基于PID的汽车定速巡航控制系统的研究文档格式.docx

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MATLAB;

模糊PID;

仿真

ResearchonAutomobileCruiseControlSystem

BasedonDSP

Abstract：

Withthedevelopmentofautomobileindustryandcarryingtrade，automobilewillbemoreandmorewidespread．Morecomfortable，moreconvenientandsafervehiclewillbeneeded．Automobilecruisecontrolsystem，whichnotonlycouldrelievethedrivers’burdenbutalsocouldmakethedrivingcomfortable，isakindofaccessorialdrivingsystem．Cruisecontrolsystemhashighnonlinearityandnon-determinacywithtimechanging．AndCCS，whichiseffectedbysomefactorssuchasexternalloaddisturbersandcomplicatedrunningmodes，willnothaveagoodrunningeffectwiththetraditionalPIDcontr01．AkindofCCSwhichisbasedonFuzzyPIDcontrolisintroducedinthethesis．

First，thebackgroundofcruisecontrolsystemanditsstatusanddevelopingtrendisexpatiatedoninthedissertation．ThecomposingofCCSisalsointroducedindetail．TheprincipiumofCCSisdescribedbyanalyzingakindofclosedloopsystem．

Afteranalyzingthecruisecontrolsystembriefly,Fuzzy-PIDisconfirmedasthecontrolmethodofthesystem．ThentheFuzzyPIDcontrollerisdesigned．Astheobjectisacar,thethesisanalyzestheresistancesanddisturbswhilethecar’srunning．Andtheautomobiledynamicsmodelisgiven．AftersettingupthemodelbymeansofMATLAB，theresultisanalyzed．Fromtheresult，wemayknowthatFuzzyPIDcontrolcouldmaketheovershootsmallerandtheresponsetimeshorter．TheeffectofFuzzyPIDmethodisgiven，SOitisasuitablemethodforCCS．

Paperisbasedonthetraditionalautomobilecruisecontrolsystem,improvedandoptimizedthePIDcontrol.Playtotheadvantagesoffuzzycontroltoimprovetheexistingvehiclecruisecontrolsystem,sothatthecontrolprocesshassomeintelligence.Cruisecontrolwillhelptoimprovetheeffectivenessandreducethespeedofchange,themaximumfuelsavingsandreduceexhaustpollution,improveengineefficiency,improvedvehiclepowerandcomfort.Finally,usetheFuzzyLogicToolboxinMATLABsoftwaretosimulatethedesignofthesystem,toverifythefeasibilityofthesystemdesign,observetheeffectoffuzzycontrol,anddesignsomebasiccircuit.Byanalysisthesimulationresults,theaveragecruisespeedupresponsetimeof15.9seconds,averageresponseovershootreduced15.02%.Helpoffuzzycontrolapplicationintheautomobilecruisecontrolsysteminpopularity.

Keywords:

cruisecontrolsystem;

MATLAB;

FuzzyPID;

simulation

1绪论

1.1引言

随着汽车工业和公路运输业的发展，汽车将走进千家万户，驾驶人员非职业化的特点将突出，车辆驾驶的自动化己成为汽车发展的主要趋势。

跨入二十一世纪，人们需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快捷的生活节奏，因此对汽车的智能化要求更加迫切，随着计算机和电子技术的不断发展，性价比不断提高，为汽车的自动化提供了雄厚的物质基础，汽车实现智能化已不是梦想。

车辆自动变速器及其控制技术是智能汽车非常重要的内容。

是汽车辅助驾驶系统和自动驾驶系统的基础，是目前我国智能汽车发展必须解决的核心技术之一。

此外，随着我国高速公路网建设纵横迅速延伸，自动巡航控制也具备了广泛的发展和应用前景。

科技的发展使相应电子技术在汽车上应用得越来越广泛，汽车电子化程度越来越高，特别是微控制器进入汽车控制领域后，给汽车发展带来了划时代的变化，汽车的动力性、操作稳定性、安全性、燃油经济性、对环境的友好性都得到了大幅提升。

