汽车巡航控制系统(1)

汽车巡航控制系统及自适应巡航控制系统AutocruisecontrolsystemandAdaptivecruisecontrolsystemCCS，ACCS1.巡航控制系统简介2.巡航控制系统的执行机构原理（电动式和气动式）3.巡航控制系统的控制4.巡航控制系统的发展前景一.巡航控制系统简介1.巡航控制系统,英文全称为CruiseControlSystem,缩写为CCS。根据其性能特点,巡航控制系统又称为车速控制(SpeedControl)系统或自动驾驶(Autodrive)系统。它是指在一定的车速范围内，驾驶员不用控制加速踏板就能使汽车保持以设定的速度行驶的控制装置。采用了这种控制系统的汽车，在高速公路上长时间行驶时，驾驶员不用控制加速踏板，从而降低了驾驶疲劳，提高了行驶安全性，同时减少了不必要的车速变化，节省了燃料。自动巡航系统（ACC），在设定巡航速度后，车载电脑可以控制油门，自动保持与前车的安全距离，在GPS的帮助下，会选择一条达到目的地的最佳路线，而且会时时提醒自动巡航系统近一平方公里范围内可能突然出现的物体。自动巡航系统一接受信息，马上会用它自己的“脑子”判断最佳车速应该是多少，并自动巡航行驶，待确认无潜在危险之后，又会自动恢复到较快的巡航速度。2.组成目前常用的CCS主要由巡航控制电子控制器(CCSECU)、操纵开关(主控开关、空档起动开关、驻车制动开关、点火开关)、传感器(车速传感器、节气门位置传感器、节气门控制摇臂位置传感器)和执行器(电磁离合器、驱动电动机)等组成。其主要部件在汽车上的布置如图所示。雷克萨斯（凌志）LSXUS400型轿车巡航控制部件安装位置1.主要部件的功能a.巡航控制ECU用于接收各种传感器传送来的信号，再经计算、加工处理后，向执行器发出指令，控制执行器的动作，使汽车实际车速与驾驶员设定的车速保持一致。b.主控开关用于控制巡航控制系统的启动、关闭和控制巡航工作状态。c.空档起动开关用于向巡航控制ECU传送空档起动开关接通信号(即变速器操纵杆处于空档位置的信号)，以使汽车立即退出巡航控制状态。d.制动灯开关用于向巡航控制ECU传送制动灯开关接通信号(即驾驶员踩下制动踏板的信号)，以使汽车迅速退出巡航控制状态。e.车速传感器用于监测汽车行驶速度，并将信号传送给巡航控制ECU。f.节气门控制摇臂位置传感器用于监测节气门控制摇臂的位置，并将信号传给巡航控制ECU。g节气门位置传感器用于监测节气门的位置，并将信号传送给巡航控制ECU。h.执行器(即节气门驱动机构)用于将巡航控制ECU发来的电信号转变成机械运转，控制节气门的开度.使汽车按驾驶员设定的车速行驶。巡航控制ECU的工作原理图行车中，在驾驶员开启巡航控制系统，并按操作程序完成巡航车速的设定后，车速传感器立即将此速度信号传送给巡航控制ECU,并储存在随机存储器(RAM)中。与此同时，巡航控制ECU向执行器发出信号，以控制节气门开度，使汽车按设定车速行驶。行车中，巡航控制系统通过车速传感器连续不断地监测汽车在各个时刻的速度，并将此速度信号传送给巡航控制ECU，经中央处理器(CPU)将此速度信号和储存在随机存储器(RAM)中的巡航车速信号进行比较运算和处理后，巡航控制ECU迅速向执行器发出增大或减小节气门开度的信号,通过控制节气门驱动电动机的正、反转及转速，从而实现对汽车行驶速度的控制。二.执行机构工作原理目前常用的执行器有两种：一种是电动式的。另一种是真空泵式的。电力驱动式执行机构主要由驱动电动机（永磁式或步进式电动机）、减速机构、安全电磁离合器和电位计等组成。执行机构的功用是根据CCSECU指令，通过节气门拉索（钢缆）调节发动机节气门的开度，从而使车速基本保持恒定。电动式执行结构结构原理图1.驱动电动机以及节气门（直流电动机或步进电机）电动机转动时通过减速机构和电磁离合器带动控制臂转动，控制臂又通过专用节气门拉索（钢缆缆索）拉动节气门摇臂转动，从而改变节气门开度。通过改变流过电动机电枢绕组电流的方向，即可改变电枢轴的转动方向，从而调节节气门摇臂转动角度的大小。为了限定控制臂转动角度，防止发动机发生飞车事故，在电动机电路中安装有限位开关。2.电磁离合器电磁离合器安装在驱动电动机与控制臂之间。在巡航行驶过程中，当驾驶员踩下制动踏板或实际车速超过设定巡航车速或车速传感器发生故障时，CCSECU将发出控制指令首先使离合器分离，防止发生事故。未进入巡航控制状态时，将电磁离合器线圈电路设计为接通状态，使离合器初始状态为接合状态。3.电位计在电力驱动式执行机构中，一般都装有一只由可变电阻器构成的电位计（即转角或位移传感器），其功用是检测执行机构中控制臂转动的角度或拉索的位移量，并将电信号输入CCSECU。该信号主要用于CCSECU诊断执行机构是否发生故障。在CCSECU向执行机构发出控制指令后，如果电位计信号没有变化或超过预先设定值，则将判定执行机构有故障。4.巡航控制电子控制器(ECU)选用CCSECU时，对它们有一定的特殊要求，如抗电磁干扰能力，在高温下的工作能力以及必要的运算速度等等。本田雅阁汽车电控巡航系统：1本田CCS的组成CCS主要由传感器及各种开关(主开关、设置/复位/清除开关、P/N档开关、制动开关、车速传感器)、电控单元、执行器(巡航控制作动器)、指示灯等组成。