汽車巡航控制系統(tǒng)（ccs）的設計

PAGE47汽車巡航控制系統(tǒng)（CCS）的設計系別:專業(yè)名稱:學生姓名:學號:指導教師姓名、職稱：汽車巡航控制系統(tǒng)(CCS)的設計摘要隨著經(jīng)濟的穩(wěn)定增長和我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車消費迅速進入大眾化階段。人們對駕駛的安全性和舒適性的要求越來越高,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)步入普通家用轎車家族，還存在著一些困難。本文介紹的解決方案電路簡單、價格低廉，有很好的應用前景。在認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以后，提出了一種閉環(huán)控制的巡航控制系統(tǒng)設計方案。由車速傳感器采集的車速信號和設定車速的差值作為輸入量，實際車速作為輸出量。位置式PID控制算法造成計算機運算工作量大，而且計算機的任何故障都會引起執(zhí)行機構(gòu)大幅度的變化。然而就微分項而言,增量式算法容易引進高頻干擾,導致調(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,取長補短,組成PID綜合算法。采用上述控制方法對汽車巡航控制系統(tǒng)進行了計算機仿真研究，建立了系統(tǒng)的仿真模型，詳述了模型的建立過程。仿真結(jié)果表明：所采用的控制策略是可行的，能較好地模擬真實系統(tǒng)。設計了基于PIC單片機的汽車巡航控制系統(tǒng),對設計過程作了必要說明。實驗中，采樣了多組車速與節(jié)氣門開度的波形，驗證了仿真結(jié)果的正確性。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)的超調(diào)量較小，響應時間快，所采用的控制方法簡單易行。關(guān)鍵詞巡航控制；PID控制；PIC單片機；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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 11.2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2.2巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 41.3巡航控制研究的熱點問題 41.4課題的來源及研究內(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仿真語言簡介 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)的設計 224.1巡航控制系統(tǒng)的硬件設計 224.1.1微處理器的選擇 224.1.2其他輔助芯片介紹及應用 224.1.3驅(qū)動電路的設計 264.1.4系統(tǒng)整體電路設計 284.2巡航控制系統(tǒng)的軟件設計 294.2.1開發(fā)環(huán)境的介紹 294.2.2系統(tǒng)軟件設計 304.2.3軟件可靠性措施 314.3實驗結(jié)果 324.4本章小結(jié) 33結(jié)論 34參考文獻 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汽車工業(yè)的發(fā)展，提高我國汽車的技術(shù)含量是迫在眉睫的問題之一。而本課題正是適應目前國內(nèi)外汽車工業(yè)的情形而產(chǎn)生的。汽車巡航控制系統(tǒng)，簡稱CCS，即“CruiseControlSystem”。汽車巡航控制是指在一定的車速范圍內(nèi)，當汽車受到干擾外力時，允許駕駛員不用控制加速踏板，該系統(tǒng)通過自動調(diào)整節(jié)氣門開度從而調(diào)整發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩，使汽車按設定的車速恒速行駛。裝有巡航控制系統(tǒng)的汽車有如下優(yōu)點：1.保持車速穩(wěn)定無論是上坡、下坡還是在平直的路面上行駛，只要在發(fā)動機功率允許的范圍內(nèi)，車速均可保持勻速行駛。2.可提高駕駛時的舒適性和安全性這一優(yōu)點在高速公路或是城市高等級公路上表現(xiàn)尤為明顯。此外，這一系統(tǒng)減輕了駕駛員的負擔，對保證行車安全十分有利。3.可最大限度地節(jié)省燃油及降低排氣污染汽車以恒定車速行駛時，可使燃油消耗與發(fā)動機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。隨著我國高速公路網(wǎng)的迅速擴大和延伸，汽車巡航控制系統(tǒng)的優(yōu)越性能也將更加體現(xiàn)出來。它有助于減少駕駛操作的強度，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，這種汽車新技術(shù)在我國具備廣泛的發(fā)展和應用前景，其研究的意義也是非常重大的。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從總體上來說，國外汽車巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展大體經(jīng)歷了三個階段：第一階段是50年代至70年代中期，這一時期美國和日本相繼出現(xiàn)了以模擬電路為基礎的汽車巡航控制系統(tǒng)。例如，日本豐田公司從1965年起就開始在車上裝用機械式巡航控制系統(tǒng)。之后，德國的VDO公司也研制出了氣動機械式巡航控制系統(tǒng)。而1968年德國奔馳公司開發(fā)了晶體管控制的巡航控制系統(tǒng)，并在莫克利汽車上裝用。第二階段是70年代中后期至80年代中后期，以數(shù)字信號為主的控制系統(tǒng)。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路及微機的應用。出現(xiàn)了以數(shù)字技術(shù)為基礎的巡航控制系統(tǒng)。例如：1974年美國魯卡斯汽車研究中心研究出了性能完善的運用衛(wèi)星雷達的數(shù)字控制器控制的車速/車距控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以更好地適應路面狀況的變化。日本Hino(日野)公司于1985年投放市場一種基于燃油經(jīng)濟性的車速控制系統(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)字形式直接存儲和處理，帶有可擦只讀存儲器的八位微處理器(MCU)根據(jù)指令車速、實際車速以及其他輸入信號，按給定程序完成所有數(shù)據(jù)處理之后產(chǎn)生一個輸出信號驅(qū)動步進電機，改變節(jié)氣門開度，每種車型的最佳加速度和減速度由編程人員決定。從安全上考慮，將制動開關(guān)與節(jié)氣門執(zhí)行器直接相連，這樣，當踩下制動踏板時，在斷開巡航控制的同時，將執(zhí)行器的動力源斷開，從而使節(jié)氣門安全關(guān)閉。圖1-1Hino公司研制的經(jīng)濟型車速控制系統(tǒng)框圖Fig.1-1EconomicalspeedcontrolsystemofHinoCo.與模擬技術(shù)相比，數(shù)字系統(tǒng)的突出特點是系統(tǒng)的信號量以數(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。