【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(jì)算、加工處理后，向執(zhí)行器發(fā)出指令，控制執(zhí)行器的動(dòng)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(gè)電子控制器采用了4 個(gè)放大器，每個(gè)放大器都有特定的作用，運(yùn)算放大器1 是誤差信號放大器，它的輸出與指令車速和實(shí)際車速之差成正比，誤差信號UE 用作運(yùn)算放大器 2 和3 的輸入，運(yùn)算放大器2 是一個(gè)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(yùn)算放大器3 是一個(gè)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(yùn)算放大器 4 疊加在一起，運(yùn)算放大器4 將電壓信號UP 和UI 相加并將運(yùn)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(yùn)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(yùn)算放大器4 產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)執(zhí)行器。為此采用了一個(gè)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(dòng)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(gè)具有高輸入阻抗的放大器進(jìn)行檢測，該運(yùn)算放大器向誤差信號放大器輸出一個(gè)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(dòng)開關(guān)等的信號，經(jīng)計(jì)算、記憶、放大及信號轉(zhuǎn)換等處理后，輸出控制信號，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)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(diǎn)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(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)汽車上其它系統(tǒng)已有控制用微機(jī)時(shí)，只需改動(dòng)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(jī)以電動(dòng)或氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)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(dòng)式和真空式( 氣動(dòng)式 )兩種。下面分別作以介紹：1) 電動(dòng)式執(zhí)行器 電動(dòng)式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖25所示。9圖 25 電動(dòng)式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖Fig. 25 The structure of electromotor executor電動(dòng)式執(zhí)行器主要由電動(dòng)機(jī)、安全電磁離合器和位置傳感器組成。電動(dòng)機(jī)采用直流永磁式電動(dòng)機(jī)，通過改變電動(dòng)機(jī)中電流方向即可改變節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)方向。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)執(zhí)行元件控制臂轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)角度，電動(dòng)機(jī)電路裝有限位開關(guān)。在電動(dòng)機(jī)與控制臂間裝有安全電磁離合器。當(dāng)進(jìn)行巡航控制時(shí)安全電磁離合器接合，此時(shí)電動(dòng)機(jī)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(jī)式執(zhí)行器中還裝有位置傳感器，它是一個(gè)由滑動(dòng)變電阻器構(gòu)成的電位計(jì)，用于檢測執(zhí)行器控制臂的轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)空氣電磁閥和一個(gè)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(shí)，電磁閥起作用。真空電磁閥內(nèi)部有一個(gè)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(dòng)節(jié)氣門的拉索。真空式執(zhí)行器是利用發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)。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(shí)，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(shí)，真空電磁閥和兩個(gè)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(gè)空氣電磁閥則關(guān)閉，密封圓筒內(nèi)真空度增大，吸動(dòng)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(shí)，真空電磁閥與空氣電磁閥同時(shí)關(guān)閉，此時(shí)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(shí)，空氣電磁閥電磁線圈斷路，又恢復(fù)為打開狀態(tài)，此時(shí)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(jī)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(jī)電式巡航控制系統(tǒng)，采用電動(dòng)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(jī)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(jī)電式控制系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn)：1. 一般在行駛速度達(dá)到40km/h 時(shí)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(dòng)作時(shí)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(dòng)范圍內(nèi)。4. 在汽車動(dòng)力允許的情況下，汽車爬坡時(shí)，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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)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(shí)，即使沒有踩制動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(cuò)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(gè)輸入信號:一個(gè)是駕駛員按要求的車速設(shè)定的車速信號，另一個(gè)是實(shí)際車速反饋信號。當(dāng)測出的實(shí)際車速高于或低于駕駛員設(shè)定的車速時(shí)，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(dòng)節(jié)氣門執(zhí)行器工作，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度，以修正設(shè)定車速信號與實(shí)際車速反饋信號的誤差，從而使實(shí)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(shí)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(shí)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(jī)根據(jù)目標(biāo)車速自動(dòng)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(shí)，微機(jī)就命令加大節(jié)氣門開度，使發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，若在平坦路面上車速為V 0時(shí),按下設(shè)定開關(guān)進(jìn)入巡航控制的自動(dòng)行駛狀態(tài)，系統(tǒng)控制節(jié)氣門開度到O點(diǎn)時(shí)，一旦遇到爬坡時(shí)，則行駛阻力增加，如不進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，車速就會(huì)降到V1點(diǎn)，使行駛達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)的巡航控制則按照控制線操作節(jié)氣門，使開度從O點(diǎn)變?yōu)锳點(diǎn)，相應(yīng)的車速穩(wěn)定在VA點(diǎn)，重新取得動(dòng)力平衡。當(dāng)遇到下坡時(shí)，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(diǎn)變到B點(diǎn)，使車速保持在VB點(diǎn)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(dòng)（控制誤差）減小到零。當(dāng)車速在40km/h以下、100km/h以上時(shí)，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(dòng)開關(guān)、制動(dòng)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(dòng)式執(zhí)行器和真空式執(zhí)行器的特點(diǎn)，分析了采用電動(dòng)式執(zhí)行器的原因。分析了一種以實(shí)際車速和巡航車速的差值作為輸入量，實(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(dòng)力。Fr——空氣阻力,計(jì)算公式為Fh——重力分量, 計(jì)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(dòng)力Fc 為提供輸入口；Max Thrust——設(shè)置驅(qū)動(dòng)力的上限；UpLim 取小模塊— 取兩個(gè)輸入中的最大者作為輸出；Max Brake——設(shè)置制動(dòng)力下限，取為 2022；LowLim——取兩個(gè)輸入這種的大者為輸出；ClockIn——為接受仿真時(shí)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(jī)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(shí)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(shí)間常數(shù)；TD——微分時(shí)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