在大陆型国家，驾驶汽车长途行驶的机会较多，而且在高速公路上行驶时变换车速的频率及范围都较少，能以较稳定的车速行驶。

汽车巡航控制系统CCS（CruiseControlSystem）是汽车电子技术新装置之一，它实际上就是一种辅助驾驶系统。

采用汽车巡航控制系统后，当车辆在高速公路上长时间行车时，驾驶员就不用再去控制油门踏板，这减轻了驾驶员的负担，从而减少或避免了交通事故的发生；

同时减少了不必要的车速变化，使汽车的燃料供给与发动机之间处于最佳的配合状态，可以最大限度地节省燃料，降低排气污染，提高发动机的使用效率。

采用汽车巡航控制系统是提高汽车的动力性能和乘坐的舒适性的主要方法之一。

本文主要采用节气门的方法来研究汽车的定速巡航控制系统。

1.2汽车巡航控制系统的历史背景和研究现状

1.2.1巡航控制系统的历史背景

汽车巡航控制系统发展至今已有四十多年的历史，它经历了机械控制系统、晶体管控制系统、模拟集成电路控制系统和微机控制系统等几个过程。

与模拟技术相比，数字系统的突出特点是系统的信号量以数字表示，受工作温度和湿度的影响较小，因此数字控制具有更高的稳定性。

汽车巡航电子控制器采用先进的大规模或超大规模集成电路技术做成专用模块，也可在微机上编程实现。

当汽车上其它系统已有微机控制时，只要修改一下程序便可将此功能附加上去，因而可节省昂贵的系统硬件开支。

l.2.2巡航控制系统的国内外研究和应用现状

目前国外很多专家都在研究自适应巡航控制系统（ACC：

AdaptiveCruiseSystem）,也称智能巡航控制系统（ICC：

IntelligentCruiseControlSystem）。

自适应控制系统属主动安全技术，它是传统的速度巡航控制系统的发展和改进。

这种巡航控制系统主要由探测器/传感器、控制器、执行机构、人机接口、失效保险装墨五个子系统组成，其拓扑结构如图1.2所示

图1-1自适应巡航控制系统的拓扑结构

它将汽车自动巡航控制系统和车辆前向撞击报警系统（FCWS：

ForwardCollisionWarningSystem）有机地结合起来，既有自动巡航功能，又有防止前向撞击功能。

当道路情况良好时，该系统就是普通的巡航控制系统，可以按设定车速巡航行驶；

当另一辆车进入到装置的自动测量范围时，系统根据雷达传感器探测到与前方车辆的相对距离和速度，控制车辆的油门和刹车，从而使本车与前方车辆保持一定的距离。

如果前方车辆从测量范围内消失，ACC将自动恢复原来的车速。

该系统可降低62％的追尾事故，采用该系统可有效地提高驾驶员的舒适性，减少因长时间驾驶带来的疲劳的负担。

基于自适应巡航控制系统，国外很多专家开始了一种半自主式巡航控制系统的研究。

此种巡航控制系统能够很快地应用于公路上，同时能够保持人工操纵和自适应巡航控制系统的共存。

其研究的理论结果表明，此种控制具有更高的控制精度和更强的控制鲁棒性。

综合利用仿真、分析和实验结果对人工驾驶和具有自适应控制系统的汽车进行了比较，从而得到的数据和信息可以知道，具有巡航控制系统的汽车能对驾驶员提供重要的辅助作用，对行驶安全性提供了一种主动安全技术。

目前我国的自动巡航控制装置仍处于研制阶段，具有自主知识产权的产品还未见报道。

由于国内汽车研究起步较晚，技术相对落后，并且就目前我国公路状况和实际应用来说，对汽车巡航控制系统的研究应用主要是以单车定速控制为主。

目前，模拟汽车定速控制器在我国已经投入生产和使用。

该系统是一种机电式汽车巡航控制系统，由于其自动对发动机的油门进行控制，使发动机自动变速，能节省燃油5％以上，并使驾驶员在驾驶时不用踩油门，减轻了驾驶员的驾驶疲劳度。