汽車巡航電子控制器采用先進的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路技術(shù)做成專用模塊，也可在微機上編程實現(xiàn)。當汽車上其它系統(tǒng)已有微機控制時，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年代開始，國外又開始發(fā)展以智能化為核心的汽車巡航控制系統(tǒng)(ACC)和以定距離控制為主的自適應巡航控制系統(tǒng)。目前國外很多專家都在研究自適應巡航控制系統(tǒng)。這種巡航控制系統(tǒng)主要由測速裝置、轉(zhuǎn)向角傳感器、車速傳感器、車速轉(zhuǎn)向傳感器、制動ECU、轉(zhuǎn)矩ECU和發(fā)動機ECU等組成。當?shù)缆非闆r良好時，該系統(tǒng)就是普通的巡航控制系統(tǒng)，可以按設定車速巡航行駛；當另一輛車進入裝置自動測量距離以及和被測車的相對速度，并通過巡航控制系統(tǒng)控制制動器。如果前方車輛從測量范圍內(nèi)消失，ACC將自動恢復原先的車速，如果前方車輛減速，ACC便操縱制動器來維持一定的時間間隔，從而避免了汽車的追尾。國外很多專家開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)能夠很快地應用于公路上，同時能夠保持人工操縱和自適應巡航控制系統(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的控制魯棒性[17]。綜合利用仿真、分析和實驗結(jié)果對人工駕駛和具有自適應控制系統(tǒng)的汽車進行了比較，從得到的數(shù)據(jù)和信息可以知道，具有巡航控制系統(tǒng)的汽車能對駕駛員提供重要的輔助作用，對行駛安全性提供了一種主動安全技術(shù)。不少車輛，特別是高級轎車已經(jīng)把巡航控制系統(tǒng)作為配備設備或備選設備。例如美國別克(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)以及我國的紅旗轎車等均裝有巡航控制系統(tǒng)。由于國內(nèi)汽車起步較晚，技術(shù)相對落后，并且就目前我國公路狀況和實際應用來說，對汽車巡航控制系統(tǒng)的研究應用主要是以單車定速控制為主。目前，模擬汽車恒速控制器在我國已經(jīng)投入生產(chǎn)和使用。例如：由江蘇省儀征式巡航設備廠生產(chǎn)的XD-1型汽車定速系統(tǒng)是一種機電式汽車巡航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用汽車發(fā)動機工作時產(chǎn)生的真空度作動力，通過系統(tǒng)簡單的機電結(jié)構(gòu)來穩(wěn)定發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，使其產(chǎn)生的真空度保持最小的變化。由于其自動對發(fā)動機的油門進行控制，使駕駛員在駕駛時不用踩油門，換檔減速使發(fā)動機自動變速，能節(jié)省燃油5%以上，減輕駕駛員駕駛疲勞度。然而該機電式巡航控制裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單，卻有控制精度不高，穩(wěn)定性不強等特點。國內(nèi)也開始了對電子式巡航控制裝置的研究，例如，北京理工大學應用PID控制對汽車巡航控制進行了細致的研究。結(jié)果表明：由于車速變化的非線性，此種控制方法難以滿足不同車速時的控制要求。由清華大學王俊敏等研制的汽車數(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)識別的汽車行駛狀況和目標車速與實際車速之間的偏差大小，通過查表來調(diào)整參數(shù)。這一控制方法的缺點是：每一組特定的PID參數(shù)都是對應于某一段范圍內(nèi)的特征車速，因此對于不斷變化的車速來說，其控制特性仍然不很理想。國內(nèi)也有人將模糊控制算法應用于巡航控制系統(tǒng)，其前提是認為司機對汽車的控制，從本質(zhì)上來說是一個模糊控制的過程。駕駛員駕駛汽車時，根據(jù)目標車速與實際車速之間的偏差及路面情況，利用自己的經(jīng)驗，決定加速踏板的變動量，從而使汽車車速趨近于目標車速。模仿這一過程的模糊控制原理如圖1-2所示。用于汽車巡航控制的模糊控制器輸入量一般可選擇設定車速和實際車速的偏差以及偏差的變化率。模糊控制是不依賴系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，因而對系統(tǒng)的參數(shù)不太敏感，具有很強的魯棒性。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)形狀的確定是一項費力的工作；而且系統(tǒng)一旦確定，其規(guī)則和隸屬度就確定了，不能隨外界和車輛參數(shù)變化進行調(diào)整。應該指出，目前國內(nèi)對汽車巡航系統(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。而對汽車巡航控制系統(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)展趨勢汽車巡航控制自70年代起各大汽車廠家都爭相研制并裝在較高級的轎車上，到了80年代中末期，由于微電腦在汽車上的廣泛應用和高速公路建設的迅速發(fā)展，使得它更加完善。到本世紀末起以及目前展出的21世紀汽車，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)更準確有效。但是若使該系統(tǒng)步入普通家用轎車家族，還存在著一些問題。即雖然系統(tǒng)多用模塊控制，但造價十分昂貴；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)。隨著汽車技術(shù)和現(xiàn)代公路交通的迅速發(fā)展，汽車巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是：進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)隨時自動監(jiān)測并顯示系統(tǒng)的故障，自動及時地中止系統(tǒng)的工作，降低最低限速，增加智能系統(tǒng)，采用跟蹤技術(shù)和增加鄰車警告系統(tǒng)，提高行車安全性，使之被大眾汽車所接受。1.3巡航控制研究的熱點問題我們知道，汽車的行駛是在發(fā)動機產(chǎn)生動力以后，借助于地面對車輪的反作用力行駛的。車速的大小變化情況非常復雜。它會受到路面滾動阻力、汽車行駛時風的阻力、以及道路坡度等時變因素的影響而變化[40]。而且也受到發(fā)動機工況、負載情況等的影響。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，車重越大時，坡道的阻力就越大；下坡時的慣力也就越大，而路面的滾動阻力系數(shù)也隨路面的情況、輪胎形狀、溫度、氣壓、行車速度等變化而隨機地變化，風阻與車速的平方成正比，由于汽車行駛過程中風速的大小和方向不斷變化。并且車速越大風阻也越大，巡航行駛時風阻便是一個不能忽略的因素，再如上發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩與節(jié)氣門的關(guān)系非常復雜，決定了巡航控制的實現(xiàn)是非常復雜的。