汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的研究

黃步光

摘要：為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)巡航控制，根據(jù)設(shè)定的速度信號(hào)和實(shí)際行車(chē)間的誤差后，產(chǎn)生一個(gè)送至油門(mén)執(zhí)行器油門(mén)控制信號(hào)，從而使油門(mén)執(zhí)行器根據(jù)油門(mén)控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)的開(kāi)度，以修正電子式控制裝置所檢測(cè)到的誤差，從而使車(chē)速保持恒定。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)巡航，控制信號(hào)，誤差

汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)，可以使汽車(chē)工作在發(fā)動(dòng)機(jī)最有利的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，汽車(chē)無(wú)論是在上坡、下坡、平路上行駛，或是在風(fēng)速變化的情況下行駛，只要在發(fā)動(dòng)機(jī)功率允許的范圍內(nèi)，使汽車(chē)的行駛速度穩(wěn)定在自己設(shè)定的速度內(nèi)，從而不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率，而且還可以減輕駕駛員的駕駛操作勞動(dòng)強(qiáng)度，提高行駛的舒適性。

一、汽車(chē)巡航控制基本功能

汽車(chē)巡航控制主要功能有：1）車(chē)速設(shè)定：當(dāng)按下車(chē)速調(diào)置開(kāi)關(guān)后，就能存儲(chǔ)該時(shí)間的行駛速度，并能保持這一速度行駛。2）消除功能：當(dāng)踩下制動(dòng)踏板，上述功能立即消失。但是，上述調(diào)置速度繼續(xù)存儲(chǔ)。3）恢復(fù)功能：當(dāng)按恢復(fù)開(kāi)關(guān)，則能恢復(fù)原來(lái)存儲(chǔ)的車(chē)速。4）滑行：繼續(xù)按下開(kāi)關(guān)進(jìn)行減速，以離開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)的速度作巡航行駛。5）加速：繼續(xù)按下開(kāi)關(guān)進(jìn)行加速，以不操縱開(kāi)關(guān)時(shí)的車(chē)速進(jìn)入巡航行駛。6）速度微調(diào)升高：在巡航速度行駛中，當(dāng)操縱開(kāi)關(guān)以O(shè)N-OFF（接通-斷開(kāi)）方式變換時(shí)，使車(chē)速稍稍上升。

故障保險(xiǎn)功能：1）低速自動(dòng)消除功能：當(dāng)車(chē)速小于40km/h時(shí)，存儲(chǔ)的車(chē)速消失，并不能再恢復(fù)此速度。2）制動(dòng)踏板消除的功能：在制動(dòng)踏板上裝有兩種開(kāi)關(guān)，一個(gè)用于對(duì)計(jì)算機(jī)的信號(hào)消除；另一個(gè)是直接使執(zhí)行元件工作停止。3）各種消除開(kāi)關(guān)：除了利用制動(dòng)踏板的消除功能外，還有駐車(chē)制動(dòng)、離合器（M/T）、調(diào)速桿（A/T）等操作開(kāi)關(guān)的消除功能。

二、汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的組成

汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)主要由指令開(kāi)關(guān)、車(chē)速傳感器、巡航ECU和油門(mén)執(zhí)行器四部分組成。各種開(kāi)關(guān)和計(jì)算機(jī)被配置在駕駛室內(nèi)；執(zhí)行元件、真空泵則配置在發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)，執(zhí)行元件的控制線(xiàn)纜與加速踏板相連接。電子控制裝置能夠根據(jù)行駛阻力的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)的開(kāi)度，使汽車(chē)行駛時(shí)的速度保持恒定。這樣不僅減少了不必要的車(chē)速變化、節(jié)約燃料，還可以減輕駕駛員的行車(chē)疲勞，從而提高行車(chē)的安全性。指令開(kāi)關(guān)是巡航控制系統(tǒng)的主電源開(kāi)關(guān)，采用按鍵方式，每次將其推入，該系統(tǒng)的電源就接通或關(guān)閉。主開(kāi)關(guān)接通時(shí)，如將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)關(guān)閉，主開(kāi)關(guān)也關(guān)閉；即使點(diǎn)火開(kāi)關(guān)再次接通，主開(kāi)關(guān)仍保持關(guān)閉。傳感器主要有車(chē)速傳感器、節(jié)氣門(mén)傳感器和節(jié)氣門(mén)控制搖臂位置傳感器等；巡航ECU接收各種傳感器的信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)算處理，對(duì)執(zhí)行器發(fā)出指令；油門(mén)執(zhí)行器是將電控單元輸出的電流或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度，在該系統(tǒng)中，所有輸入指令內(nèi)以數(shù)字信號(hào)直接存儲(chǔ)和處理。帶可擦只讀存儲(chǔ)器的八位處理控制器（MCU）根據(jù)指令車(chē)速、實(shí)際車(chē)速以及其他輸入信號(hào)，安裝給定程序完成所有的數(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)電動(dòng)機(jī)改變油門(mén)開(kāi)度?？紤]到安全因素，將制動(dòng)開(kāi)關(guān)與油門(mén)執(zhí)行器直接相連，當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，在斷開(kāi)MCU巡航控制程序的同時(shí)，將油門(mén)執(zhí)行器的動(dòng)力源斷開(kāi)，從而確保油門(mén)完全關(guān)閉。

