汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的子系統(tǒng)之一。整體功耗、電池反極保護(hù)、汽車(chē)跳啟、車(chē)輛噪聲和汽車(chē)休眠功率都是在設(shè)計(jì)電源時(shí)必須考慮的因素。如果電源設(shè)計(jì)比較糟糕的話再好的系統(tǒng)也不能正常發(fā)揮作用。本設(shè)計(jì)采用的是西門(mén)子公司生產(chǎn)的電源芯片TLE4264。該產(chǎn)品的主要特點(diǎn)如下：1.允許輸出的偏差2％；2.150mA的輸出電流；3.5V固定電壓輸出；4.過(guò)溫保護(hù)；5.短路保護(hù)；6.體積??；7.30μA的靜態(tài)電流。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電壓要求12V，而單片機(jī)電壓需求是5V。此電壓芯片的作用就是將12V電壓轉(zhuǎn)變成5V電壓，在本設(shè)計(jì)中TLE4264的應(yīng)用電路如圖4-1所示。圖4-1TLE4264應(yīng)用電路Fig4-1ApplicationcircuitofTLE42644.1.2.2車(chē)速傳感器受實(shí)驗(yàn)條件的限制，用直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)代替車(chē)速，直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸上裝有磁鐵，開(kāi)關(guān)霍爾元件固定在其上方，霍爾元件三個(gè)引腳的引出線，分別是電源、地和輸出。開(kāi)關(guān)霍爾傳感器選用的是Allegro公司的A3144，此芯片的特點(diǎn)是：1.抗高溫；2.高穩(wěn)定度；3.反相電壓保護(hù)；4.需求電壓范圍廣，4.5V-24V；5.集成數(shù)字邏輯電路。其輸出電壓根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，輸出占空比不同，幅值0.7V的方波信號(hào)，輸出波形如圖4-2所示。圖4-2車(chē)速傳感器的輸出波形Fig.4-OutputwaveofvehiclespeedsensorPIC單片機(jī)識(shí)別的高電平為5V，低電平為0V。所以傳感器傳出的方波信號(hào)在送入單片機(jī)之前要經(jīng)過(guò)放大濾波電路，如圖4-3所示。當(dāng)車(chē)速信號(hào)INT經(jīng)過(guò)放大濾波電路后，將向單片機(jī)RC2/CCP1引腳送入幅值5V的方波信號(hào)。圖4-3放大濾波電路Fig4-3Applicationcircuitofenlargementandflitering此設(shè)計(jì)采用頻率法測(cè)量車(chē)速。即在一定的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算脈沖的頻率。這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)速(所模擬的車(chē)速)也就計(jì)算出來(lái)了。4.1.2.3節(jié)氣門(mén)電壓信號(hào)采集節(jié)氣門(mén)位置傳感器相當(dāng)于一個(gè)電位器，如果正負(fù)兩端加上5V電壓，由于其內(nèi)部的原因，測(cè)得滑動(dòng)端輸出電壓范圍為0.96-4.78V，當(dāng)節(jié)氣門(mén)打開(kāi)一定的開(kāi)度，其輸出端將輸出一個(gè)和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度成正比的電壓量，這個(gè)量經(jīng)濾波電路送入單片機(jī)的模擬通道引腳RA0。其濾波電路見(jiàn)圖4-4。圖4-4節(jié)氣門(mén)的濾波電路Fig4-4flitercircuitofthrottle啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，可以把這個(gè)電壓量轉(zhuǎn)換成十位的數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器把0.96-4.78V電壓A轉(zhuǎn)換成0000H-03FFH的數(shù)字量D，這個(gè)數(shù)存放在單片機(jī)的ADRESH和ADRESL寄存器上，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度計(jì)算公式為：α=(D/1023)×100%(4-1)4.1.2.4開(kāi)關(guān)量的采集在巡航控制系統(tǒng)中，許多控制量只需要開(kāi)關(guān)量，即單片機(jī)上能識(shí)別高、低電平，并做出控制反應(yīng)。手制動(dòng)開(kāi)關(guān)的信號(hào)處理電路如圖4-5所示。圖4-5手制動(dòng)信號(hào)的處理電路Fig4-5Processingcircuitofhandbrakesignal腳制動(dòng)開(kāi)關(guān)的信號(hào)處理電路如圖4-6所示。圖4-6腳制動(dòng)信號(hào)的處理電路Fig4-6Processingcircuitofpedalbrakesignal巡航鍵、加速鍵、減速鍵、取消鍵的信號(hào)處理電路如圖4-7所示。圖4-7巡航鍵、加速鍵、減速鍵、取消鍵的信號(hào)處理電路Fig4-7Processingcircuitofcruiseswitch4.1.