然而该机电式巡航控制装置虽然结构简单，却有控制精度不高，稳定性不强等特点。

本文章设计的是局部自动的定速巡航控制系统。

1.3巡航控制系统的发展趋势

自20世纪70年代起，各大汽车厂家都争相研制汽车巡航控制系统并将其装在较高级的轿车上。

到了20世纪80年代中末期，由于微处理器在汽车上的广泛应用和高速公路建设的迅速发展，使得它更加完善。

从上世纪末起，包括目前展出的21世纪汽车，该系统真可谓日臻完善，系统电路集成化水平提高，控制模块体积精巧，多路传输系统日渐成熟，自检系统更准确有效。

总的来说，汽车巡航控制系统的发展主要以下面几个方向为主：

1．新控制理论的应用车辆的行驶状况受到成员的多少、发动机输出的变化因素等影响。

驾驶者需要更平顺的驾驶感觉和更自然的速度控制，以传统的控制理论为基础，又引入了新的控制理论。

目前，模糊控制等新理论已不断得到应用。

2．联动控制、复合控制目前，巡航控制装置是独立式的，要求在控制中提高灵敏感度、响应性和精度。

为此，需要发动机控制用计算机、变速控制用计算机进行联动控制，使这些计算机形成一体化的复合控制。

3．小型化、智能化计算机、执行组件更趋小型化、一体化，并向智能型发展。

4．追踪行驶控制现在巡航稳定行驶装置分别利用加速、减速、恢复车速、消除等开关自由控制车速，但往往在道路交通混杂的情况下，当车辆接近时不便于进行减速，而车辆拉开距离时又不便于加速。

为了解决这一问题，向前方车辆发射毫米波（30～300GSz），利用雷达测定与前方车辆之间的距离，并隔开一定的距离追踪行驶。

车载雷达不仅可以利用毫米波雷达，而且还可以利用激光。

目前，已对此提出方案，即目前国外很多专家在研究的自适应巡航控制系统。

5．走停控制现在对巡航控制系统的研制和开发主要针对的是在高速公路上高速行驶的车辆，而不适用于在城市中低速、高车流密度情况下使用，走停控制正是系统针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展，这要求巡航控制系统不但具有更好的近距离探测能力，更快的信号处理功能和更迅速的系统反应，同时还向系统提出了增加车辆自动起步的功能。

这样即使在堵车的情况下也无须驾驶员参与，只需操纵车辆的转向即可。

驾驶员可以完全从繁琐的驾驶操作中解放出来。

1.4课题来源及主要研究内容

尽管世界上对汽车巡航控制系统的研究和开发已有几十年的历史，也取得了很多研究成果，但是巡航控制系统是一个控制难度较大的系统。

要取得更好的控制效果，使装有巡航控制系统车辆具有更好的性能，还需要对其控制方法和技术进行深入地研究。

鉴于目前国内汽车巡航控制系统的研究现状，本课题的主要研究内容是：

1．研究并掌握汽车巡航控制系统的原理，对其可行性和必要性进行分析，并对巡航控制系统进行总体设计。

2．根据巡航控制系统的功能和原理，确定汽车巡航控制方案。

建立出汽车动力仿真模型，进行系统仿真并对仿真结果进行分析。

3．设计出汽车巡航控制系统的硬件电路，并根据系统的实际运行情况、系统的控制方法及硬件等条件设计出系统的软件。

4．搭建巡航控制系统实验平台，在所设计软件和硬件的基础上对系统进行调试，并对实验结果进行分析。

从而通过实验验证系统的合理性、可靠性和实用性等。

2巡航控制系统的组成和工作原理

2.1巡航控制系统简介

汽车巡航控制系统，根据其特点又被称为巡航行驶装置、速度控制（SpeedContr01）系统、自动驾驶（Auto-Drive）系统等。

目前，汽车巡航控制系统分为巡航控制和自适应巡航控制两大类，后者是前者功能的延伸和扩展。

汽车巡航控制系统是最早开发的汽车电子控制系统之一，其作用是：

在按下驾驶员所要求的速度闭合开关之后，不用踩油门踏板就可以自动地保持车速，使车辆以固定的速度行驶。

在汽车行驶的过程中，驾驶员只要把住方向盘就可以了。

在巡航控制期间，随着道路坡度的变化以及汽车行驶中所可能遇到的阻力，车辆自动变换油门开度或自动进行挡位转换，以按存储在微机内的最佳燃料经济性规律或动力性规律稳定行驶。

