張俊

摘 要：本文介紹了汽車(chē)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(jī)構(gòu)的工作原理;通過(guò)對(duì)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(diǎn)，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(chē)巡航控制是當(dāng)下汽車(chē)發(fā)展中正在普及的一項(xiàng)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)在汽車(chē)長(zhǎng)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(chē)巡航控制系統(tǒng)并沒(méi)有發(fā)展完善，很多問(wèn)題伴隨駕駛員駕駛汽車(chē)時(shí)而產(chǎn)生。

巡航制控系統(tǒng)（Cruise Control System）簡(jiǎn)稱CCS（車(chē)輛速度控制系統(tǒng)），是指在駕駛員不需要踩油門(mén)通過(guò)巡航控制器設(shè)置一個(gè)特定的車(chē)速而使行駛車(chē)輛車(chē)速不斷在接近設(shè)定車(chē)速限制內(nèi)行駛的控制裝置[1]。駕駛汽車(chē)在高速公路上行駛，雖然外界因素相對(duì)穩(wěn)定，但駕駛時(shí)間長(zhǎng)了還是需要適當(dāng)?shù)母钠?chē)行駛速度，長(zhǎng)時(shí)間駕駛車(chē)輛對(duì)人各方面都會(huì)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(chē)上安裝巡航系統(tǒng)。汽車(chē)巡航問(wèn)世之后也伴隨著一些問(wèn)題的出現(xiàn)，比方巡航系統(tǒng)打開(kāi)無(wú)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(jìn)步例如從以前單方面的讓車(chē)保持一種車(chē)速下行駛到現(xiàn)在跟車(chē)定速等。不管從巡航系統(tǒng)的不足到問(wèn)題的分析還是從巡航系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)，我們都應(yīng)該對(duì)汽車(chē)巡航系統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而加強(qiáng)對(duì)技術(shù)的學(xué)習(xí)與研究深度，提升分析和解決問(wèn)題的能力。

1 巡航系統(tǒng)發(fā)展方向

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，由于汽車(chē)電子元件越來(lái)越普遍地應(yīng)用在汽車(chē)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(jìn)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(dòng)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展得更加精準(zhǔn)[2]?？傮w看來(lái)，巡航系統(tǒng)的發(fā)展方向具體有以下幾點(diǎn)：

1.1 先進(jìn)控制方法的引進(jìn)

車(chē)輛在行駛過(guò)程中的實(shí)際工況是很復(fù)雜的，它主要受到車(chē)載人員的人數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前狀況等因素的影響，駕駛員對(duì)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(jìn)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(dòng)與復(fù)合控制

目前，國(guó)內(nèi)絕大部分汽車(chē)上的定速巡航均是獨(dú)立使用的，都在汽車(chē)?yán)飭为?dú)地使用，而目前隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，并且與國(guó)際接軌，為此，需要計(jì)算機(jī)將各個(gè)部件有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使得各個(gè)部件在計(jì)算機(jī)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(chē)用計(jì)算機(jī)都非常小，包括汽車(chē)上的各個(gè)的電子元件也是如此，這使得汽車(chē)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(chē)用定速巡航系統(tǒng)里分別用加速、減速、恢復(fù)車(chē)速、消除等開(kāi)關(guān)用來(lái)控制巡航系統(tǒng)，但這種情況只適用于車(chē)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(wèn)題，通常車(chē)輛前保險(xiǎn)杠或者后保險(xiǎn)杠裝有探測(cè)器，通過(guò)發(fā)射的納米微波來(lái)探測(cè)本車(chē)輛與前方車(chē)輛或者障礙物之間的距離，目前有專家提出車(chē)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(chē)輛，對(duì)于此提議，國(guó)外的科研機(jī)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(chē)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(huì)根據(jù)這些信息給出一定的控制量，根據(jù)這個(gè)控制量去調(diào)整節(jié)氣門(mén)開(kāi)度從而達(dá)到控制車(chē)速的作用。巡航控制系統(tǒng)有控制開(kāi)關(guān)、傳感器、電控單元以及執(zhí)行器構(gòu)成。

2.1 汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的傳感器

汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)采用的傳感器主要有車(chē)速傳感器，節(jié)氣門(mén)位置傳感器以及節(jié)氣門(mén)控制搖臂位置傳感器。車(chē)速傳感器就是向汽車(chē)微電腦傳感器反饋當(dāng)時(shí)車(chē)速，節(jié)氣門(mén)傳感器就是向汽車(chē)微電腦傳感器反饋節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度的變化，節(jié)氣門(mén)控制搖臂位置傳感器就是向汽車(chē)微電腦傳感器反饋節(jié)氣門(mén)控制搖臂的位置變化，微電腦根據(jù)反饋的信息對(duì)車(chē)速進(jìn)行調(diào)整，使車(chē)速不斷接近于駕駛員設(shè)定的車(chē)速。

2.2 汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的微電腦

汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的微電腦就相當(dāng)于人的大腦，對(duì)各個(gè)傳感器所反饋的信號(hào)進(jìn)行一定的分析判斷，然后對(duì)實(shí)際車(chē)速與設(shè)定車(chē)速所產(chǎn)生的差速通過(guò)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整，使車(chē)速不斷趨于設(shè)定車(chē)速值，汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的微電腦可以單獨(dú)供汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)使用，也可用供多個(gè)系統(tǒng)使用，汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的微電腦有自診斷和記憶車(chē)速的功能。