不但如此，由于巡航控制系統(tǒng)是工作在汽車上，而使用汽車的自然環(huán)境地區(qū)條件是千差萬別的，有時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，汽車各零部件工作溫度也相差較多，溫度對電氣零部件的額定工作電流是有影響的；同時濕度較高的環(huán)境容易造成電子器件絕緣損壞或腐蝕機件；當汽車行駛在崎嶇不平的山路時，又會產(chǎn)生很大的振蕩，這對電控系統(tǒng)來講就要求較高；另外，汽車的供電系統(tǒng)有蓄電池和發(fā)動機兩個電源，蓄電池由于發(fā)電程度不同，使其輸出電壓變化較大，同時發(fā)動機調(diào)節(jié)器一般是用通斷方式控制發(fā)動機激勵電流，所以汽車上的電源波動及瞬時過電壓形成的電氣環(huán)境也較惡劣；這些環(huán)境對汽車的保養(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，應充分考慮到這些復雜的因素。才能設計出具有較高控制精度的應用系統(tǒng)。1.4課題的來源及研究內(nèi)容本課題是由指導老師提供。本汽車定速巡航系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方法，駕駛員通過操縱控制開關(guān)設置巡航定速的速度值，與采集的當前車速進行比較，無論汽車處于何種狀態(tài)，上坡、下坡或平路，通過實時計算及控制，驅(qū)動油門執(zhí)行機構(gòu)的工作，達到車速穩(wěn)定狀態(tài)。鑒于目前國內(nèi)汽車巡航控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，本課題的主要研究內(nèi)容是：1.分析巡航控制的原理，進行汽車定速巡航控制系統(tǒng)的總體方案設計，設計出系統(tǒng)的硬件。2.汽車仿真模型的建立。汽車仿真模型的建立是整個仿真研究的基礎，模型建立的恰當與否，將關(guān)系到仿真結(jié)果的準確性及后續(xù)研究的可行性。本文將以轎車為對象，分析汽車行駛過程中受到的各種外力，在合理假設的前提下建立起汽車動力學模型。3.控制方法的分析與確定。由于汽車、發(fā)動機及傳動系的非線性和汽車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，使汽車在行駛過程中受到外力干擾而車速變化時，控制系統(tǒng)能根據(jù)被控對象的變化特征在線及時的調(diào)整控制參數(shù)，使控制效果保持最佳。4.利用軟件MATLAB/Simulink建立汽車仿真模型、控制器模型及整個系統(tǒng)的模型，進行仿真并對仿真結(jié)果進行分析。5.驗證巡航控制系統(tǒng)設計的合理性、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)的主要部件汽車電子巡航控制系統(tǒng)主要由巡航控制開關(guān)、車速傳感器、電子控制裝置、車速控制開關(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.主控開關(guān)主控開關(guān)一般是桿式開關(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關(guān)內(nèi)，大多數(shù)指令開關(guān)有三個檔位：設置/巡航(SET/COAST)、取消(CANCEL)和復位/加速(RES/ACC)檔。該開關(guān)處于“設置/巡航”檔位時，只要按下按鈕開關(guān)不動，車輛就不斷加速。當達到要求的車速時，松開按鈕，車輛就會按松開按鈕時的車速保持定速行駛，當轉(zhuǎn)換到“取消”檔時，恒速行駛立即停止?！皬臀?加速”檔用于制動或換檔斷開電路后，使車輛重新按調(diào)定速度行駛。電流由巡航控制ECU流出，經(jīng)過不同阻值的電阻搭鐵，從而給ECU提供不同的電壓，ECU根據(jù)接受的電壓信號可判定被操作的開關(guān)位置。2.空檔啟動開關(guān)用于向巡航控制ECU傳送空氣啟動開關(guān)接通信號(即變速器操縱桿處于空檔位置的信號)，以使汽車立即退出巡航控制狀態(tài)。3.制動燈開關(guān)用于向巡航控制ECU傳送制動燈開關(guān)接通信號(即駕駛員踩下制動踏板的信號)，以使汽車迅速退出巡航控制狀態(tài)。4.車速傳感器車速傳感器通常和車速里程表相連接。如果車速里程表是電子式的，車速傳感器傳出的信號可直接作為巡航控制系統(tǒng)的反饋信號，因而不必為巡航系統(tǒng)另設傳感器。專門用于巡航控制系統(tǒng)的車速傳感器一般安裝在變速器的輸出軸上，這是因為實際車速與變速器輸出軸轉(zhuǎn)速成正比。車速傳感器有磁感應式、霍爾式、光電式等多種結(jié)構(gòu)形式，但簡單常用的是磁感應式。節(jié)氣門控制搖臂位置傳感器：用于監(jiān)測節(jié)氣門控制搖臂的位置，并將信號傳送給巡航控制ECU。5.節(jié)氣門位置傳感器用于監(jiān)測節(jié)氣門的位置，并將信號傳送給巡航控制ECU。6.巡航控制ECU用于接收各種傳感器送來的信號，再經(jīng)計算、加工處理后，向執(zhí)行器發(fā)出指令，控制執(zhí)行器的動作。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。整個電子控制器采用了4個放大器，每個放大器都有特定的作用，運算放大器1是誤差信號放大器，它的輸出與指令車速和實際車速之差成正比，誤差信號UE用作運算放大器2和3的輸入，運算放大器2是一個放大倍數(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)，運算放大器3是一個積分放大器，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運算放大器4疊加在一起，運算放大器4將電壓信號UP和UI相加并將運算結(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，故由運算放大器4求和反相后才能使控制信號回到正確的極性。運算放大器4產(chǎn)生一個模擬電壓輸出US，該模擬電壓必須先轉(zhuǎn)換成脈沖信號方能驅(qū)動執(zhí)行器。為此采用了一個將模擬電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓信號的轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的輸出UC直接驅(qū)動執(zhí)行器。指令開關(guān)S1由駕駛員置位，用于選定指令車速、向采樣及保持電路發(fā)送信號，使其對已選定的指令車速采樣并記憶，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速信號，經(jīng)采樣后向電容C1充電，電容器電荷有一個具有高輸入阻抗的放大器進行檢測，該運算放大器向誤差信號放大器輸出一個與指令車速成正比的電壓信號U2，接受來自車速傳感器、巡航控制開關(guān)、制動開關(guān)等的信號，經(jīng)計算、記憶、放大及信號轉(zhuǎn)換等處理后，輸出控制信號，驅(qū)動執(zhí)行器動作。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)的突出特點是系統(tǒng)的信號以數(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。汽車電子巡航控制系統(tǒng)ECU可采用先進的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電子技術(shù)做成專用集成塊,也可以在微機上編程實現(xiàn)。