巡航控制系统在飞机上的应用显示出了其无可比拟的的优点。

上个世纪50年代末开始在汽车上应用，并很快受到青睐。

目前在美、日、德、法、意等汽车大国发展、普及很快，尤其是近几年来世界各国高速公路的通车里程增多，扩大了汽车巡航控制系统大显身手的空间。

汽车巡航控制系统在大陆型国家更具有使用价值。

汽车巡航控制系统一般设有如下功能：

基本功能：

（1）车速设定功能

当车辆在高速公路上行驶时，如果路面质量好，没有人流、分道行车，无逆向行车，适宜以较长时间稳定运行时，驾驶员可通过巡航系统设定一个稳定行驶的车速，使其不用控制节气门和换挡，汽车就能一直以这一车速稳定行驶。

（2）恢复功能

当司机处理好情况后，根据路面车流情况在判断出又可稳定运行后，可使汽车自动按着上一次设定的车速恒速行驶，驾驶员也可重新设定巡航车速。

（3）取消功能

当踩下制动踏板或者按下“取消"

键时，则立即退出巡航状态。

但是，如果其行驶速度大于最小设定车速，则退出之前设置的速度继续保存，供巡航控制系统随时调用。

（4）加速、减速功能

车辆处于巡航行驶状态时，可对设定车速进行加速和减速的操作，从而改变其巡航车速。

故障保险功能：

1）低速自动消除功能

当车速低于低速极限（一般为40km／h）时，巡航控制不起作用，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。

