汽車PID巡航系統(tǒng)控制策略淺析

張俊

摘 要：本文介紹了汽車巡航的功能，組成，作用和原理，分析了其中的傳感器，控制器，執(zhí)行機構(gòu)的工作原理;通過對比PID控制，模糊控制，迭代學(xué)習(xí)控制和自適應(yīng)控制的工作特點，分析了各種巡航控制策略的優(yōu)劣。

關(guān)鍵詞：巡航;控制;PID

0 引言

汽車巡航控制是當(dāng)下汽車發(fā)展中正在普及的一項技術(shù)，這項技術(shù)在汽車長途行駛中降低駕駛員疲勞駕駛，降低一些外在因素而發(fā)生的事故。但是汽車巡航控制系統(tǒng)并沒有發(fā)展完善，很多問題伴隨駕駛員駕駛汽車時而產(chǎn)生。

巡航制控系統(tǒng)（Cruise Control System）簡稱CCS（車輛速度控制系統(tǒng)），是指在駕駛員不需要踩油門通過巡航控制器設(shè)置一個特定的車速而使行駛車輛車速不斷在接近設(shè)定車速限制內(nèi)行駛的控制裝置[1]。駕駛汽車在高速公路上行駛，雖然外界因素相對穩(wěn)定，但駕駛時間長了還是需要適當(dāng)?shù)母钠囆旭偹俣?，長時間駕駛車輛對人各方面都會有一定的影響，容易出現(xiàn)不利于駕駛的因素產(chǎn)生，因此在汽車上安裝巡航系統(tǒng)。汽車巡航問世之后也伴隨著一些問題的出現(xiàn)，比方巡航系統(tǒng)打開無法關(guān)閉，巡航系統(tǒng)在不同操作系統(tǒng)下的關(guān)閉方法不同。在技術(shù)上也有一定的進步例如從以前單方面的讓車保持一種車速下行駛到現(xiàn)在跟車定速等。不管從巡航系統(tǒng)的不足到問題的分析還是從巡航系統(tǒng)的技術(shù)升級，我們都應(yīng)該對汽車巡航系統(tǒng)控制系統(tǒng)進行分析，從而加強對技術(shù)的學(xué)習(xí)與研究深度，提升分析和解決問題的能力。

1 巡航系統(tǒng)發(fā)展方向

進入21世紀(jì)以來，由于汽車電子元件越來越普遍地應(yīng)用在汽車上以及各地公路、高速公路的不斷發(fā)展，使得定速巡航系統(tǒng)已經(jīng)逐步變得成熟，系統(tǒng)的電路以及布線有了很大的進步，控制部分更加快捷與精確，多路傳送系統(tǒng)的技術(shù)變得更加成熟，故障自動報警系統(tǒng)發(fā)展得更加精準(zhǔn)[2]?？傮w看來，巡航系統(tǒng)的發(fā)展方向具體有以下幾點：

1.1 先進控制方法的引進

車輛在行駛過程中的實際工況是很復(fù)雜的，它主要受到車載人員的人數(shù)、發(fā)動機的當(dāng)前狀況等因素的影響，駕駛員對舒適性的要求更高了，引入新技術(shù)的巡航控制系統(tǒng)在以傳統(tǒng)的控制原理為基礎(chǔ)，又引入不少先進的控制理論，目前，PID控制，自適應(yīng)控制和模糊控制等原理先后被研發(fā)使用[3]。

1.2 聯(lián)動與復(fù)合控制

目前，國內(nèi)絕大部分汽車上的定速巡航均是獨立使用的，都在汽車?yán)飭为毜厥褂茫壳半S著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，并且與國際接軌，為此，需要計算機將各個部件有機地結(jié)合起來，使得各個部件在計算機的作用下都有著各自的聯(lián)系[4]。

1.3 智能化與小型化

目前，車用計算機都非常小，包括汽車上的各個的電子元件也是如此，這使得汽車的質(zhì)量減輕，并逐步地在往智能化發(fā)展。

1.4 追蹤與行駛控制

目前車用定速巡航系統(tǒng)里分別用加速、減速、恢復(fù)車速、消除等開關(guān)用來控制巡航系統(tǒng)，但這種情況只適用于車流量不大的高速公路上，不方便加速和減速。為了解決這一問題，通常車輛前保險杠或者后保險杠裝有探測器，通過發(fā)射的納米微波來探測本車輛與前方車輛或者障礙物之間的距離，目前有專家提出車載雷達(dá)還可利用激光，以求能夠達(dá)到更加迅速、準(zhǔn)確地控制車輛，對于此提議，國外的科研機構(gòu)仍在研究之中[5]。