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)在巡航控制系統(tǒng)中，主要有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路：一個(gè)是離合器驅(qū)動(dòng)電路，一個(gè)是控制節(jié)氣門(mén)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。4.1.3.1離合器驅(qū)動(dòng)電路離合器位于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間的飛輪殼內(nèi)，用螺釘將離合器固定在左飛輪的后平面上，離合器的輸出軸就是變速箱的輸入軸，在汽車(chē)行駛過(guò)程中，駕駛員可根據(jù)需要踩下或松開(kāi)離合器踏板，使發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱分離和逐漸接合，以切斷或傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)向變速箱輸入的動(dòng)力。此系統(tǒng)的離合器集成在控制節(jié)氣門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，如果想要直流電機(jī)正常工作，首先要驅(qū)動(dòng)離合器。離合器的驅(qū)動(dòng)電路如圖4-8所示。圖4-8離合器驅(qū)動(dòng)電路Fig4-8Drivingcircuitofclutch圖4-8中，離合器的一端接12V電源，另一端接在的LHQ1端，三極管9014是NPN的，IRF3205是N溝道的MOSFET。當(dāng)單片機(jī)的RC7引腳發(fā)出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，N溝道的MOSFET不導(dǎo)通，LHQ1處于高電平，離合器不啟動(dòng)，直流電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)；反之，離合器開(kāi)啟，直流電機(jī)處于工作狀態(tài)。4.1.3.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的電機(jī)是直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的芯片選用的是西門(mén)子公司生產(chǎn)的TLE5205，此芯片的特點(diǎn)是：1.峰值驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)到6A。2.溫度診斷電路。3.二極管續(xù)流保護(hù)電路。4.輸出開(kāi)路檢測(cè)。5.現(xiàn)場(chǎng)診斷故障功能。6.工作溫度環(huán)境：-40℃－1507.輸出短路保護(hù)。TLE5205靜態(tài)電流只有16μA，因此在電源沒(méi)有活動(dòng)時(shí)，就可以達(dá)到減少功耗的目的；另一方面，TLE5205還具有輸入電源反向和輸出電源反向保護(hù)功能，即使在輸出端不增加二極管的情況下，該芯片也能防止電流反向倒流?？梢?jiàn)對(duì)該芯片的使用既可以達(dá)到為系統(tǒng)提供電源的目的，又能降低功耗。TLE5205具有8個(gè)引腳，各引腳的功能說(shuō)明如表4-1所列。電路圖如圖4-9所示。TLE5205輸入的邏輯真值表如表4-2所列。圖4-10TLE205應(yīng)用電路Fig4-10ApplicationcircuitofTLE205綜上所述，只要控制單片機(jī)RC6和RB0引腳上的電位就可以控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，至于需要節(jié)氣門(mén)打開(kāi)多大的開(kāi)度，只要控制電機(jī)正傳或反轉(zhuǎn)的時(shí)間即可?？刂乒?jié)氣門(mén)開(kāi)度的時(shí)間如果太大，節(jié)氣門(mén)容易達(dá)到開(kāi)度滿值，控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的時(shí)間如果太小，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化隨之也會(huì)變地很小，系統(tǒng)誤差會(huì)變地很大，不宜于計(jì)算，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終確定控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的時(shí)間以100ms為標(biāo)準(zhǔn)。4.1.3.3模擬車(chē)速的電機(jī)控制電路用于模擬車(chē)速的電機(jī)是用IRF3205來(lái)控制的。控制電路如圖4-11。單片機(jī)RC1引腳輸出幅值為5V、脈沖寬度隨時(shí)可調(diào)的PWM信號(hào)，當(dāng)RC1引腳輸出高電平時(shí)，IRF3205導(dǎo)通，電機(jī)的負(fù)極和地導(dǎo)通，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，當(dāng)RC1引腳輸出低電平，IRF3205不導(dǎo)通，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只需改變RC2輸出的占空比，RC2輸出高電平的時(shí)間(電機(jī)導(dǎo)通的時(shí)間)也就跟著改變，就達(dá)到了控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的作用。