當汽車上其它系統(tǒng)已有控制用微機時，只需改動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)行器又稱伺服器，其作用是接受巡航控制單元ECU的控制指令信號，采用可以減速的直流電機以電動或氣動方式驅(qū)動拉線盤，該拉線與油門拉線并聯(lián)，用于調(diào)整節(jié)氣門的開度，使車輛作加速、減速及定速行駛。執(zhí)行器常分為電動式和真空式(氣動式)兩種。下面分別作以介紹：1)電動式執(zhí)行器電動式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。圖2-5電動式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖Fig.2-5Thestructureofelectromotorexecutor電動式執(zhí)行器主要由電動機、安全電磁離合器和位置傳感器組成。電動機采用直流永磁式電動機，通過改變電動機中電流方向即可改變節(jié)氣門轉(zhuǎn)動方向。電動機轉(zhuǎn)動時可帶動執(zhí)行元件控制臂轉(zhuǎn)動，控制臂通過控制拉索改變節(jié)氣門開度。為限定控制臂轉(zhuǎn)動角度，電動機電路裝有限位開關(guān)。在電動機與控制臂間裝有安全電磁離合器。當進行巡航控制時安全電磁離合器接合，此時電動機旋轉(zhuǎn)可使節(jié)氣門開度改變；若在巡航控制行駛階段執(zhí)行器或車速傳感器發(fā)生故障，安全電磁離合器立即分離。在電機式執(zhí)行器中還裝有位置傳感器，它是一個由滑動變電阻器構(gòu)成的電位計，用于檢測執(zhí)行器控制臂的轉(zhuǎn)動位置，并將信號輸入巡航控制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、兩個空氣電磁閥和一個真空電磁閥。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，電磁閥起作用。真空電磁閥內(nèi)部有一個真空管接頭，通過一根橡皮管與進氣歧管相連。在膜片的中間裝有拉動節(jié)氣門的拉索。真空式執(zhí)行器是利用發(fā)動機進氣歧管的真空度吸引膜片，通過節(jié)氣門拉索，使節(jié)氣門開度增大，并可保持固定位置不動。如果空氣電磁閥打開，則由于膜片彈簧的彈力，使節(jié)氣門拉索放松，節(jié)氣門開度減小。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，真空電磁閥保持關(guān)閉，空氣電磁閥打開，密封圓筒與大氣相通。當汽車加速時，真空電磁閥和兩個空氣電磁閥的電磁線圈電路均通過ECU內(nèi)部搭鐵而構(gòu)成回路，真空電磁閥打開，與進氣歧管相通，而兩個空氣電磁閥則關(guān)閉，密封圓筒內(nèi)真空度增大，吸動膜片，克服彈簧力，通過拉索使節(jié)氣門開度增大，車輛加速行駛。當加速到一定車速時，真空電磁閥與空氣電磁閥同時關(guān)閉，此時密封圓筒內(nèi)的真空度不變，汽車保持恒速行駛。當汽車減速時，空氣電磁閥電磁線圈斷路，又恢復為打開狀態(tài)，此時空氣進入密封圓筒，膜片彈簧把膜片壓回原位，節(jié)氣門開度減小，汽車減速。目前汽車上使用的巡航控制系統(tǒng)分為機電式巡航控制系統(tǒng)和電子式巡航控制系統(tǒng)。采用真空式執(zhí)行器的是機電式巡航控制系統(tǒng)，采用電動式執(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)與機電式控制系統(tǒng)不同之處，是它用電子控制系統(tǒng)來設定和維持所選擇的速度。電子控制系統(tǒng)的精確性較高，與機電式控制系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點：1.一般在行駛速度達到40km/h時系統(tǒng)開始工作。2.速度控制模塊采用數(shù)字方法測量速度，將汽車固定在設定開關(guān)的速度上，并將系統(tǒng)動作時汽車的精確速度儲存起來。3.系統(tǒng)每秒鐘能調(diào)節(jié)節(jié)氣門8次，使汽車速度維持在2km/h的波動范圍內(nèi)。4.在汽車動力允許的情況下，汽車爬坡時，能維持恒定的速度，并做出微小的調(diào)整。這就比直接測出機電式系統(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。真空伺服裝置用來增加爬坡時系統(tǒng)維持所設定的能力。5.電子控制系統(tǒng)能提供精確的控制，通過敲擊設定開關(guān)，能使系統(tǒng)以3km/h的穩(wěn)定增量變化。機電式系統(tǒng)雖有相同的性質(zhì)，但增量為2km/h~5km/h。6.使用“恢復”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)具有機電式系統(tǒng)所沒有的安全性，主要表現(xiàn)在：1.當預定的減速度發(fā)生時，即使沒有踩制動踏板，迅速減速停車功能將使系統(tǒng)關(guān)閉。2.當預定的減速度發(fā)生時，滑轉(zhuǎn)停車功能將使系統(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.如果設置開關(guān)、恢復開關(guān)、制動器或離合器開關(guān)、或線路出現(xiàn)問題，系統(tǒng)失效，斷開功能將使巡航系統(tǒng)關(guān)閉。這能防止由于失效引起錯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，控制器有兩個輸入信號:一個是駕駛員按要求的車速設定的車速信號，另一個是實際車速反饋信號。當測出的實際車速高于或低于駕駛員設定的車速時，ECU將這兩種信號進行比較，得出兩信號之差，即誤差信號，再經(jīng)放大、處理后成為節(jié)氣門控制信號，送至節(jié)氣門執(zhí)行器，驅(qū)動節(jié)氣門執(zhí)行器工作，調(diào)節(jié)發(fā)動機節(jié)氣門開度，以修正設定車速信號與實際車速反饋信號的誤差，從而使實際車速很快恢復到駕駛員設定的車速，并保持恒定。圖2-8巡航控制系統(tǒng)基本原理框圖Fig.2-8BasicprincipleblockschemeofCCS通常將汽車在平坦路面上行駛時車速與節(jié)氣門開度的關(guān)系存儲在巡航控制系統(tǒng)ECU的ROM中。汽車在平坦、上坡與下坡路面上行駛時的車速與節(jié)氣門開度的關(guān)系如圖2-9所示。巡航控制系統(tǒng)使微機根據(jù)目標車速自動維持汽車恒速行駛。ECU設置了輸出控制線，輸出控制線斜率應盡量使車速變化小，且斜率還可以調(diào)整。當汽車速度下降時，微機就命令加大節(jié)氣門開度，使發(fā)動機功率升高，轉(zhuǎn)矩增大，從而恢復設定速度。系統(tǒng)進行巡航控制時，若在平坦路面上車速為V0時,按下設定開關(guān)進入巡航控制的自動行駛狀態(tài)，系統(tǒng)控制節(jié)氣門開度到O點時，一旦遇到爬坡時，則行駛阻力增加，如不進行調(diào)節(jié)控制，車速就會降到V1點，使行駛達到動態(tài)平衡，此時的巡航控制則按照控制線操作節(jié)氣門，使開度從O點變?yōu)锳點，相應的車速穩(wěn)定在VA點，重新取得動力平衡。當遇到下坡時，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，節(jié)氣門的開度由O點變到B點，使車速保持在VB點取得平衡。因此，即使行駛阻力發(fā)生變化，車速也只在VA和VB之間的小范圍內(nèi)變化，達到穩(wěn)定行駛的目的。若使控制線呈現(xiàn)垂直狀態(tài)，則車速的波動（控制誤差）減小到零。當車速在40km/h以下、100km/h以上時，巡航系統(tǒng)不工作。