2 巡航系統(tǒng)控制原理

在巡航控制系統(tǒng)里，汽車上的一些零部件都安裝有傳感器，其作用是把各自所感知到外界環(huán)境傳遞給ECU，ECU會根據(jù)這些信息給出一定的控制量，根據(jù)這個控制量去調(diào)整節(jié)氣門開度從而達(dá)到控制車速的作用。巡航控制系統(tǒng)有控制開關(guān)、傳感器、電控單元以及執(zhí)行器構(gòu)成。

2.1 汽車巡航控制系統(tǒng)的傳感器

汽車巡航控制系統(tǒng)采用的傳感器主要有車速傳感器，節(jié)氣門位置傳感器以及節(jié)氣門控制搖臂位置傳感器。車速傳感器就是向汽車微電腦傳感器反饋當(dāng)時車速，節(jié)氣門傳感器就是向汽車微電腦傳感器反饋節(jié)氣門的開度的變化，節(jié)氣門控制搖臂位置傳感器就是向汽車微電腦傳感器反饋節(jié)氣門控制搖臂的位置變化，微電腦根據(jù)反饋的信息對車速進行調(diào)整，使車速不斷接近于駕駛員設(shè)定的車速。

2.2 汽車巡航控制系統(tǒng)的微電腦

汽車巡航控制系統(tǒng)的微電腦就相當(dāng)于人的大腦，對各個傳感器所反饋的信號進行一定的分析判斷，然后對實際車速與設(shè)定車速所產(chǎn)生的差速通過節(jié)氣門開度進行調(diào)整，使車速不斷趨于設(shè)定車速值，汽車巡航控制系統(tǒng)的微電腦可以單獨供汽車巡航控制系統(tǒng)使用，也可用供多個系統(tǒng)使用，汽車巡航控制系統(tǒng)的微電腦有自診斷和記憶車速的功能。

2.3 汽車巡航控制系統(tǒng)的控制過程

汽車巡航控制系統(tǒng)的原理就是當(dāng)行駛車輛在一定速度行駛時，駕駛員按下巡航控制器，并通過調(diào)節(jié)按鈕進行車速設(shè)定。而駕駛員不必再次踩油門踏板，巡航控制會把設(shè)定的車速以電信號傳遞給節(jié)氣門控制器，節(jié)氣門控制器將要控制的內(nèi)容以電信號形式傳遞給節(jié)氣門執(zhí)行器，并根據(jù)指令來控制發(fā)動機節(jié)氣門開度，同時改變發(fā)動機及變速器，使汽車按照規(guī)定車速行駛，受外部因素影響，當(dāng)再一次存在差速時，對于以上步驟，執(zhí)行器開始進行重復(fù)，對汽車發(fā)動機節(jié)氣門進行微調(diào)，使車速不斷趨于設(shè)定值，當(dāng)踩下制動踏板或按下關(guān)閉巡航控制器按鈕即解除汽車巡航控制系統(tǒng)。

3 PID巡航控制策略分析

在汽車巡航控制策略方面，常用的有PID控制、模糊控制、迭代學(xué)習(xí)控制和自適應(yīng)控制等幾種，本文主要針對PID控制進行詳細(xì)分析[6]。

PID控制就是根據(jù)現(xiàn)實車速與規(guī)定車速之間的差距，考慮不同時間的差距，達(dá)到汽車不改變參數(shù)的巡航控制。在駕駛汽車過程時，駕駛員開啟巡航并對巡航設(shè)定一個特定的速度，這時，車速的傳感器也會測出當(dāng)下車速并反饋給控制器，兩者車速會有一個差速（△V）?？刂破鞲鶕?jù)這個偏差去調(diào)節(jié)節(jié)氣門，使的車速穩(wěn)定在之前設(shè)定好車速。因為外界因素一直存在，所以這個差速不會一直穩(wěn)定在0，這時PID中的微分就會起到預(yù)計估算的作用。

3.1 PID控制器的組成

PID的三個字母分別代表： P表示：比例（proportion）、I表示：積分（integration）、D表示：微分（differentiation），PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成，其輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