圖4-11電機(jī)控制電路Fig4-11Circuitofelectricmotorcontrol4.1.4系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)為使系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)盡可能合理，系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)考慮了以下原則:1.盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。2.選擇通用性強(qiáng)、市場(chǎng)貨源充足的元器件，尤其對(duì)需大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合，更應(yīng)注意。其優(yōu)點(diǎn)是：一旦某種元器件無(wú)法獲得，也能用其它元器件直接替換或?qū)﹄娐飞宰鞲膭?dòng)后，用其它器件代替。3.設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地做些調(diào)研，采用最新的技術(shù)，因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)發(fā)展迅速，器件更新?lián)Q代快，市場(chǎng)上不斷推出性能更優(yōu)、功能更強(qiáng)的芯片，只有時(shí)刻注意這方面的發(fā)展動(dòng)態(tài)，采用新技術(shù)、新工藝，才能使產(chǎn)品具有最先進(jìn)的性能。4.在電路設(shè)計(jì)中，要充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動(dòng)能力。因?yàn)椴煌碾娐酚胁煌尿?qū)動(dòng)能力，對(duì)后級(jí)系統(tǒng)的輸入阻抗要求也不一樣，如果阻抗匹配不當(dāng)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力不夠，將導(dǎo)致系統(tǒng)工作不可靠甚至無(wú)法工作。對(duì)所應(yīng)用的芯片認(rèn)真選取后進(jìn)行設(shè)計(jì)，巡航控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4-12所示。圖4-12巡航控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig4-12HardwarestructureofCCS4.2巡航控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.2.1開(kāi)發(fā)環(huán)境的介紹在設(shè)計(jì)中選取Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F873單片機(jī)作為系統(tǒng)的微控制器，這就決定了開(kāi)發(fā)用戶(hù)程序的軟件編輯環(huán)境也是由Microchip公司生產(chǎn)的MPLAB-ICD開(kāi)發(fā)工具套件，它既是一個(gè)編程器，又是一個(gè)實(shí)時(shí)在線調(diào)試器。它可以代替在單片機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中常用的兩件工具：硬件在線實(shí)時(shí)仿真器和程序燒寫(xiě)器。它利用了PIC16F87X片內(nèi)集成的在線調(diào)試能力和Microchip公司的在線串行編程技術(shù)。MAPLAB通過(guò)6針的扁平電纜燒寫(xiě)入微控制器內(nèi)，進(jìn)行在線或者離線調(diào)試都可以。6針電纜各芯的引腳分配見(jiàn)表4-3。4.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)工作性能的好壞很大程度上取決于程序結(jié)構(gòu)的合理性。合理地安排程序結(jié)構(gòu)有助于提高程序的運(yùn)行速度和可靠性。汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)如圖4-13。首先，對(duì)程序中涉及的所有變量、單片機(jī)的端口狀態(tài)進(jìn)行初始化，然后判斷是否有設(shè)定鍵按下，有的話采集此時(shí)的車(chē)速，如果車(chē)速在40到100范圍內(nèi)，采集此時(shí)的車(chē)速為當(dāng)前速度，之后程序就進(jìn)入到循環(huán)執(zhí)行的主體部分。在這一部分中，首先判斷巡航鍵是否按下，有的話，設(shè)定目標(biāo)速度，如果加速鍵或減速鍵按下的話，增大或減少目標(biāo)速度。確定目標(biāo)速度后，采用模糊PID控制，根據(jù)實(shí)際速度與目標(biāo)速度的偏差和偏差變化率的大小，確定其在模糊論域中的值，查表3-4，表3-5，表3-6，可獲得相應(yīng)控制參數(shù)歸一化前的數(shù)值，然后再乘以適當(dāng)?shù)谋壤蜃?，最后得到其精確值，代入其算法得出節(jié)氣門(mén)的變化值，輸出控制信號(hào)，增大或減少節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，迅速調(diào)整當(dāng)前車(chē)速到目標(biāo)車(chē)速，結(jié)束循環(huán)，返回，如果是取消鍵或是制動(dòng)鍵按下，清目標(biāo)速度，繼續(xù)判斷設(shè)定鍵是否按下，程序回到循環(huán)體的入口進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。圖4-13巡航控制主程序流程Fig.4-13Mainflowchartofcruisecontrol4.2.3軟件可靠性措施為了提高系統(tǒng)的可靠性，采取了如下措施：1.