圖2-9車速與節(jié)氣門開度的關(guān)系Fig.2-9Therelationbetweencar'sspeedandthrottle'sopeningdegree2.3本章小結(jié)本章分別對主控開關(guān)、空檔起動開關(guān)、制動燈開關(guān)、車速傳感器、電子控制單元和執(zhí)行器的原理和功能進行了詳細說明。通過對比電動式執(zhí)行器和真空式執(zhí)行器的特點，分析了采用電動式執(zhí)行器的原因。分析了一種以實際車速和巡航車速的差值作為輸入量，實際車速為輸出量，采用閉環(huán)控制的巡航控制系統(tǒng)的工作原理。繪制了汽車在平坦、上坡與下坡路面上行駛時車速與油門開度的關(guān)系并對其原理作了詳細分析和說明。第3章巡行控制系統(tǒng)的仿真分析3.1行駛轎車仿真模型的建立坡路上行駛汽車的受力如圖3-1所示。圖3-1坡路上行駛汽車受力圖Fig.3-1Bearingforceofautomobileonroadslope根據(jù)牛頓第二定律，得到汽車的運動方程為式(3-1)中m——汽車質(zhì)量；θ——坡路與水平的夾角；Fe——引擎動力;Fr——空氣阻力,計算公式為Fh——重力分量,計算公式為Fd——汽車與路面之間的摩擦力為圖3-2中FcIn——“指令”驅(qū)動力Fc為提供輸入口；MaxThrust——設置驅(qū)動力的上限；UpLim取小模塊—取兩個輸入中的最大者作為輸出；MaxBrake——設置制動力下限，取為-2021；LowLim——取兩個輸入這種的大者為輸出；ClockIn——為接受仿真時間提供輸入口；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巡航控制系統(tǒng)達到車速控制的要求，選擇哪種控制原理和采用什么控制算法是非常重要的問題。數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過程中是一種最普通的控制方法，在冶金、機械、化工等行業(yè)中獲得廣泛應用。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)通過線性組合構(gòu)成控制量，將被控對象進行控制，故稱PID控制器。其模擬表達式為或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式式(3-7)中KP——比例系數(shù)；TI——積分時間常數(shù)；TD——微分時間常數(shù)。圖3-3模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖Fig.3-3PrincipleblockschemeofanalogPIDControl簡單來說，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)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。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。在計算機控制系統(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。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此式(3-6)中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式(3-6)，現(xiàn)以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間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，上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將e(kT)簡化表示成e(k)等，即省去T。將式(3-8)代入式(3-6)，可得離散的PID表達式為或當執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量(例如驅(qū)動電機)時，可由式(3-10)導出提供增量的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)進一步改寫成它們都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)?？梢钥闯?，由于一般計算機控制系統(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，計算機輸出的控制增量Δu(k)對應的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置(例如閥門開度)的增量。對應閥門實際位置的控制量，即控制量增量的積累需要采用一定的方法來解決，目前應用較多的是利用算式通過執(zhí)行軟件來完成。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，每次輸出與過去的狀態(tài)有關(guān)，需要對e(k)進行累加，因此造成計算機運算工作量大。而且，計算機的任何故障都會引起執(zhí)行機構(gòu)大幅度的變化。而對增量PID控制算法而言，雖然在算法上改動不大,卻帶來不少優(yōu)點,當計算機只輸出增量時，計算機誤動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)容易引進高頻干擾，導致調(diào)節(jié)性能不穩(wěn)。為此，在研制過程中,曾采用在微分環(huán)節(jié)中串聯(lián)一個低通濾波器以用來抑制高頻干擾，也就是實際微分環(huán)節(jié)。其關(guān)系式為式(3-19)中T——微分時間常數(shù)用實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，曾出現(xiàn)了投入微分后調(diào)節(jié)時間反而變長的現(xiàn)象，其動態(tài)品質(zhì)有時比不加微分作用還要差，特別是有時出現(xiàn)輸出異常，輸出方向相反即反跳現(xiàn)象。實踐證明：用計算機可以實現(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算法中存在的問題，然而就微分項而言，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計算復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，取長補短，組成PID綜合算法，即微分環(huán)節(jié)采用位置式算法，即對全量直接作衰減運算，所以不存在增量PID微分算法中所存在的反跳問題。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)的累加計算，以減少計算機運算工作量。采用綜合算法的系統(tǒng)，大大地改善了動態(tài)品質(zhì)，特別是在大擾動情況下其過渡調(diào)節(jié)時間短，超調(diào)量小等優(yōu)點就體現(xiàn)出來了。3.2.2仿真語言簡介仿真語言采用目前國際流行的軟件包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，廣泛地應用于自動控制、圖形信號處理、生物醫(yī)學工程、語言處理、雷達工程、信號分析、振動理論等領(lǐng)域，并表現(xiàn)出一般高級語言不可比擬的優(yōu)勢[48][49]。MATLAB不同于其他高級語言，它以矩陣為運算單位，它的線性代數(shù)、矩陣計算和數(shù)值分析等功能為進行控制系統(tǒng)的分析與設計提供了可靠方便的支持。