汽车巡航技术（2）

当电力驱动式执行机构采用步进电动机作为动力源时，因为步进电动机能将CCS ECU发出的数字信号指令转变为一定角度的位移量。CCS ECU每发出一个控制脉冲，步进电动机就可带动节气门摇臂转过一个微小角度，即步进角（设计电动机时，步进角的大小可以根据需要进行选择），这样能够保证节气门开度平稳准确地进行调节。

节气门摇臂转过的角度与步进电动机转过的角度成正比，步进电动机转过的角度与CCS ECU发出的控制脉冲个数成正比。节气门摇臂的转动方向由步进电动机步进方向决定，步进方向则由CCS ECU控制脉冲的相序决定。

2.电磁离合器

电磁离合器安装在驱动电动机与控制臂之间。在巡航行驶过程中，当驾驶员踩下制动踏板或实际车速超过设定巡航车速或车速传感器发生故障时，CCS ECU将发出控制指令首先使离合器分离，防止发生事故，故又称为安全电磁离合器。

由于只有在电磁离合器接合的情况下驱动电动机转动才能改变节气门开度进入巡航控制，因此当未进入巡航控制状态时，将电磁离合器线圈电路设计为接通状态，使离合器初始状态为接合状态。如此设计的目的是：减少车辆进入巡航系统时接合离合器的时间，提高巡航执行机构的响应速度，防止车速突然变化而发生游车（即车速时快时慢）现象。因为，如果将电磁离合器的初始状态设计为分离状态，由于离合器接合的机械惯性动作滞后于CCS ECU驱动电动机的电驱动动作，因此待离合器接合时，电动机将突然拉动节气门摇臂转动一个较大角度，使车速突然升高甚至超过设定车速。当超过设定巡航车速时，CCS ECU又会发出指令使车速降低。将离合器初始状态设计为接合状态时，节气门摇臂将随驱动电动机转动而转动，不仅能够保证巡航执行机构迅速响应，而且能够防止发生游车现象，从而提高巡航行驶稳定性和乘坐舒适性。

3.电位计

在电力驱动式执行机构中，一般都装有一只由可变电阻器构成的电位计（即转角或位移传感器），其功用是检测执行机构中控制臂转动的角度或拉索的位移量，并将电信号输入CCS ECU。该信号主要用于CCS ECU诊断执行机构是否发生故障。在CCS ECU向执行机构发出控制指令后，如果电位计信号没有变化或超过预先设定值，则将判定执行机构有故障。

4.巡航控制电子控制器(ECU)

目前常用的巡航电子控制器（CCS ECU）一般采用8位/16位的单片机作为控制芯片。如：Intel公司生产的80C196KB。MIROCHIP 公司的PIC16F873  。ATMEL公司的ATmega 16等等。摩托罗拉的单片机MC68HC912DG-128A。选用CCS ECU时，对它们有一定的特殊要求，如抗电磁干扰能力，在高温下的工作能力以及必要的运算速度等等。

一、           各种控制原理

不论是使用何种控制算法。其对车辆纵向速度的控制步骤都可以按下面的流程进行

如图所示

图4  车速纵向控制流程图

下面介绍几种常见的控制算法：

1.    PI控制的基本原理

巡航控制系统是一个典型的闭环控制系统。控制方法一般都采用比例--积分算法进行控制。汽车巡航控制系统的基本控制原理如图所示，

 

图5 巡航控制系统基本原理图

输入巡航控制电子控制器CCS ECU的信号有两个：一个是驾驶员根据行驶条件，通过巡航开关设定的巡航车速指令信号，另一个是车速传感器输入的实际车速反馈信号。当巡航车速指令信号和实际车速反馈信号输入CCS ECU后，CCS ECU的比较器A经过比较运算便可得到两个信号的差值e，称之为车速偏差信号。偏差信号经过比例运算和积分运算后，再经过放大处理就可得到控制节气门开度大小的控制信号，CCS ECU将控制指令发送给执行机构，执行机构就可驱动节气门拉索调节发动机节气门开度的大小，将实际车速迅速调节到驾驶员设定的车速值，从而实现巡航控制。