“封鎖”由于在實(shí)際的系統(tǒng)中強(qiáng)干擾的來(lái)源主要是來(lái)自系統(tǒng)本身，例如，被控負(fù)載電機(jī)的通斷、狀態(tài)變化等，這些干擾是可預(yù)知的，在軟件的設(shè)計(jì)中，可采取適當(dāng)措施避開(kāi)。當(dāng)系統(tǒng)要接通或斷開(kāi)大功率負(fù)載時(shí)，暫停一切數(shù)據(jù)采集工作，待干擾過(guò)去后再恢復(fù)進(jìn)行，這比單純?cè)谟布喜扇】垢蓴_措施好得多。在適當(dāng)?shù)牡胤椒怄i某些中斷源，多個(gè)通道的相互封鎖，都是避免或減弱系統(tǒng)內(nèi)部件間相互干擾的有效方法。2.程序失控防護(hù)措施在控制現(xiàn)場(chǎng)中，大多數(shù)情況下干擾都不會(huì)造成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的損壞，主要是對(duì)軟件運(yùn)行造成不良影響，其主要特征是：指令碼和數(shù)據(jù)碼的個(gè)別位受干擾而發(fā)生跳變，使得程序的執(zhí)行出現(xiàn)錯(cuò)誤，最典型的錯(cuò)誤情況莫過(guò)于程序計(jì)數(shù)器發(fā)生跳變，結(jié)果可能把數(shù)據(jù)碼當(dāng)成指令碼而把指令碼當(dāng)成數(shù)據(jù)碼來(lái)執(zhí)行。這種盲目執(zhí)行程序的結(jié)果，一方面會(huì)破壞RAM存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù),另一方面可能由于某些偶然的原區(qū)而產(chǎn)生程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)，使整個(gè)系統(tǒng)失控，嚴(yán)重時(shí)有可能造成設(shè)備的損壞甚至危及人身安全，所以采取有效的程序失控防護(hù)措施，是非常必要的。4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到以下波形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中目標(biāo)速度小于當(dāng)前速度的巡航波如圖4-14所示。目標(biāo)速度大于當(dāng)前速度的巡航波形如圖4-15。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的巡航控制命令，且效果理想。圖4-14是目標(biāo)速度小于當(dāng)前速度的巡航波形Fig.4-14cruisewareofobjectspeedislessthancurrentspeed圖4-15是目標(biāo)速度大于當(dāng)前速度的巡航波形Fig.4-15cruisewareofobjectspeedismorethancurrentspeed4.4本章小結(jié)本章對(duì)汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)中所用到的微控制器及電源芯片和驅(qū)動(dòng)控制芯片進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，最后根據(jù)提出的設(shè)計(jì)方案及選用的芯片，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖及應(yīng)用電路圖。簡(jiǎn)單介紹了PIC單片機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)工具M(jìn)PLAB-ICD，提出了系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)思想，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)流程圖，結(jié)果表明，完全能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的巡航控制命令，且效果理想。結(jié)論通過(guò)對(duì)基于PIC16F873單片機(jī)汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得出以下結(jié)論：1.介紹國(guó)內(nèi)外汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向有一定的認(rèn)識(shí)，即集成電子化、模塊化，整車(chē)智能化、駕駛自動(dòng)化是今后的主要研究發(fā)展方向。2.認(rèn)真分析了巡航控制系統(tǒng)的基本原理，結(jié)合國(guó)內(nèi)外巡航控制發(fā)展的狀況，提出了一種基于PIC16F873單片機(jī)巡航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。3.選用模糊PID算法為控制算法，克服了PID控制和模糊控制在實(shí)際應(yīng)用中各自的局限性，在汽車(chē)的行駛過(guò)程中，由于外界負(fù)荷的擾動(dòng)、汽車(chē)質(zhì)量和傳動(dòng)系效率等不確定性因素的影響，巡航控制系統(tǒng)屬于非線性系統(tǒng)，模糊PID控制可以根據(jù)操作人員長(zhǎng)期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)運(yùn)用控制規(guī)則模糊化，然后運(yùn)用PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，可以取得理想的控制效果。