（1）

式中積分的上下限分別是0和t，因此它的傳遞函數(shù)為：

（2）

其中kp為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

3.2 PID控制系統(tǒng)分類

PID控制有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。

開環(huán)控制系統(tǒng)（open-loop control system）是指控制器對被控制所輸出的信號不會產(chǎn)生任何反應(yīng)形成的閉合回路。

閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed-loop control system）是指控制器對被控制的單位產(chǎn)生的信號有反應(yīng)，形成一個或多個閉合回路。在這個閉環(huán)控制系統(tǒng)又被分為正反饋和負(fù)反饋。當(dāng)所接收到的反饋信號與本身設(shè)定的信號極性相反時被稱為負(fù)反饋，當(dāng)所接受到的反饋信號與本身設(shè)定的信號極性相同時，就被稱之為正反饋。在大多的閉環(huán)控制系統(tǒng)中應(yīng)用的更多的是負(fù)反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)在生活中有很多類似的例子。比方生活中用到的洗衣機。當(dāng)洗衣機清洗衣物時，洗衣機會自動判斷衣物是否被清洗干凈，當(dāng)不干凈時繼續(xù)自動清洗，當(dāng)衣物清洗干凈時，在結(jié)束清洗時，自動切斷電源。

3.3 PID控制現(xiàn)實意義

自動化的應(yīng)用是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要里程碑，控制理論也在不同的時間段里得到了不同程度的發(fā)展，而現(xiàn)在通過技術(shù)的不斷升級，將自動化與控制理論相結(jié)合，形成了現(xiàn)在很多自動化產(chǎn)品，比方上述提到的全自動洗衣機，他就是應(yīng)用模糊控制理論。通過對上面小節(jié)的一個歸納，自動控制系統(tǒng)是由開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩個系統(tǒng)組成，而閉環(huán)控制系統(tǒng)又被分成了正反饋和負(fù)反饋，應(yīng)用的更多的是負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)又是由傳感器，控制器，執(zhí)行機構(gòu)，接口等部分組成。而他的工作流程是：傳感器將感知到的信號通過輸入輸出接口反饋給控制器，控制器進行計算，產(chǎn)生調(diào)整量信號，將信號通過輸入輸出接口傳遞給執(zhí)行器，執(zhí)行器根據(jù)指令對所在零件進行調(diào)節(jié)。由于工作環(huán)境不同，那么對應(yīng)的控制系統(tǒng)就會有相應(yīng)的變化，控制系統(tǒng)有變化時，內(nèi)部的零部件就會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，對溫度進行自動控制就要用到溫度傳感器，對于比方水壓進行自動調(diào)節(jié)的就用壓力傳感器?，F(xiàn)如今PID控制已得到廣泛的應(yīng)用，這時因為它本身結(jié)構(gòu)的簡便，編程容易，達(dá)到的效果也十分讓人滿意，所以很多公司生產(chǎn)的產(chǎn)品都應(yīng)用PID控制或者智能PID控制，很多公司在應(yīng)用的同時，也就培養(yǎng)科研人員對控制系統(tǒng)進行科研，如今的智能PID控制已經(jīng)能做到參數(shù)自整定調(diào)節(jié)，通過這項技術(shù)，能自動控制各項壓力，溫度，流量等，他這塊就是應(yīng)用參數(shù)的自動調(diào)整校對來進行實現(xiàn)的，如今能通過網(wǎng)絡(luò)進行一個遠(yuǎn)程控制調(diào)整。

4 結(jié)束語

相對于其余幾種控制策略，PID控制策略本身結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)定參數(shù)簡便，效果明顯。但若是針對非線性關(guān)系的控制系統(tǒng)，PID控制策略也很難調(diào)整參數(shù)，將導(dǎo)致巡航控制系統(tǒng)的震蕩，不能使控制效果達(dá)到最佳。

參考文獻：

[1]唐向明.“奧迪電子”之一白適應(yīng)巡航系統(tǒng)[J].汽車維修與保養(yǎng)，2009（01）.

[2]朱琦，吳嘩.汽車電子巡骯系統(tǒng)的應(yīng)用[J].北京汽車，2009（02）.

[3]孫中梁.汽車巡航控制系統(tǒng)的正確使用[J].農(nóng)機使用與維修，2008（04）.

[4]胡克非.定速巡航系統(tǒng)的設(shè)計[D].武漢理工大學(xué)，2012（05）.

[5]潘汝濤.PID控制器簡介及參數(shù)整定方法[J].科技信息，2011（03）.

[6]陳木元.camry巡航控制系統(tǒng)原理與檢測[J].汽車電器，2012（05）.