比例--积分算法（Proportion and Integral Calculus）

巡航电子控制器CCS ECU作为巡航控制系统的控制核心，控制方法一般都采用比例--积分算法进行控制，称之为PI控制方式。在单片微型计算机控制系统中， PI算法的表达式为

 

公式（1）

式中：k——采样序号（k=0,1,2，…）；e(k)——第k次采样时输入CCS ECU的偏差值；u(k)——第k次采样时CCS ECU的输出值；Kp——比例系数；Ki——积分系数。

在PI控制方式中，因为比例增益和积分增益均为常数，所以电子控制器一旦设计完毕，在控制过程中增益就不再改变，因此PI控制属于线性定常控制。随着单片机技术的发展与应用，利用人工智能方法将操作人员长期实践积累的经验知识存入单片机后，单片机就能根据现场实际情况，对PI控制参数实现最佳调整。

比例运算电路的主要作用是控制系统的响应速度和稳定性。当车速偏差的绝对值|e|较小时，为使系统具有较好的稳定性，比例系数Kp应取大些；当|e|处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，Kp应取小些；当|e|较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，Kp应取大些。

积分运算电路的主要作用是将车速偏差降低为零。但对汽车巡航控制系统来说，为了防止出现游车现象，车速偏差并不能降低到零，而要保持一定的偏差范围（一般为-4km/h--+4km/h）。这是因为当车速偏差为零时，行驶阻力的微小变化都将引起节气门开度的变化，从而导致车速时快时慢。游车会使驾驶员和乘员感到不适，并增加机件磨损和燃油消耗。因此，当车速偏差较小时，应当减弱积分环节的作用，加大比例环节的作用，允许系统响应具有一定的偏差。PI算法的车速控制原理如下所述：

比较器A运算得到的偏差（目标车速与实际车速的差值）信号经过比例运算电路Kp线性放大后，输出的信号将正比于偏差信号；积分运算电路Ki设置有一条斜率可调的输出控制线，用来在短时间内将车速偏差调节到趋近于零的范围，根据控制线控制的巡航车速与节气门开度之间的关系如图6所示

 

图6 巡航车速控制原理

当汽车在平坦路面上以设定的巡航车速νo行驶时，设节气门开度为θ0。如果此时CCS ECU向执行机构发出指令使节气门开度保持不变，则汽车将以设定的巡航车速νo行驶。但是，当车辆上坡行驶时，由于坡道阻力增加将使车速降低到Vd，因此CCS ECU必须向执行机构发出指令使节气门开度增大（即节气门旋转角度增大），才能使车速接近于设定的巡航车速νo行驶（实际车速比巡航车速νo低-△V。同理，当车辆下坡行驶时，节气门旋转角度将减小，实际车速将比巡航车速高。

由此可见，为使汽车巡航车速不受行驶阻力变化的影响，CCS ECU中积分运算电路Ki控制的控制线应尽可能使车速变化范围减小，即控制线的斜率应尽可能小。由于PI控制方式设置了控制线，因此当汽车行驶在上坡、下坡道路以及风阻等因素导致行驶阻力变化时，控制系统只要将节气门开度调整，就可将车速变化幅度限制在的微小范围内。

2.    PID控制

 PID控制，即比例—积分—微分控制，根据实际车速与设定车速的偏差，考虑过去、现在、将来的情况，实现汽车不变参数的巡航控制。

PID控制具有结构简单、参数整定方便的优点，在许多场合下都能获得令人满意的控制效果。但是对于被控对象的特性比较复杂、具有非线性或时变的过程，应用常规PID控制，若参数调整不当，会使系统不停的振荡，控制效果不甚理想，所以，常规的PID控制难以实现有效控制。