汽車PID巡航系統控制策略淺析

張俊

摘 要：本文介紹了汽車巡航的功能，組成，作用和原理，分析了其中的傳感器，控制器，執行機構的工作原理;通過對比PID控制，模糊控制，迭代學習控制和自適應控制的工作特點，分析了各種巡航控制策略的優劣。

關鍵詞：巡航;控制;PID

0 引言

汽車巡航控制是當下汽車發展中正在普及的一項技術，這項技術在汽車長途行駛中降低駕駛員疲勞駕駛，降低一些外在因素而發生的事故。但是汽車巡航控制系統并沒有發展完善，很多問題伴隨駕駛員駕駛汽車時而產生。

巡航制控系統（Cruise Control System）簡稱CCS（車輛速度控制系統），是指在駕駛員不需要踩油門通過巡航控制器設置一個特定的車速而使行駛車輛車速不斷在接近設定車速限制內行駛的控制裝置[1]。駕駛汽車在高速公路上行駛，雖然外界因素相對穩定，但駕駛時間長了還是需要適當的更改汽車行駛速度，長時間駕駛車輛對人各方面都會有一定的影響，容易出現不利于駕駛的因素產生，因此在汽車上安裝巡航系統。汽車巡航問世之后也伴隨著一些問題的出現，比方巡航系統打開無法關閉，巡航系統在不同操作系統下的關閉方法不同。在技術上也有一定的進步例如從以前單方面的讓車保持一種車速下行駛到現在跟車定速等。不管從巡航系統的不足到問題的分析還是從巡航系統的技術升級，我們都應該對汽車巡航系統控制系統進行分析，從而加強對技術的學習與研究深度，提升分析和解決問題的能力。

1 巡航系統發展方向

進入21世紀以來，由于汽車電子元件越來越普遍地應用在汽車上以及各地公路、高速公路的不斷發展，使得定速巡航系統已經逐步變得成熟，系統的電路以及布線有了很大的進步，控制部分更加快捷與精確，多路傳送系統的技術變得更加成熟，故障自動報警系統發展得更加精準[2]。總體看來，巡航系統的發展方向具體有以下幾點：

1.1 先進控制方法的引進

車輛在行駛過程中的實際工況是很復雜的，它主要受到車載人員的人數、發動機的當前狀況等因素的影響，駕駛員對舒適性的要求更高了，引入新技術的巡航控制系統在以傳統的控制原理為基礎，又引入不少先進的控制理論，目前，PID控制，自適應控制和模糊控制等原理先后被研發使用[3]。

1.2 聯動與復合控制

目前，國內絕大部分汽車上的定速巡航均是獨立使用的，都在汽車里單獨地使用，而目前隨著汽車行業的不斷發展，并且與國際接軌，為此，需要計算機將各個部件有機地結合起來，使得各個部件在計算機的作用下都有著各自的聯系[4]。

1.3 智能化與小型化

目前，車用計算機都非常小，包括汽車上的各個的電子元件也是如此，這使得汽車的質量減輕，并逐步地在往智能化發展。

1.4 追蹤與行駛控制

目前車用定速巡航系統里分別用加速、減速、恢復車速、消除等開關用來控制巡航系統，但這種情況只適用于車流量不大的高速公路上，不方便加速和減速。為了解決這一問題，通常車輛前保險杠或者后保險杠裝有探測器，通過發射的納米微波來探測本車輛與前方車輛或者障礙物之間的距離，目前有專家提出車載雷達還可利用激光，以求能夠達到更加迅速、準確地控制車輛，對于此提議，國外的科研機構仍在研究之中[5]。

2 巡航系統控制原理

在巡航控制系統里，汽車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境傳遞給ECU，ECU會根據這些信息給出一定的控制量，根據這個控制量去調整節氣門開度從而達到控制車速的作用。巡航控制系統有控制開關、傳感器、電控單元以及執行器構成。

2.1 汽車巡航控制系統的傳感器

汽車巡航控制系統采用的傳感器主要有車速傳感器，節氣門位置傳感器以及節氣門控制搖臂位置傳感器。車速傳感器就是向汽車微電腦傳感器反饋當時車速，節氣門傳感器就是向汽車微電腦傳感器反饋節氣門的開度的變化，節氣門控制搖臂位置傳感器就是向汽車微電腦傳感器反饋節氣門控制搖臂的位置變化，微電腦根據反饋的信息對車速進行調整，使車速不斷接近于駕駛員設定的車速。

2.2 汽車巡航控制系統的微電腦

汽車巡航控制系統的微電腦就相當于人的大腦，對各個傳感器所反饋的信號進行一定的分析判斷，然后對實際車速與設定車速所產生的差速通過節氣門開度進行調整，使車速不斷趨于設定車速值，汽車巡航控制系統的微電腦可以單獨供汽車巡航控制系統使用，也可用供多個系統使用，汽車巡航控制系統的微電腦有自診斷和記憶車速的功能。

