汽車自動巡航系統PID控制策略的研究

汽車在巡航定速狀態下，當汽車速度下降時，ECU加大節氣門開度，使發動機功率升高，轉矩增大，車速達到設定速度。反之，減小節氣門的開度。系統進行巡航控制時，若在平坦路面上車速為v，按下設定開關進入巡航控制的自動行駛狀態，一旦遇到爬坡時，則行駛阻力增加，如不進行調節控制，車速就會降低，此時巡航控制器會按照一定的控制規則使節氣門開度變大，使車速穩定在v，重新取得動力平衡。當遇到下坡時，行駛阻力減小，巡航控制系統調節節氣門的開度變小，使車速保持在v取得平衡。因此，即使行駛阻力發生變化，車速也只在很小范圍內變化，達到穩定行駛的目的。當車速超出特定上下限時，巡航系統不工作。這個上下限的范圍并不固定依車型的不同而略有差別。
當系統的傳感器出現故障，或控制信號電路被切斷時，傳感器輸出為零，此時車速超出特定上下限，巡航控制系統停止工作。

3 汽車巡航系統控制算法的選擇
PID控制作為最早發展起來的控制策略經由長時間的不斷發展和改進，具有結構簡單、魯棒性好、可靠性高、參數易于整定等優點。因此在工業控制中PID算法具有最廣泛的應用。本次設計選擇PID控制策略實現巡航系統的定速功能。

下面介紹PID控制器各校正環節的作用。
(1)比例環節。根據控制系統的偏差信號e(t)，并按一定的比例產生控制作用，以減少誤差。
(2)積分環節。主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時問常數，積分時間常數越大，積分作用越弱，反之，則越強。
(3)微分環節。能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。
在數字計算機控制系統中，使用數字PID控制器，數字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。兩種控制算法相比較而言，當計算機只輸出增量時，增量式PID控制算法計算機誤動作造成輸出變化小，控制狀態的切換沖擊也小，算式中不作累加運算，增量只與最近的幾次采樣有關，控制效果明顯優于位置式PID控制算法。因此選擇增量式數字PID控制算法。

4 硬件設計概述
本文所介紹的汽車自動巡航系統輸入量：實際車速、節氣門開度、發動機轉速、制動開關(當制動開關有效時系統設定值是設定車速)。選用Atmega 8單片機作為控制核心，執行器采用直流電動機。控制過程如下：設定速度和實際車速輸入、比較產生偏差，通過PID算法整定，結合其他輸入量處理后的信號，由Atmega 8單片機PWM通道驅動直流電動機轉速而改變氣節門開度，實現車速的控制。
出于安全考慮，在硬件設計上將制動開關與節氣門執行器直接相連，這樣當踩下制動踏板時，在停止單片機恒速控制程序的同時，將巡航控制系統與節氣門拉索斷開。
系統硬件電路主要由微處理器、電源電路、離合器和直流電機驅動電路、保護電路、A／D轉換電路和輸入信號處理電路等部分組成。Atm ega 8微處理器是系統的核心。汽車巡航控制系統中多處用到傳感器進行信號采集，所需傳感器主要包括車速傳感器、節氣門位置傳感器、制動踏板傳感器、離合器踏板傳感器等。
車速傳感器采集的速度信號是車輛巡航控制系統最重要的輸入信息之一。車速傳感器將采集的車速模擬信號轉化為數字量輸送給巡航控制ECU，作為反饋信號與設定值比較處理后產生輸出信號，驅動執行器達到控制要求。對車速傳感器的要求是實時性、準確性、可靠性。
節氣門位置傳感器的功能是采集節氣門位置信號。在該系統中節氣門位置測量選用電位器式角位移傳感器，在傳感器和微處理器之間有A／D轉換電路，將傳感器輸出的電壓信號先轉換為數字量，再由微處理器進行處理。
制動踏板傳感器安裝在制動踏板下，用于獲取制動踏板動作信號，以決定是否退出巡航系統。
離合器踏板傳感器安裝在離合器踏板下，用于獲取離合器踏板動作信號。