4.利用軟件MATLAB在已有數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了汽車(chē)仿真模型、控制器模型及整個(gè)系統(tǒng)的模型，進(jìn)行仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明：模糊PID控制將模糊控制和PID控制有效結(jié)合，具有響應(yīng)速度快，超調(diào)量小的優(yōu)點(diǎn)，適用于汽車(chē)巡航系統(tǒng)的控制。5.完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的巡航控制命令，且效果理想。參考文獻(xiàn)［1］劉希恭．國(guó)產(chǎn)汽車(chē)巡航控制、導(dǎo)航系統(tǒng)使用與故障檢修實(shí)用手冊(cè)［Ｍ］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021：194［2］李春明.汽車(chē)車(chē)身電子技術(shù)［Ｍ］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2021：268［3］李朝輝楊新樺．汽車(chē)新技術(shù)［Ｍ］．北京：重慶出版社，2021：307［4］馮淵．汽車(chē)電子控制技術(shù)［Ｍ］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021：341［4］戴冠軍等．現(xiàn)代汽車(chē)新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)使用維修手冊(cè)［Ｍ］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2021：441［5］陶永華,伊怡新,葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用.北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，2021：1~17致謝本文的選題、課題研究及撰寫(xiě)工作是在恩師教授的悉心指導(dǎo)下完成的。兩年多的學(xué)習(xí)生活中學(xué)生的點(diǎn)滴進(jìn)步，無(wú)不凝聚著恩師的心血。恩師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，淵博的知識(shí)、敏銳的思維、燃燒自己照亮他人的奉獻(xiàn)精神以及質(zhì)樸謙和的長(zhǎng)者風(fēng)范，不僅使學(xué)生在學(xué)習(xí)期間受益終身，而且對(duì)學(xué)生今后的工作和生活也必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在此謹(jǐn)向恩師致以由衷的感謝和崇高的敬意。

社會(huì)實(shí)踐報(bào)告系別：班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：作為祖國(guó)未來(lái)的事業(yè)的繼承人，我們這些大學(xué)生應(yīng)該及早樹(shù)立自己的歷史責(zé)任感，提高自己的社會(huì)適應(yīng)能力。假期的社會(huì)實(shí)踐就是很好的鍛煉自己的機(jī)會(huì)。當(dāng)下，掙錢(qián)早已不是打工的唯一目的，更多的人將其視為參加社會(huì)實(shí)踐、提高自身能力的機(jī)會(huì)。許多學(xué)校也積極鼓勵(lì)大學(xué)生多接觸社會(huì)、了解社會(huì)，一方面可以把學(xué)到的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中去，提高各方面的能力；另一方面可以積累工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)日后的就業(yè)大有裨益。進(jìn)行社會(huì)實(shí)踐，最理想的就是找到與本專(zhuān)業(yè)對(duì)口單位進(jìn)行實(shí)習(xí)，從而提高自己的實(shí)戰(zhàn)水平，同時(shí)可以將課本知識(shí)在實(shí)踐中得到運(yùn)用，從而更好的指導(dǎo)自己今后的學(xué)習(xí)。但是作為一名尚未畢業(yè)的大學(xué)生，由于本身具備的專(zhuān)業(yè)知識(shí)還十分的有限，所以我選擇了打散工作為第一次社會(huì)實(shí)踐的方式。目的在于熟悉社會(huì)。就職業(yè)本身而言，并無(wú)高低貴賤之分，存在即為合理。通過(guò)短短幾天的打工經(jīng)歷可以讓長(zhǎng)期處于校園的我們對(duì)社會(huì)有一種更直觀的認(rèn)識(shí)。實(shí)踐過(guò)程：自從走進(jìn)了大學(xué)，就業(yè)問(wèn)題就似乎總是圍繞在我們的身邊，成了說(shuō)不完的話題。在現(xiàn)今社會(huì)，招聘會(huì)上的大字報(bào)都總寫(xiě)著“有經(jīng)驗(yàn)者優(yōu)先”，可還在校園里面的我們這班學(xué)子社會(huì)經(jīng)驗(yàn)又會(huì)擁有多少呢？為了拓展自身的知識(shí)面，擴(kuò)大與社會(huì)的接觸面，增加個(gè)人在社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)中的經(jīng)驗(yàn)，鍛煉和提高自己的能力，以便在以后畢業(yè)后能真正真正走入社會(huì)，能夠適應(yīng)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變