MATLAB是一個開放的系統(tǒng)，各種成熟的工具箱不斷擴展并加入到系統(tǒng)中去。迄今為止已有30多種各類工具箱面世，內(nèi)容涉及信號處理、自動控制、圖像處理、經(jīng)濟、數(shù)學、化學等不同的領(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)建和維護一個完整的系統(tǒng)模型；評估不同的算法和結(jié)構(gòu)并驗證系統(tǒng)的性能；廣泛地應用于動力系統(tǒng)的仿真。此軟件有兩個明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標在模型窗口上畫出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來對系統(tǒng)直接進行仿真，這種做法使得一個很復雜系統(tǒng)的輸入變得相當?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)建的轎車行駛動力學模型和比例控制器模型放在同一個新建模型窗口中，進行適當?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)變得越來越大、越來越復雜，模型將越來越過于龐大而難于讀懂，并且其仿真速度也將變慢。因而，本章利用Simulink的裝幀技術(shù)對系統(tǒng)進行了精裝子系統(tǒng)的簡化處理，使得整個模型簡潔、可讀性強、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)。其特點是在不改變系統(tǒng)的前提下可以更改各個子系統(tǒng)。簡化后的系統(tǒng)仿真模型如圖3-8所示。系統(tǒng)保持轎車爬坡時的勻速行駛，轎車行駛狀況受到陣風和路面起伏的影響。模型中有兩個子模塊：PID控制器和轎車模型子模塊。通過顯示器可以看出兩種控制器分別作用下車速的變化情況。圖3-6PID控制器的仿真模型Fig.3-6SimulationmodelofPIDcontroller圖3-7汽車巡航控制系統(tǒng)仿真模型Fig.3-7SimulatedModelofAutomotiveCCS圖3-8裝幀處理的汽車巡航控制系統(tǒng)仿真模型Fig.3-8ManagedsimulationmodelforautomotiveCruiseControlSystem3.3仿真結(jié)果分析設定車速為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，響應時間較快，能較好地模擬真實情況。圖3-9設定車速為60km/h的仿真Fig.3-9Simulationwaveformwithdesiredspeedof60km/h圖3-10設定車速為65km/h的仿真Fig.3-10Simulationwaveformwithdesiredspeedof65km/h圖3-11設定車速為70km/h的仿真車速Fig.3-11Simulationwaveformwithdesiredspeedof70km/h3.4本章小結(jié)本章分析了坡路上行駛轎車的受力，建立了轎車的數(shù)學模型。主要利用軟件MATLAB/Simulink建立了行駛汽車、PID控制器以及整個系統(tǒng)的仿真模型，詳述了模型建立過程。對系統(tǒng)進行了仿真計算和分析。在幾種不同的車速下做出了基于PID控制方法的控制曲線。仿真研究表明：該控制律能使汽車的巡航速度逐漸趨向并穩(wěn)定于設定的目標值，在不同的巡航車速下均可得到良好的控制效果，從而保證汽車行車的舒適性。第4章巡航控制系統(tǒng)的設計4.1巡航控制系統(tǒng)的硬件設計4.1.1微處理器的選擇微控制器MCU是整個控制系統(tǒng)的核心部分，它的選擇決定了系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境以及硬件連接方式等一系列的問題。在綜合考慮了巡航控制系統(tǒng)的特點、性能/價格比、功能完善性等方面的因素后，選用的是Microchip公司的PIC系列單片機的PIC16F873。此單片機具有4k字節(jié)的FLASH存儲器、128字節(jié)的EEPROM、22個通用寄存器、5通道的10位AD轉(zhuǎn)換器和13個中斷源、支持在線串行編程等特點。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用4.1.2.1電源芯片電源系統(tǒng)是任何汽車系統(tǒng)設計中最重要的子系統(tǒng)之一。整體功耗、電池反極保護、汽車跳啟、車輛噪聲和汽車休眠功率都是在設計電源時必須考慮的因素。如果電源設計比較糟糕的話再好的系統(tǒng)也不能正常發(fā)揮作用。本設計采用的是西門子公司生產(chǎn)的電源芯片TLE4264。該產(chǎn)品的主要特點如下：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.過溫保護；5.短路保護；6.體積小；7.30μA的靜態(tài)電流。電機驅(qū)動芯片的電壓要求12V，而單片機電壓需求是5V。此電壓芯片的作用就是將12V電壓轉(zhuǎn)變成5V電壓，在本設計中TLE4264的應用電路如圖4-1所示。圖4-1TLE4264應用電路Fig4-1ApplicationcircuitofTLE42644.1.2.2車速傳感器受實驗條件的限制，用直流電機的轉(zhuǎn)速來代替車速，直流電機轉(zhuǎn)軸上裝有磁鐵，開關(guān)霍爾元件固定在其上方，霍爾元件三個引腳的引出線，分別是電源、地和輸出。開關(guān)霍爾傳感器選用的是Allegro公司的A3144，此芯片的特點是：1.抗高溫；2.高穩(wěn)定度；3.反相電壓保護；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)電機轉(zhuǎn)速的不同，輸出占空比不同，幅值0.7V的方波信號，輸出波形如圖4-2所示。圖4-2車速傳感器的輸出波形Fig.4-OutputwaveofvehiclespeedsensorPIC單片機識別的高電平為5V，低電平為0V。所以傳感器傳出的方波信號在送入單片機之前要經(jīng)過放大濾波電路，如圖4-3所示。當車速信號INT經(jīng)過放大濾波電路后，將向單片機RC2/CCP1引腳送入幅值5V的方波信號。圖4-3放大濾波電路Fig4-3Applicationcircuitofenlargementandflitering此設計采用頻率法測量車速。即在一定的時間內(nèi)，根據(jù)脈沖的個數(shù)來計算脈沖的頻率。這樣電機的轉(zhuǎn)速(所模擬的車速)也就計算出來了。4.1.2.3節(jié)氣門電壓信號采集節(jié)氣門位置傳感器相當于一個電位器，如果正負兩端加上5V電壓，由于其內(nèi)部的原因，測得滑動端輸出電壓范圍為0.96-4.78V，當節(jié)氣門打開一定的開度，其輸出端將輸出一個和節(jié)氣門開度成正比的電壓量，這個量經(jīng)濾波電路送入單片機的模擬通道引腳RA0。其濾波電路見圖4-4。圖4-4節(jié)氣門的濾波電路Fig4-4flitercircuitofthrottle啟動A/D轉(zhuǎn)換，可以把這個電壓量轉(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，這個數(shù)存放在單片機的ADRESH和ADRESL寄存器上，節(jié)氣門開度計算公式為：α=(D/1023)×100%(4-1)4.1.2.4開關(guān)量的采集在巡航控制系統(tǒng)中，許多控制量只需要開關(guān)量，即單片機上能識別高、低電平，并做出控制反應。