2本田CCS的工作过程本田CCS结构简图智能巡航系统简介智能巡航系统(IntelligentCruiseControlSystem)是20世纪70年代末提出的一种新型汽车智能驾驶系统,该系统利用雷达探测主车与目标车辆间的相对速度、相对距离、相对方位角等信息,并将其传递给主控ECU。ECU由此判断主车行驶状况以及与目标车辆间的相对运动关系和位置关系,调节主车的行驶速度,从而使得两车保持安全距离;并在前方交通状况良好时自动以设定车速巡航。汽车自动巡航系统典型工况示意图当主车探测与前方车距大于安全距离,保持定速巡航状态;当探测到有目标车辆进入安全区域,马上自动调节节气门或施加轻微制动减速,保持与前车的安全车距;随后转入对前车的跟随控制;如果旁侧车道有车辆突然低速并行时,汽车巡航系统将对主车施加紧急制动防止追尾碰撞发生。同时,当前车进入安全区域后,系统将发出报警声,为驾驶员提供第一反应时间。CCS主要控制汽车的节气门的开度，而ACC在控制汽车节气门开度的同时，还要控制制动器以及发动机。自动巡航系统由传感器综合信息系统、ICCSECU和车速控制执行机构组成。传感器综合信息系统包括雷达、轮速传感器、车速传感器、发动机转速传感器、自动变速器档位传感器、转向传感器和节气门及加速踏板传感器等3.巡航控制系统控制原理ACCS几种常见的控制算法：1.PI控制的基本原理巡航控制系统是一个典型的闭环控制系统。控制方法一般都采用比例--积分算法进行控制。汽车巡航控制系统的基本控制原理如图所示，原理：输入巡航控制电子控制器CCSECU的信号有两个：一个是驾驶员根据行驶条件，通过巡航开关设定的巡航车速指令信号，另一个是车速传感器输入的实际车速反馈信号。当巡航车速指令信号和实际车速反馈信号输入CCSECU后，CCSECU的比较器A经过比较运算便可得到两个信号的差值e，称之为车速偏差信号。偏差信号经过比例运算和积分运算后（控制器），再经过放大处理就可得到控制节气门开度大小的控制信号，CCSECU将控制指令发送给执行机构，执行机构就可驱动节气门拉索调节发动机节气门开度的大小，将实际车速迅速调节到驾驶员设定的车速值，从而实现巡航控制。PI控制方式：传递函数控制器的输出时间函数在PI控制方式中，因为比例增益和积分增益均为常数，所以电子控制器一旦设计完毕，在控制过程中增益就不再改变，因此PI控制属于线性定常控制。sTKsGipc11tipdtteTteKtu01PI算法的车速控制原理如下所述：比较器A运算得到的偏差e(t)（目标车速与实际车速的差值）信号经过比例运算电路Kp线性放大后，输出的信号将正比于偏差信号；积分运算电路Ki(与Kp成一定比例)设置有一条斜率可调的输出控制线，用来在短时间内将车速偏差调节到趋近于零的范围，根据控制线控制的巡航车速与节气门开度之间的关系如图当汽车在平坦路面上以设定的巡航车速νo行驶时，设节气门开度为θ0。如果此时CCSECU向执行机构发出指令使节气门开度保持不变，则汽车将以设定的巡航车速νo行驶。但是，当车辆上坡行驶时，由于坡道阻力增加将使车速降低到Vd，因此CCSECU必须向执行机构发出指令使节气门开度增大（即节气门旋转角度增大），才能使车速接近于设定的巡航车速νo行驶（实际车速比巡航车速νo低-△V。同理，当车辆下坡行驶时，节气门旋转角度将减小，实际车速将比巡航车速高。PI控制改善了系统的稳态性能，系统的型别越高跟踪输入信号的能力越强。由此可见，为使汽车巡航车速不受行驶阻力变化的影响，CCSECU中积分运算电路Ki控制的控制线应尽可能使车速变化范围减小，即控制线的斜率应尽可能小（更垂直）。由于PI控制方式设置了控制线，因此当汽车行驶在上坡、下坡道路以及风阻等因素导致行驶阻力变化时，控制系统只要将节气门开度调整，就可将车速变化幅度限制在的微小范围内。2.PID控制PID控制，即比例—积分—微分控制，根据实际车速与设定车速的偏差，考虑过去、现在、将来的情况，实现汽车不变参数的巡航控制。3.模糊控制模糊控制不依赖系统的精确数学模型，因而对系统的参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性。其不足之处是模糊控制规则的获取和模糊隶属函数形状的确定是一项费力的工作，而目标系统一旦确定，其规则和隶属函数就确定了而且不能随外界和车辆参数变化进行调整。四.汽车巡航技术发展趋势汽车巡航技术的研究难度较大,运行中的车辆系统是一个包括车辆—驾驶员—环境的复杂、时变、非线性系统,必须采用新的理论和方法进行研究。计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展,不断改变着人们的行为和思维模式,人工神经网络、模糊控制、神经模糊技术和虚拟现实技术等新思想、新技术纷呈叠出,为我们站在一个新的高度研究汽车汽车巡航技术提供了可能。带排队功能的ACC自适应巡航系统（沃尔沃S60）以往的自适应巡航系统，也包括其他厂商的相同系统，都只能在30或40km/h以上才能使用，而S60的ACC系统在0-200km/h之间都能使用。因为沃尔沃开发了出在30km/h以下使用的自动排队功能。所谓自动排队，就是说当你在30km/h以下启动了ACC系统，就能双脚离开油门和刹车，只需紧握手中的方向盘空间前进方向，车子自己会跟随前车停停走走。