【正文】 2 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。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。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(duì)其原理作了詳細(xì)分析和說明。通過對(duì)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。s speed and throttle39。當(dāng)車速在40km/h以下、100km/h以上時(shí)，巡航系統(tǒng)不工作。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。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。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。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。當(dāng)測(cè)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(hào)進(jìn)行比較，得出兩信號(hào)之差，即誤差信號(hào)，再經(jīng)放大、處理后成為節(jié)氣門控制信號(hào)，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(hào)與實(shí)際車速反饋信號(hào)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 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。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。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。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。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。這就比直接測(cè)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。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)。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。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)。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。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。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。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)。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。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。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(cè)執(zhí)行器控制臂的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，并將信號(hào)輸入巡航控制ECU中。在電動(dòng)機(jī)與控制臂間裝有安全電磁離合器。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。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。執(zhí)行器常分為電動(dòng)式和真空式( 氣動(dòng)式 )兩種。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。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(hào)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。采樣及保持電路的原理如圖 24 所示。為此采用了一個(gè)將模擬電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的輸出U C 直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。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(hào)回到正確的極性。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(hào)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(hào)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)。6. 巡航控制 ECU 用于接收各種傳感器送來的信號(hào)，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。節(jié)氣門控制搖臂位置傳感器：用于監(jiān)測(cè)節(jié)氣門控制搖臂的位置，并將信號(hào)傳送給巡航控制ECU。專門用于巡航控制系統(tǒng)的車速傳感器一般安裝在變速器的輸出軸上，這是因?yàn)閷?shí)際車速與變速器輸出軸轉(zhuǎn)速成正比。4. 車速傳感器 車速傳感器通常和車速里程表相連接。2. 空檔啟動(dòng)開關(guān) 用于向巡航控制 ECU 傳送空氣啟動(dòng)開關(guān)接通信號(hào)(即變速器操縱桿處于空檔位置的信號(hào))，以使汽車立即退出巡航控制狀態(tài)?！皬?fù)位/加速”檔用于制動(dòng)或換檔斷開電路后，使車輛重新按調(diào)定速度行駛。該開關(guān)處于“設(shè)置/巡航”檔位時(shí)，只要按下按鈕開關(guān)不動(dòng)，車輛就不斷加速。安裝在轉(zhuǎn)向柱上駕駛員容易接近的地方。其結(jié)構(gòu)如圖21 所示。、可靠性、抗干擾性等。由于汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系的非線性和汽車在行駛中受到的路面坡度、空氣阻力的外界干擾，需要尋找一種最佳控制方案，使汽車在行駛過程中受到外力干擾而車速變化時(shí)，控制系統(tǒng)能根據(jù)被控對(duì)象的變化特征在線及時(shí)的調(diào)整控制參數(shù)，使控制效果保持最佳。本文將以轎車為對(duì)象，分析汽車行駛過程中受到的各種外力，在合理假設(shè)的前提下建立起汽車動(dòng)力學(xué)模型。2. 汽車仿真模型的建立。本汽車定速巡航系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方法，駕駛員通過操縱控制開關(guān)設(shè)置巡航定速的速度值，與采集的當(dāng)前車速進(jìn)行比較，無論汽車處于何種狀態(tài)，上坡、下坡或平路，通過實(shí)時(shí)計(jì)算及控制，驅(qū)動(dòng)油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作，達(dá)到車速穩(wěn)定狀態(tài)。才能設(shè)計(jì)出具有較高控制精度的應(yīng)用系統(tǒng)。