手制動開關(guān)的信號處理電路如圖4-5所示。圖4-5手制動信號的處理電路Fig4-5Processingcircuitofhandbrakesignal腳制動開關(guān)的信號處理電路如圖4-6所示。圖4-6腳制動信號的處理電路Fig4-6Processingcircuitofpedalbrakesignal巡航鍵、加速鍵、減速鍵、取消鍵的信號處理電路如圖4-7所示。圖4-7巡航鍵、加速鍵、減速鍵、取消鍵的信號處理電路Fig4-7Processingcircuitofcruiseswitch4.1.3驅(qū)動電路的設計在巡航控制系統(tǒng)中，主要有兩個驅(qū)動電路：一個是離合器驅(qū)動電路，一個是控制節(jié)氣門的直流電機驅(qū)動電路。4.1.3.1離合器驅(qū)動電路離合器位于發(fā)動機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，在汽車行駛過程中，駕駛員可根據(jù)需要踩下或松開離合器踏板，使發(fā)動機與變速箱分離和逐漸接合，以切斷或傳遞發(fā)動機向變速箱輸入的動力。此系統(tǒng)的離合器集成在控制節(jié)氣門的執(zhí)行機構(gòu)上，如果想要直流電機正常工作，首先要驅(qū)動離合器。離合器的驅(qū)動電路如圖4-8所示。圖4-8離合器驅(qū)動電路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。當單片機的RC7引腳發(fā)出高電平時，三極管導通，N溝道的MOSFET不導通，LHQ1處于高電平，離合器不啟動，直流電機處于停止狀態(tài)；反之，離合器開啟，直流電機處于工作狀態(tài)。4.1.3.2執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動電路執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部的電機是直流電機，驅(qū)動直流電機的芯片選用的是西門子公司生產(chǎn)的TLE5205，此芯片的特點是：1.峰值驅(qū)動電流可達到6A。2.溫度診斷電路。3.二極管續(xù)流保護電路。4.輸出開路檢測。5.現(xiàn)場診斷故障功能。6.工作溫度環(huán)境：-40℃－1507.輸出短路保護。TLE5205靜態(tài)電流只有16μA，因此在電源沒有活動時，就可以達到減少功耗的目的；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?？梢妼υ撔酒氖褂眉瓤梢赃_到為系統(tǒng)提供電源的目的，又能降低功耗。TLE5205具有8個引腳，各引腳的功能說明如表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應用電路Fig4-10ApplicationcircuitofTLE205綜上所述，只要控制單片機RC6和RB0引腳上的電位就可以控制直流電機的正反轉(zhuǎn)，至于需要節(jié)氣門打開多大的開度，只要控制電機正傳或反轉(zhuǎn)的時間即可。控制節(jié)氣門開度的時間如果太大，節(jié)氣門容易達到開度滿值，控制節(jié)氣門開度的時間如果太小，節(jié)氣門開度變化隨之也會變地很小，系統(tǒng)誤差會變地很大，不宜于計算，經(jīng)過多次實驗，最終確定控制節(jié)氣門開度的時間以100ms為標準。4.1.3.3模擬車速的電機控制電路用于模擬車速的電機是用IRF3205來控制的?？刂齐娐啡鐖D4-11。單片機RC1引腳輸出幅值為5V、脈沖寬度隨時可調(diào)的PWM信號，當RC1引腳輸出高電平時，IRF3205導通，電機的負極和地導通，電機轉(zhuǎn)動；反之，當RC1引腳輸出低電平，IRF3205不導通，電機不轉(zhuǎn)動，要改變電機的轉(zhuǎn)速，只需改變RC2輸出的占空比，RC2輸出高電平的時間(電機導通的時間)也就跟著改變，就達到了控制電機轉(zhuǎn)速的作用。圖4-11電機控制電路Fig4-11Circuitofelectricmotorcontrol4.1.4系統(tǒng)整體電路設計為使系統(tǒng)硬件設計盡可能合理，系統(tǒng)的電路設計考慮了以下原則:1.盡可能選用標準化、模塊化的典型電路，提高設計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。2.選擇通用性強、市場貨源充足的元器件，尤其對需大批量生產(chǎn)的場合，更應注意。其優(yōu)點是：一旦某種元器件無法獲得，也能用其它元器件直接替換或?qū)﹄娐飞宰鞲膭雍螅闷渌骷妗?.設計時應盡可能地做些調(diào)研，采用最新的技術(shù)，因為電子技術(shù)發(fā)展迅速，器件更新?lián)Q代快，市場上不斷推出性能更優(yōu)、功能更強的芯片，只有時刻注意這方面的發(fā)展動態(tài)，采用新技術(shù)、新工藝，才能使產(chǎn)品具有最先進的性能。4.在電路設計中，要充分考慮應用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力。因為不同的電路有不同的驅(qū)動能力，對后級系統(tǒng)的輸入阻抗要求也不一樣，如果阻抗匹配不當，系統(tǒng)驅(qū)動能力不夠，將導致系統(tǒng)工作不可靠甚至無法工作。對所應用的芯片認真選取后進行設計，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)的軟件設計4.2.1開發(fā)環(huán)境的介紹在設計中選取Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F873單片機作為系統(tǒng)的微控制器，這就決定了開發(fā)用戶程序的軟件編輯環(huán)境也是由Microchip公司生產(chǎn)的MPLAB-ICD開發(fā)工具套件，它既是一個編程器，又是一個實時在線調(diào)試器。它可以代替在單片機應用項目的開發(fā)過程中常用的兩件工具：硬件在線實時仿真器和程序燒寫器。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6針的扁平電纜燒寫入微控制器內(nèi)，進行在線或者離線調(diào)試都可以。6針電纜各芯的引腳分配見表4-3。4.2.2系統(tǒng)軟件設計一個系統(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行速度和可靠性。汽車巡航控制系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)如圖4-13。首先，對程序中涉及的所有變量、單片機的端口狀態(tài)進行初始化，然后判斷是否有設定鍵按下，有的話采集此時的車速，如果車速在40到100范圍內(nèi)，采集此時的車速為當前速度，之后程序就進入到循環(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，設定目標速度，如果加速鍵或減速鍵按下的話，增大或減少目標速度。確定目標速度后，采用模糊PID控制，根據(jù)實際速度與目標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，可獲得相應控制參數(shù)歸一化前的數(shù)值，然后再乘以適當?shù)谋壤蜃?，最后得到其精確值，代入其算法得出節(jié)氣門的變化值，輸出控制信號，增大或減少節(jié)氣門開度，迅速調(diào)整當前車速到目標車速，結(jié)束循環(huán)，返回，如果是取消鍵或是制動鍵按下，清目標速度，繼續(xù)判斷設定鍵是否按下，程序回到循環(huán)體的入口進行下一個循環(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”由于在實際的系統(tǒng)中強干擾的來源主要是來自系統(tǒng)本身，例如，被控負載電機的通斷、狀態(tài)變化等，這些干擾是可預知的，在軟件的設計中，可采取適當措施避開。