2.3 汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的控制過(guò)程

汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的原理就是當(dāng)行駛車(chē)輛在一定速度行駛時(shí)，駕駛員按下巡航控制器，并通過(guò)調(diào)節(jié)按鈕進(jìn)行車(chē)速設(shè)定。而駕駛員不必再次踩油門(mén)踏板，巡航控制會(huì)把設(shè)定的車(chē)速以電信號(hào)傳遞給節(jié)氣門(mén)控制器，節(jié)氣門(mén)控制器將要控制的內(nèi)容以電信號(hào)形式傳遞給節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器，并根據(jù)指令來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，同時(shí)改變發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器，使汽車(chē)按照規(guī)定車(chē)速行駛，受外部因素影響，當(dāng)再一次存在差速時(shí)，對(duì)于以上步驟，執(zhí)行器開(kāi)始進(jìn)行重復(fù)，對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)進(jìn)行微調(diào)，使車(chē)速不斷趨于設(shè)定值，當(dāng)踩下制動(dòng)踏板或按下關(guān)閉巡航控制器按鈕即解除汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)。

3 PID巡航控制策略分析

在汽車(chē)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(duì)PID控制進(jìn)行詳細(xì)分析[6]。

PID控制就是根據(jù)現(xiàn)實(shí)車(chē)速與規(guī)定車(chē)速之間的差距，考慮不同時(shí)間的差距，達(dá)到汽車(chē)不改變參數(shù)的巡航控制。在駕駛汽車(chē)過(guò)程時(shí)，駕駛員開(kāi)啟巡航并對(duì)巡航設(shè)定一個(gè)特定的速度，這時(shí)，車(chē)速的傳感器也會(huì)測(cè)出當(dāng)下車(chē)速并反饋給控制器，兩者車(chē)速會(huì)有一個(gè)差速（△V）?？刂破鞲鶕?jù)這個(gè)偏差去調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)，使的車(chē)速穩(wěn)定在之前設(shè)定好車(chē)速。因?yàn)橥饨缫蛩匾恢贝嬖?，所以這個(gè)差速不會(huì)一直穩(wěn)定在0，這時(shí)PID中的微分就會(huì)起到預(yù)計(jì)估算的作用。

3.1 PID控制器的組成

PID的三個(gè)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(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

3.2 PID控制系統(tǒng)分類

PID控制有開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（open-loop control system）是指控制器對(duì)被控制所輸出的信號(hào)不會(huì)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(duì)被控制的單位產(chǎn)生的信號(hào)有反應(yīng)，形成一個(gè)或多個(gè)閉合回路。在這個(gè)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(hào)與本身設(shè)定的信號(hào)極性相反時(shí)被稱為負(fù)反饋，當(dāng)所接受到的反饋信號(hào)與本身設(shè)定的信號(hào)極性相同時(shí)，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(jī)。當(dāng)洗衣機(jī)清洗衣物時(shí)，洗衣機(jī)會(huì)自動(dòng)判斷衣物是否被清洗干凈，當(dāng)不干凈時(shí)繼續(xù)自動(dòng)清洗，當(dāng)衣物清洗干凈時(shí)，在結(jié)束清洗時(shí)，自動(dòng)切斷電源。

3.3 PID控制現(xiàn)實(shí)意義

自動(dòng)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(shí)間段里得到了不同程度的發(fā)展，而現(xiàn)在通過(guò)技術(shù)的不斷升級(jí)，將自動(dòng)化與控制理論相結(jié)合，形成了現(xiàn)在很多自動(dòng)化產(chǎn)品，比方上述提到的全自動(dòng)洗衣機(jī)，他就是應(yīng)用模糊控制理論。通過(guò)對(duì)上面小節(jié)的一個(gè)歸納，自動(dòng)控制系統(tǒng)是由開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩個(gè)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(jī)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(hào)通過(guò)輸入輸出接口反饋給控制器，控制器進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生調(diào)整量信號(hào)，將信號(hào)通過(guò)輸入輸出接口傳遞給執(zhí)行器，執(zhí)行器根據(jù)指令對(duì)所在零件進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于工作環(huán)境不同，那么對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)就會(huì)有相應(yīng)的變化，控制系統(tǒng)有變化時(shí)，內(nèi)部的零部件就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，對(duì)溫度進(jìn)行自動(dòng)控制就要用到溫度傳感器，對(duì)于比方水壓進(jìn)行自動(dòng)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(shí)因?yàn)樗旧斫Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)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(shí)，也就培養(yǎng)科研人員對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)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(guò)這項(xiàng)技術(shù)，能自動(dòng)控制各項(xiàng)壓力，溫度，流量等，他這塊就是應(yīng)用參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整校對(duì)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，如今能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一個(gè)遠(yuǎn)程控制調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于其余幾種控制策略，PID控制策略本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)定參數(shù)簡(jiǎn)便，效果明顯。但若是針對(duì)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。

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