【文章內(nèi)容簡介】 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。75. 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23 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/R3 C (21)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U C 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 24 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(jìn)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U 2，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。8圖 23 模擬電子控制器電路原理圖 The circuit diagram of analog electrocontroller圖 24 采樣及保持電路原理圖Fig. 24 Principle of sample and holding circuit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(jìn)的大規(guī)模或超大規(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(dāng)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25所示。9圖 25 電動式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖Fig. 25 The structure of electromotor executor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(dāng)進(jìn)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26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(jìn)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(jìn)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 26 真空式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)框圖Fig. 26 The structure of vacuum executor圖27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(dāng)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(jìn)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(dāng)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(dāng)汽車減速時，空氣電磁閥電磁線圈斷路，又恢復(fù)為打開狀態(tài)，此時空氣進(jìn)入密封圓筒，10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(shè)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(dá)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(shè)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(shè)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(shè)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(fù)”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(dāng)預(yù)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(dāng)預(yù)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(shè)置開關(guān)、恢復(fù)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 27 真空式巡航器的原理圖11Fig. 27 Principle of vacuum executor 巡航控制系統(tǒng)的工作原理圖28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28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(shè)定的車速信號，另一個是實際車速反饋信號。當(dāng)測出的實際車速高于或低于駕駛員設(shè)定的車速時，ECU將這兩種信號進(jìn)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(shè)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(fù)到駕駛員設(shè)定的車速，并保持恒定。圖 28 巡航控制系統(tǒng)基本原理框圖Fig. 28 Basic principle block scheme of CCS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29所示。巡航控制系統(tǒng)使微機根據(jù)目標(biāo)車速自動維持汽車恒速行駛。ECU設(shè)置了輸出控制線，輸出控制線斜率應(yīng)盡量使車速變化小，且斜率還可以調(diào)整。當(dāng)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(fù)設(shè)定速度。系統(tǒng)進(jìn)行巡航控制時，若在平坦路面上車速為V 0時,按下設(shè)定開關(guān)進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)控制，車速就會降到V1點，使行駛達(dá)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(yīng)的車速穩(wěn)定在VA點，重新取得動力平衡。當(dāng)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V B之間的小范圍內(nèi)變化，達(dá)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(dāng)車速在40km/h以下、100km/h以上時，巡航系統(tǒng)不工作。12圖 29 車速與節(jié)氣門開度的關(guān)系Fig. 29 The relation between car39。s speed and throttle39。s opening degree 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(jìn)行了詳細(xì)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(xì)分析和說明。13第 3 章巡行控制系統(tǒng)的仿真分析 行駛轎車仿真模型的建立坡路上行駛汽車的受力如圖 31 所示。圖 31 坡路上行駛汽車受力圖Fig. 31 Bearing force of automobile on road slope根據(jù)牛頓第二定律，得到汽車的運動方程為式(31)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14圖32 中FcIn ——“指令”驅(qū)動力Fc 為提供輸入口；Max Thrust——設(shè)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；Max Brake——設(shè)置制動力下限，取為 2022；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 32 汽車仿真模型Fig. 32 Simulation model of automobile 控制器模型的建立 控制方法的選擇為了使汽車巡航控制系統(tǒng)達(dá)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(yīng)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33 所示。圖33 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(jìn)行15控制，故稱PID 控制器。其模擬表達(dá)式為或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式式(37)中K P——比例系數(shù)；TI——積分時間常數(shù)；TD——微分時間常數(shù)。圖 33 模擬PID 控制系統(tǒng)原理框圖Fig. 33 Principle block scheme of analog PID Control簡單來說，PID 控制