當系統(tǒng)要接通或斷開大功率負載時，暫停一切數(shù)據(jù)采集工作，待干擾過去后再恢復進行，這比單純在硬件上采取抗干擾措施好得多。在適當?shù)牡胤椒怄i某些中斷源，多個通道的相互封鎖，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.程序失控防護措施在控制現(xiàn)場中，大多數(shù)情況下干擾都不會造成計算機系統(tǒng)硬件的損壞，主要是對軟件運行造成不良影響，其主要特征是：指令碼和數(shù)據(jù)碼的個別位受干擾而發(fā)生跳變，使得程序的執(zhí)行出現(xiàn)錯誤，最典型的錯誤情況莫過于程序計數(shù)器發(fā)生跳變，結(jié)果可能把數(shù)據(jù)碼當成指令碼而把指令碼當成數(shù)據(jù)碼來執(zhí)行。這種盲目執(zhí)行程序的結(jié)果，一方面會破壞RAM存儲器的數(shù)據(jù),另一方面可能由于某些偶然的原區(qū)而產(chǎn)生程序跑飛或進入死循環(huán)，使整個系統(tǒng)失控，嚴重時有可能造成設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措施，是非常必要的。4.3實驗結(jié)果通過實驗得到以下波形進行實驗，其中目標速度小于當前速度的巡航波如圖4-14所示。目標速度大于當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)簡單的巡航控制命令，且效果理想。圖4-14是目標速度小于當前速度的巡航波形Fig.4-14cruisewareofobjectspeedislessthancurrentspeed圖4-15是目標速度大于當前速度的巡航波形Fig.4-15cruisewareofobjectspeedismorethancurrentspeed4.4本章小結(jié)本章對汽車巡航控制系統(tǒng)中所用到的微控制器及電源芯片和驅(qū)動控制芯片進行了詳細地介紹，最后根據(jù)提出的設計方案及選用的芯片，設計了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖及應用電路圖。簡單介紹了PIC單片機的軟件開發(fā)工具MPLAB-ICD，提出了系統(tǒng)主程序的設計思想，在此基礎上設計出系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)流程圖，結(jié)果表明，完全能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的巡航控制命令，且效果理想。結(jié)論通過對基于PIC16F873單片機汽車巡航控制系統(tǒng)的設計得出以下結(jié)論：1.介紹國內(nèi)外汽車巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況，對汽車電子技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向有一定的認識，即集成電子化、模塊化，整車智能化、駕駛自動化是今后的主要研究發(fā)展方向。2.認真分析了巡航控制系統(tǒng)的基本原理，結(jié)合國內(nèi)外巡航控制發(fā)展的狀況，提出了一種基于PIC16F873單片機巡航控制系統(tǒng)的設計方案。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際應用中各自的局限性，在汽車的行駛過程中，由于外界負荷的擾動、汽車質(zhì)量和傳動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)操作人員長期實踐積累的經(jīng)驗知識運用控制規(guī)則模糊化，然后運用PID參數(shù)進行在線調(diào)整，可以取得理想的控制效果。4.利用軟件MATLAB在已有數(shù)學模型的基礎上，建立了汽車仿真模型、控制器模型及整個系統(tǒng)的模型，進行仿真并對仿真結(jié)果進行分析。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，具有響應速度快，超調(diào)量小的優(yōu)點，適用于汽車巡航系統(tǒng)的控制。5.完成了系統(tǒng)設計，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的巡航控制命令，且效果理想。參考文獻［1］劉希恭．國產(chǎn)汽車巡航控制、導航系統(tǒng)使用與故障檢修實用手冊［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，2021：194［2］李春明.汽車車身電子技術(shù)［Ｍ］．北京：北京理工大學出版社，2021：268［3］李朝輝楊新樺．汽車新技術(shù)［Ｍ］．北京：重慶出版社，2021：307［4］馮淵．汽車電子控制技術(shù)［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，2021：341［4］戴冠軍等．現(xiàn)代汽車新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)使用維修手冊［Ｍ］．北京：國防工業(yè)出版社，2021：441［5］陶永華,伊怡新,葛蘆生.新型PID控制及其應用.北京：北京機械工業(yè)出版社，2021：1~17致謝本文的選題、課題研究及撰寫工作是在恩師教授的悉心指導下完成的。兩年多的學習生活中學生的點滴進步，無不凝聚著恩師的心血。恩師嚴謹求實的治學態(tài)度，淵博的知識、敏銳的思維、燃燒自己照亮他人的奉獻精神以及質(zhì)樸謙和的長者風范，不僅使學生在學習期間受益終身，而且對學生今后的工作和生活也必將產(chǎn)生深遠的影響。在此謹向恩師致以由衷的感謝和崇高的敬意。

社會實踐報告系別：班級：學號：姓名：作為祖國未來的事業(yè)的繼承人，我們這些大學生應該及早樹立自己的歷史責任感，提高自己的社會適應能力。假期的社會實踐就是很好的鍛煉自己的機會。當下，掙錢早已不是打工的唯一目的，更多的人將其視為參加社會實踐、提高自身能力的機會。許多學校也積極鼓勵大學生多接觸社會、了解社會，一方面可以把學到的理論知識應用到實踐中去，提高各方面的能力；另一方面可以積累工作經(jīng)驗對日后的就業(yè)大有裨益。進行社會實踐，最理想的就是找到與本專業(yè)對口單位進行實習，從而提高自己的實戰(zhàn)水平，同時可以將課本知識在實踐中得到運用，從而更好的指導自己今后的學習。但是作為一名尚未畢業(yè)的大學生，由于本身具備的專業(yè)知識還十分的有限，所以我選擇了打散工作為第一次社會實踐的方式。目的在于熟悉社會。就職業(yè)本身而言，并無高低貴賤之分，存在即為合理。通過短短幾天的打工經(jīng)歷可以讓長期處于校園的我們對社會有一種更直觀的認識。實踐過程：自從走進了大學，就業(yè)問題就似乎總是圍繞在我們的身邊，成了說不完的話題。在現(xiàn)今社會，招聘會上的大字報都總寫著“有經(jīng)驗者優(yōu)先”，可還在校園里面的我們這班學子社會經(jīng)驗又會擁有多少呢？為了拓展自身的知識面，擴大與社會的接觸面，增加個人在社會競爭中的經(jīng)驗，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，能夠適應國內(nèi)外的經(jīng)濟形勢的變