三、汽車(chē)巡航控制的分析

汽車(chē)巡航車(chē)速一般采用PI控制方式，比例-積分算法（Proportion and Integral Calculus）進(jìn)行控制，比較器運(yùn)算得到的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)比例運(yùn)算電路線(xiàn)性放大后，輸出的信號(hào)將正比于誤差信號(hào)；積分運(yùn)算放大電路設(shè)置有一條斜率可調(diào)的輸出控制線(xiàn)，用以在短時(shí)間內(nèi)將車(chē)速誤差調(diào)節(jié)到趨近于零的很小范圍。根據(jù)控制線(xiàn)控制的巡航車(chē)速與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度之間的關(guān)系，節(jié)氣門(mén)控制信號(hào)則由比例運(yùn)算電路和積分運(yùn)算電路輸出信號(hào)疊加而成。

當(dāng)汽車(chē)在平坦路面上以設(shè)定的巡航車(chē)速v0行駛時(shí)，設(shè)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為θ0。如果此時(shí)CCS ECU向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令使節(jié)氣門(mén)開(kāi)度保持不變，則汽車(chē)將以設(shè)定的巡航車(chē)速v0行駛。當(dāng)汽車(chē)遇到坡道上坡行駛或遇到刮風(fēng)逆風(fēng)行駛時(shí)，由于坡道阻力或風(fēng)阻增加將使車(chē)速降低到vd，不能以設(shè)定的巡航車(chē)速v0行駛。此時(shí)CCS ECU向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令使節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大（即節(jié)氣門(mén)旋轉(zhuǎn)角度增大+Δθ），才能使汽車(chē)速接近于設(shè)定的巡航車(chē)速v0（此時(shí)實(shí)際車(chē)速比巡航車(chē)速v0低-Δv值）行駛。

同理，當(dāng)車(chē)下坡或順風(fēng)行駛時(shí)，節(jié)氣門(mén)旋轉(zhuǎn)角度將減?。?Δθ），實(shí)際車(chē)速將比巡航車(chē)速v0高+Δv值。

為使汽車(chē)巡航車(chē)速v0不受行駛阻力變化的影響，巡航電控單元CCS ECU內(nèi)部積分運(yùn)算放大器Ki控制的控制線(xiàn)應(yīng)盡可能使車(chē)速變化范圍減小，即控制線(xiàn)的斜率應(yīng)盡可能小。由于PI控制方式設(shè)置了控制線(xiàn)，因此，當(dāng)汽車(chē)上坡、下坡道路以及風(fēng)阻等因素導(dǎo)致行駛阻力變化時(shí)，控制系統(tǒng)只要將節(jié)氣門(mén)開(kāi)度調(diào)整Δθ轉(zhuǎn)角，就可將車(chē)速變化幅度限制在Δv值的微小范圍內(nèi)。

四、巡航控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1.提高汽車(chē)行駛時(shí)的舒適性：特別是在郊外或高速公路上行駛，這種優(yōu)越性更為顯著。另外，當(dāng)汽車(chē)以一定的速度行駛時(shí)，減少了駕駛員的負(fù)擔(dān)，使其可以輕松地駕駛。

2.節(jié)省燃料，具有一定的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性：在同樣的行駛條件下，對(duì)一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員來(lái)說(shuō)，可節(jié)省燃料15%。這是因?yàn)樵谑褂昧诉@一速度穩(wěn)定器以后，可使汽車(chē)的燃料供給與發(fā)動(dòng)機(jī)功率之間處于最佳的配合狀態(tài)，并減少了廢氣的排放。

3.保持汽車(chē)車(chē)速的穩(wěn)定：汽車(chē)無(wú)論是在上坡、下坡、平路上行駛，或是在風(fēng)速變化的情況下行駛，只要在發(fā)動(dòng)機(jī)功率允許的范圍內(nèi)，汽車(chē)的行駛速度保持不變。

五、巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

1.新控制理論的應(yīng)用：駕駛者需要更平順的駕駛感覺(jué)和更自然的速度控制，以傳統(tǒng)的控制理論為基礎(chǔ)，又引入了新的控制理論。目前，模糊控制等新理論已不斷地得到應(yīng)用。

2.聯(lián)動(dòng)控制、復(fù)合控制：巡航控制是獨(dú)立式的，要求在控制中提高感覺(jué)敏感度、響應(yīng)性和更高的精度。為此，需要發(fā)動(dòng)機(jī)控制用計(jì)算機(jī)、變速控制用計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，使這些計(jì)算機(jī)形成一體化的復(fù)合控制。

3.小型化、智能化：計(jì)算機(jī)、執(zhí)行元件更趨小型化、一體化，向智能型發(fā)展。

4.追蹤行駛控制：現(xiàn)在巡航穩(wěn)定行駛裝置分別利用加速、減速、恢復(fù)車(chē)速、消除等開(kāi)關(guān)自由控制車(chē)速，但是往往在道路交通混雜的情況下，不便于當(dāng)車(chē)輛接近時(shí)進(jìn)行減速或車(chē)輛拉開(kāi)距離時(shí)加速。為了解決這一問(wèn)題，利用雷達(dá)測(cè)定與前方車(chē)輛之間的距離，隔開(kāi)一定距離進(jìn)行追蹤行駛。車(chē)載雷達(dá)可用毫米波雷達(dá)，也可用激光。