如南方和北方的冬季溫差特別大，汽車各零部件工作溫度也相差較多，溫度對(duì)電氣零部件的額定工作電流是有影響的；同時(shí)濕度較高的環(huán)境容易造成電子器件絕緣損壞或腐蝕機(jī)件；當(dāng)汽車行駛在崎嶇不平的山路時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生很大的振蕩，這對(duì)電控系統(tǒng)來講就要求較高；另外，汽車的供電系統(tǒng)有蓄電池和發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)電源，蓄電池由于發(fā)電程度不同，使其輸出電壓變化較大，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器一般是用通斷方式控制發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)電流，所以汽車上的電源波動(dòng)及瞬時(shí)過電壓形成的電氣環(huán)境也較惡劣；這些環(huán)境對(duì)汽車的保養(yǎng)與控制系統(tǒng)的可靠性等都是一些不利的因素。并且車速越大風(fēng)阻也越大，巡航行駛時(shí)風(fēng)阻便是一個(gè)不能忽略的因素，再如上發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與節(jié)氣門的關(guān)系非常復(fù)雜，決定了巡航控制的實(shí)現(xiàn)是非常復(fù)雜的。而且也受到發(fā)動(dòng)機(jī)工況、負(fù)載情況等的影響。車速的大小變化情況非常復(fù)雜。微電腦系統(tǒng)隨時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)并顯示系統(tǒng)的故障，自動(dòng)及時(shí)地中止系統(tǒng)的工作，降低最低限速，增加智能系統(tǒng)，采用跟蹤技術(shù)和增加鄰車警告系統(tǒng)，提高行車安全性，使之被大眾汽車所接受。即雖然系統(tǒng)多用模塊控制，但造價(jià)十分昂貴；限速太高，一般系統(tǒng)都必須在40km/h 以上才起作用；檢修雖方便，但需較高的技術(shù)。到本世紀(jì)末起以及目前展出的21 世紀(jì)汽車，該系統(tǒng)真可謂日臻完善，系統(tǒng)電路集成化水平提高，控制模塊體積精巧，多路傳輸系統(tǒng)日漸成熟，自檢系統(tǒng)更準(zhǔn)確有效。而對(duì)汽車巡航控制系統(tǒng)研究的關(guān)鍵就是能夠找到一種合適的控制算法，使得控制效果盡可能理想。其不足之處是模糊控制規(guī)則的獲取和模糊隸屬度函數(shù)形狀的確定是一項(xiàng)費(fèi)力的工作；而且系統(tǒng)一旦確定，其規(guī)則和隸屬度就確定了，不能隨外界和車輛參數(shù)變化進(jìn)行調(diào)整。用于汽車巡航控制的模糊控制器輸入量一般可選擇設(shè)定車速和實(shí)際車速的偏差以及偏差的變化率。駕駛員駕駛汽車時(shí)，根據(jù)目標(biāo)車速與實(shí)際車速之間的偏差及路面情況，利用自己的經(jīng)驗(yàn)，決定加速踏板的變動(dòng)量，從而使汽車車速趨近于目標(biāo)車速。這一控制方法的缺點(diǎn)是：每一組特定的PID 參數(shù)都是對(duì)應(yīng)于某一段范圍內(nèi)的特征車速，因此對(duì)于不斷變化的車速來說，其控制特性仍然不很理想。結(jié)果表明：由于車速變化的非線性，此種控制方法難以滿足不同車速時(shí)的控制要求。然而該機(jī)電式巡航控制裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單，卻有控制精度不高，穩(wěn)定性不強(qiáng)等特點(diǎn)。該系統(tǒng)用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的真空度作動(dòng)力，通過系統(tǒng)簡單的機(jī)電結(jié)構(gòu)來穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其產(chǎn)生的真空度保持最小的變化。目前，模擬汽車恒速控制器在我國已經(jīng)投入生產(chǎn)和使用。歐洲的奔馳(BENZ)、寶馬 (BMW)以及我國的紅旗轎車等均裝有巡航控制系統(tǒng)。例如美國別克(BUICK)、凱迪拉克(CADILAC) 、協(xié)和(CONCORD)、紐約人(NEW YORKER)、克萊斯勒(CMC)等均裝用了巡航控制系統(tǒng)。綜合利用仿3真、分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)人工駕駛和具有自適應(yīng)控制系統(tǒng)的汽車進(jìn)行了比較，從得到的數(shù)據(jù)和信息可以知道，具有巡航控制系統(tǒng)的汽車能對(duì)駕駛員提供重要的輔助作用，對(duì)行駛安全性提供了一種主動(dòng)安全技術(shù)。此種巡航控制系統(tǒng)能夠很快地應(yīng)用于公路上，同時(shí)能夠保持人工操縱和自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的共存。如果前方車輛從測(cè)量范圍內(nèi)消失，ACC 將自動(dòng)恢復(fù)原先的車速，如果前方車輛減速，ACC便操縱制動(dòng)器來維持一定的時(shí)間間隔，從而避免了汽車的追尾。這種巡航控制系統(tǒng)主要由測(cè)速裝置、轉(zhuǎn)向角傳感器、車速傳感器、車速轉(zhuǎn)向傳感器、制動(dòng)ECU、轉(zhuǎn)矩ECU 和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 等組成。從 90 年代開始，國外又開始發(fā)展以智能化為核心的汽車巡航控制系統(tǒng) (ACC) 和以定距離控制為主的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。汽車巡航電子控制器采用先進(jìn)的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路技術(shù)做成專用模塊，也可在微機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。從安全上考慮，將制動(dòng)開關(guān)與節(jié)氣門執(zhí)行器直接相連，這樣，當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，在斷開巡航控制的同時(shí)，將執(zhí)行器的動(dòng)力源斷開，從而使節(jié)氣門安全關(guān)閉。日本Hino(日野) 公司于1985 年投放市場(chǎng)一種基于燃油經(jīng)濟(jì)性的車速控制系統(tǒng)，其控制框圖如圖11 所示，其控制部分是基于數(shù)字式的微控制器[1]。出現(xiàn)了以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的巡航控制系統(tǒng)。第二階段是 70 年代中后期至80 年代中后期，以數(shù)字信號(hào)為主的控制系統(tǒng)。之后，德國的VDO 公司也研制出了氣動(dòng)機(jī)械式巡航控制系統(tǒng)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從總體上來說，國外汽車巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展大體經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段是 50 年代至70 年代中期，這一時(shí)期美國和日本相繼出現(xiàn)了以模擬電路為基礎(chǔ)的汽車巡航控制系統(tǒng)。隨著我國高速公路網(wǎng)的迅速擴(kuò)大和延伸，汽車巡航控制系統(tǒng)的優(yōu)越性能也將更加體現(xiàn)出來。此外，這一系統(tǒng)減輕了駕駛員的負(fù)擔(dān)，對(duì)保證行車安全十分有利。裝有巡航控制系統(tǒng)的汽車有如下優(yōu)點(diǎn)：1. 保持車速穩(wěn)定 無