2）有关开关消除功能

除了踩制动踏板有消除功能外，当按住车制动开关、离合器控制开关或者变速器挡位开关时，巡航车辆都将自动地消除巡航控制功能。

综合汽车巡航控制系统的功能和作用，其具有以下几个优点：

1）提高汽车行驶的稳定性、安全性和舒适性

巡航控制系统保证了汽车无论是在上坡、下坡、平路上行驶，或是在风速变化的情况下行驶，只要在发动机功率允许的范围内，速度都可保持不变。

特别是在郊外或者高速公路上行驶时，这种优越性更为显著。

另外，当汽车以定速行驶时，驾驶员只要掌握好方向盘，不用踩踏板和换挡就能使车辆定速稳定运行，这减轻了司机的劳动强度，可使驾驶员精力集中以确保行车安全。

2）减少磨损，延长寿命

汽车稳定定速行驶使其额外惯力减少，所以机件磨损减少，使车辆的寿命增加，故障减少。

3）具有一定的经济性和环保性

在同样的行驶条件下，对于一个有经验的司机来说，在使用巡航控制系统后可以节省15％左右的燃料。

这是因为在使用了这一速度稳定器后，可使汽车的燃料供给与发动机功率之间处于最佳的配合状态，减少了CO、CH、NOx等有害气体的排放，有利于环保。

2.2汽车巡航控制系统的组成与工作原理

CCS由信号输入装置、CCSECU和执行器等组成，如图2-1所示。

图2-1CCS的组成

2.2.1CCS的组成部件

（1）操作开关

操作开关用于设置巡航车速或将其重新设置为另一车速，以及取消巡航控制等，包括主开关、控制开关和退出巡航开关。

（2）主开关

主开关（MAIN）是CCS的电源开关，采用按键方式。

每次推入，系统电源接通或关闭。

（3）控制开关

手柄式控制开关有5种控制功能，即SET（设置）、COAST（减速）、RES（恢复）、ACC（加速）和CANCEL（取消）。

SET和COAST共享一个开关，RES和ACC共享另一个开关。

（4）退出巡航开关

退出巡航开关包括取消开关、停车灯开关、驻车制动开关、离合器开关和空挡启动开关。

任一开关接通时，自动取消巡航控制。

当CCS取消的瞬间的车速不低于40km/h时，该车速存储于CCSECU中。

当RES接通时，自动恢复最后存储的车速。

（5）驻车制动开关。

当拉起驻车制动操纵杆时，驻车制动开关接通，将取消信号传至CCSECU。

同时驻车制动指示灯亮。

（6）空挡启动开关。

当自动变速器换挡杆设置在P挡或N挡时，空挡启动开关接通，将取消信号传至CCSECU。

（7）离合器开关。

当踩下离合器踏板时，离合器开关接通，将取消信号传至CCSECU。

（8）停车灯开关。

由两个开关组成。

踩下制动踏板时，两个开关同时工作。

开关A闭合，电流经其流过停车灯开关，使停车灯亮。

同时，蓄电池电压经过停车灯开关施加在CCSECU上，使其判断制动器处于工作状态，ECU取消CCS工作，开关B断开，执行器得不到CCSECU的信号，停止工作。

2.2.2传感器

（1）VSS

VSS提供一个与汽车实际车速成比例的交变振荡脉冲信号，CCSECU将此信号进行处理，计算得出当前车速。

（2）TPS

TPS对CCSECU提供一个与节气门位置成正比的电信号。

（3）节气门控制摇臂传感器

节气门控制摇臂传感器对CCSECU提供节气门控制摇臂位置信号，目前采用较多的是滑线电位计式，当节气门控制摇臂转动时，电位计随之转动，便输出一个与控制摇臂位置成正比例且连续变化的电信号。

2.2.3CCSECU

CCSECU由处理器芯片、A/D、D/A、IC及输出重置驱动和保护电路等模块组成，ECU接收来自车速传感器和各种开关的信号，按照存储的程序进行处理，当车速偏离设定的巡航车速时，对执行器发出控制信号，控制执行器工作，使实际车速与设定车速相一致。

CCSECU的组成如图2-2所示。

图2-2CCSECU组成框图

2.3巡航控制原理

汽车巡航系统是一个典型的闭环负反馈控制系统，其原理如图2-3所示

图2-3汽车巡航控制原理图

CCSECU的信号有2个，一是驾驶员根据行驶条件，通过巡航开关设定的巡航车速信号；

二是车速传感器输入的实际车速反馈信号。

当巡航设定车速信号和实际车速反馈信号输入CCSECU后，CCSECU经过比较运算可得速度偏差变化E和偏差变化率EC，经过处理后，再结合当前节气门的开度信号，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，从而实现恒速控制。

3巡航控制系统的建模仿真

3.1采用模糊控制的原因

模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。

随着科学技术的迅猛发展，目前研究的控制系统更多地涉及多变量、非线性、时变的大系统，建立数学模型是非常困难的，或者是根本不可能的，系统的复杂性与控制系统的精确性形成了尖锐的矛盾。

人们注意到对于很多复杂的、多因素影响的生产过程，即使不知道该过程的数学模型，有经验的操作人员也能够根据长期的实践观察和操作经验进行有效的控制，而采用传统的自动控制方法效果并不理想。

人的经验参与控制过程的成功，激发了人们对控制原理的深入研究。

1965年美国加利福尼亚大学的自动控制教授L.A.Zadeh首次提出“模糊集合”的概念，使人的经验参与控制过程成为可能。

1973年L.A.Zadeh进一步研究了模糊语言处理，给出了模糊推理的理论基础。

不少车辆，特别是中高级轿车已经把巡航控制系统作为配属设备或被选设备。

例如：

日本的皇冠（CRWON）、凌志（LEXUS）、佳美（CAMN）、陆地巡洋舰、美国的纽约人（NEWYORKER）、别克（BUICK）、凯迪拉克（CADILLAC）、福特天（（TEMP