2.3 汽車巡航控制系統的控制過程

汽車巡航控制系統的原理就是當行駛車輛在一定速度行駛時，駕駛員按下巡航控制器，并通過調節按鈕進行車速設定。而駕駛員不必再次踩油門踏板，巡航控制會把設定的車速以電信號傳遞給節氣門控制器，節氣門控制器將要控制的內容以電信號形式傳遞給節氣門執行器，并根據指令來控制發動機節氣門開度，同時改變發動機及變速器，使汽車按照規定車速行駛，受外部因素影響，當再一次存在差速時，對于以上步驟，執行器開始進行重復，對汽車發動機節氣門進行微調，使車速不斷趨于設定值，當踩下制動踏板或按下關閉巡航控制器按鈕即解除汽車巡航控制系統。

3 PID巡航控制策略分析

在汽車巡航控制策略方面，常用的有PID控制、模糊控制、迭代學習控制和自適應控制等幾種，本文主要針對PID控制進行詳細分析[6]。

PID控制就是根據現實車速與規定車速之間的差距，考慮不同時間的差距，達到汽車不改變參數的巡航控制。在駕駛汽車過程時，駕駛員開啟巡航并對巡航設定一個特定的速度，這時，車速的傳感器也會測出當下車速并反饋給控制器，兩者車速會有一個差速（△V）。控制器根據這個偏差去調節節氣門，使的車速穩定在之前設定好車速。因為外界因素一直存在，所以這個差速不會一直穩定在0，這時PID中的微分就會起到預計估算的作用。

3.1 PID控制器的組成

PID的三個字母分別代表： 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，因此它的傳遞函數為：

（2）

其中kp為比例系數，TI為積分時間常數，TD為微分時間常數。

3.2 PID控制系統分類

PID控制有開環控制和閉環控制兩類。

開環控制系統（open-loop control system）是指控制器對被控制所輸出的信號不會產生任何反應形成的閉合回路。

閉環控制系統（closed-loop control system）是指控制器對被控制的單位產生的信號有反應，形成一個或多個閉合回路。在這個閉環控制系統又被分為正反饋和負反饋。當所接收到的反饋信號與本身設定的信號極性相反時被稱為負反饋，當所接受到的反饋信號與本身設定的信號極性相同時，就被稱之為正反饋。在大多的閉環控制系統中應用的更多的是負反饋。閉環控制系統在生活中有很多類似的例子。比方生活中用到的洗衣機。當洗衣機清洗衣物時，洗衣機會自動判斷衣物是否被清洗干凈，當不干凈時繼續自動清洗，當衣物清洗干凈時，在結束清洗時，自動切斷電源。

3.3 PID控制現實意義

自動化的應用是現代工業發展的重要里程碑，控制理論也在不同的時間段里得到了不同程度的發展，而現在通過技術的不斷升級，將自動化與控制理論相結合，形成了現在很多自動化產品，比方上述提到的全自動洗衣機，他就是應用模糊控制理論。通過對上面小節的一個歸納，自動控制系統是由開環控制系統和閉環控制系統兩個系統組成，而閉環控制系統又被分成了正反饋和負反饋，應用的更多的是負反饋閉環控制系統;控制系統又是由傳感器，控制器，執行機構，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通過輸入輸出接口反饋給控制器，控制器進行計算，產生調整量信號，將信號通過輸入輸出接口傳遞給執行器，執行器根據指令對所在零件進行調節。由于工作環境不同，那么對應的控制系統就會有相應的變化，控制系統有變化時，內部的零部件就會產生相應的變化，對溫度進行自動控制就要用到溫度傳感器，對于比方水壓進行自動調節的就用壓力傳感器。現如今PID控制已得到廣泛的應用，這時因為它本身結構的簡便，編程容易，達到的效果也十分讓人滿意，所以很多公司生產的產品都應用PID控制或者智能PID控制，很多公司在應用的同時，也就培養科研人員對控制系統進行科研，如今的智能PID控制已經能做到參數自整定調節，通過這項技術，能自動控制各項壓力，溫度，流量等，他這塊就是應用參數的自動調整校對來進行實現的，如今能通過網絡進行一個遠程控制調整。

4 結束語

相對于其余幾種控制策略，PID控制策略本身結構簡化，設定參數簡便，效果明顯。但若是針對非線性關系的控制系統，PID控制策略也很難調整參數，將導致巡航控制系統的震蕩，不能使控制效果達到最佳。

參考文獻：

[1]唐向明.“奧迪電子”之一白適應巡航系統[J].汽車維修與保養，2009（01）.

[2]朱琦，吳嘩.汽車電子巡骯系統的應用[J].北京汽車，2009（02）.

[3]孫中梁.汽車巡航控制系統的正確使用[J].農機使用與維修，2008（04）.

[4]胡克非.定速巡航系統的設計[D].武漢理工大學，2012（05）.

[5]潘汝濤.PID控制器簡介及參數整定方法[J].科技信息，2011（03）.

[6]陳木元.camry巡航控制系統原理與檢測[J].汽車電器，2012（05）.