汽車巡航控制系統的研究

黃步光

摘要：為實現汽車巡航控制，根據設定的速度信號和實際行車間的誤差后，產生一個送至油門執行器油門控制信號，從而使油門執行器根據油門控制信號來調節發動機油門的開度，以修正電子式控制裝置所檢測到的誤差，從而使車速保持恒定。

關鍵詞：汽車巡航，控制信號，誤差

汽車巡航控制系統，可以使汽車工作在發動機最有利的轉速范圍內，汽車無論是在上坡、下坡、平路上行駛，或是在風速變化的情況下行駛，只要在發動機功率允許的范圍內，使汽車的行駛速度穩定在自己設定的速度內，從而不僅提高了發動機的使用效率，而且還可以減輕駕駛員的駕駛操作勞動強度，提高行駛的舒適性。

一、汽車巡航控制基本功能

汽車巡航控制主要功能有：1）車速設定：當按下車速調置開關后，就能存儲該時間的行駛速度，并能保持這一速度行駛。2）消除功能：當踩下制動踏板，上述功能立即消失。但是，上述調置速度繼續存儲。3）恢復功能：當按恢復開關，則能恢復原來存儲的車速。4）滑行：繼續按下開關進行減速，以離開開關時的速度作巡航行駛。5）加速：繼續按下開關進行加速，以不操縱開關時的車速進入巡航行駛。6）速度微調升高：在巡航速度行駛中，當操縱開關以ON-OFF（接通-斷開）方式變換時，使車速稍稍上升。

故障保險功能：1）低速自動消除功能：當車速小于40km/h時，存儲的車速消失，并不能再恢復此速度。2）制動踏板消除的功能：在制動踏板上裝有兩種開關，一個用于對計算機的信號消除；另一個是直接使執行元件工作停止。3）各種消除開關：除了利用制動踏板的消除功能外，還有駐車制動、離合器（M/T）、調速桿（A/T）等操作開關的消除功能。

二、汽車巡航控制系統的組成

汽車巡航控制系統主要由指令開關、車速傳感器、巡航ECU和油門執行器四部分組成。各種開關和計算機被配置在駕駛室內；執行元件、真空泵則配置在發動機室內，執行元件的控制線纜與加速踏板相連接。電子控制裝置能夠根據行駛阻力的變化，自動調節發動機油門的開度，使汽車行駛時的速度保持恒定。這樣不僅減少了不必要的車速變化、節約燃料，還可以減輕駕駛員的行車疲勞，從而提高行車的安全性。指令開關是巡航控制系統的主電源開關，采用按鍵方式，每次將其推入，該系統的電源就接通或關閉。主開關接通時，如將點火開關關閉，主開關也關閉；即使點火開關再次接通，主開關仍保持關閉。傳感器主要有車速傳感器、節氣門傳感器和節氣門控制搖臂位置傳感器等；巡航ECU接收各種傳感器的信號，進行運算處理，對執行器發出指令；油門執行器是將電控單元輸出的電流或電壓信號轉變為機械運動，進而控制節氣門的開度，在該系統中，所有輸入指令內以數字信號直接存儲和處理。帶可擦只讀存儲器的八位處理控制器（MCU）根據指令車速、實際車速以及其他輸入信號，安裝給定程序完成所有的數據處理之后，產生一個輸出信號驅動步進電動機改變油門開度?？紤]到安全因素，將制動開關與油門執行器直接相連，當踩下制動踏板時，在斷開MCU巡航控制程序的同時，將油門執行器的動力源斷開，從而確保油門完全關閉。

三、汽車巡航控制的分析

汽車巡航車速一般采用PI控制方式，比例-積分算法（Proportion and Integral Calculus）進行控制，比較器運算得到的誤差信號經過比例運算電路線性放大后，輸出的信號將正比于誤差信號；積分運算放大電路設置有一條斜率可調的輸出控制線，用以在短時間內將車速誤差調節到趨近于零的很小范圍。根據控制線控制的巡航車速與節氣門開度之間的關系，節氣門控制信號則由比例運算電路和積分運算電路輸出信號疊加而成。

當汽車在平坦路面上以設定的巡航車速v0行駛時，設節氣門開度為θ0。如果此時CCS ECU向執行機構發出指令使節氣門開度保持不變，則汽車將以設定的巡航車速v0行駛。當汽車遇到坡道上坡行駛或遇到刮風逆風行駛時，由于坡道阻力或風阻增加將使車速降低到vd，不能以設定的巡航車速v0行駛。此時CCS ECU向執行機構發出指令使節氣門開度增大（即節氣門旋轉角度增大+Δθ），才能使汽車速接近于設定的巡航車速v0（此時實際車速比巡航車速v0低-Δv值）行駛。

同理，當車下坡或順風行駛時，節氣門旋轉角度將減?。?Δθ），實際車速將比巡航車速v0高+Δv值。

為使汽車巡航車速v0不受行駛阻力變化的影響，巡航電控單元CCS ECU內部積分運算放大器Ki控制的控制線應盡可能使車速變化范圍減小，即控制線的斜率應盡可能小。由于PI控制方式設置了控制線，因此，當汽車上坡、下坡道路以及風阻等因素導致行駛阻力變化時，控制系統只要將節氣門開度調整Δθ轉角，就可將車速變化幅度限制在Δv值的微小范圍內。

四、巡航控制系統的優點

1.提高汽車行駛時的舒適性：特別是在郊外或高速公路上行駛，這種優越性更為顯著。另外，當汽車以一定的速度行駛時，減少了駕駛員的負擔，使其可以輕松地駕駛。

2.節省燃料，具有一定的經濟性和環保性：在同樣的行駛條件下，對一個有經驗的駕駛員來說，可節省燃料15%。這是因為在使用了這一速度穩定器以后，可使汽車的燃料供給與發動機功率之間處于最佳的配合狀態，并減少了廢氣的排放。

3.保持汽車車速的穩定：汽車無論是在上坡、下坡、平路上行駛，或是在風速變化的情況下行駛，只要在發動機功率允許的范圍內，汽車的行駛速度保持不變。

五、巡航控制系統的發展趨勢

1.新控制理論的應用：駕駛者需要更平順的駕駛感覺和更自然的速度控制，以傳統的控制理論為基礎，又引入了新的控制理論。目前，模糊控制等新理論已不斷地得到應用。

2.聯動控制、復合控制：巡航控制是獨立式的，要求在控制中提高感覺敏感度、響應性和更高的精度。為此，需要發動機控制用計算機、變速控制用計算機進行聯動控制，使這些計算機形成一體化的復合控制。

3.小型化、智能化：計算機、執行元件更趨小型化、一體化，向智能型發展。

4.追蹤行駛控制：現在巡航穩定行駛裝置分別利用加速、減速、恢復車速、消除等開關自由控制車速，但是往往在道路交通混雜的情況下，不便于當車輛接近時進行減速或車輛拉開距離時加速。為了解決這一問題，利用雷達測定與前方車輛之間的距離，隔開一定距離進行追蹤行駛。車載雷達可用毫米波雷達，也可用激光。