汽车巡航控制系统的研究

黄步光

摘要：为实现汽车巡航控制，根据设定的速度信号和实际行车间的误差后，产生一个送至油门执行器油门控制信号，从而使油门执行器根据油门控制信号来调节发动机油门的开度，以修正电子式控制装置所检测到的误差，从而使车速保持恒定。

关键词：汽车巡航，控制信号，误差

汽车巡航控制系统，可以使汽车工作在发动机最有利的转速范围内，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，使汽车的行驶速度稳定在自己设定的速度内，从而不仅提高了发动机的使用效率，而且还可以减轻驾驶员的驾驶操作劳动强度，提高行驶的舒适性。

一、汽车巡航控制基本功能

汽车巡航控制主要功能有：1）车速设定：当按下车速调置开关后，就能存储该时间的行驶速度，并能保持这一速度行驶。2）消除功能：当踩下制动踏板，上述功能立即消失。但是，上述调置速度继续存储。3）恢复功能：当按恢复开关，则能恢复原来存储的车速。4）滑行：继续按下开关进行减速，以离开开关时的速度作巡航行驶。5）加速：继续按下开关进行加速，以不操纵开关时的车速进入巡航行驶。6）速度微调升高：在巡航速度行驶中，当操纵开关以ON-OFF（接通-断开）方式变换时，使车速稍稍上升。

故障保险功能：1）低速自动消除功能：当车速小于40km/h时，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。2）制动踏板消除的功能：在制动踏板上装有两种开关，一个用于对计算机的信号消除；另一个是直接使执行元件工作停止。3）各种消除开关：除了利用制动踏板的消除功能外，还有驻车制动、离合器（M/T）、调速杆（A/T）等操作开关的消除功能。

二、汽车巡航控制系统的组成

汽车巡航控制系统主要由指令开关、车速传感器、巡航ECU和油门执行器四部分组成。各种开关和计算机被配置在驾驶室内；执行元件、真空泵则配置在发动机室内，执行元件的控制线缆与加速踏板相连接。电子控制装置能够根据行驶阻力的变化，自动调节发动机油门的开度，使汽车行驶时的速度保持恒定。这样不仅减少了不必要的车速变化、节约燃料，还可以减轻驾驶员的行车疲劳，从而提高行车的安全性。指令开关是巡航控制系统的主电源开关，采用按键方式，每次将其推入，该系统的电源就接通或关闭。主开关接通时，如将点火开关关闭，主开关也关闭；即使点火开关再次接通，主开关仍保持关闭。传感器主要有车速传感器、节气门传感器和节气门控制摇臂位置传感器等；巡航ECU接收各种传感器的信号，进行运算处理，对执行器发出指令；油门执行器是将电控单元输出的电流或电压信号转变为机械运动，进而控制节气门的开度，在该系统中，所有输入指令内以数字信号直接存储和处理。带可擦只读存储器的八位处理控制器（MCU）根据指令车速、实际车速以及其他输入信号，安装给定程序完成所有的数据处理之后，产生一个输出信号驱动步进电动机改变油门开度。考虑到安全因素，将制动开关与油门执行器直接相连，当踩下制动踏板时，在断开MCU巡航控制程序的同时，将油门执行器的动力源断开，从而确保油门完全关闭。

三、汽车巡航控制的分析

汽车巡航车速一般采用PI控制方式，比例-积分算法（Proportion and Integral Calculus）进行控制，比较器运算得到的误差信号经过比例运算电路线性放大后，输出的信号将正比于误差信号；积分运算放大电路设置有一条斜率可调的输出控制线，用以在短时间内将车速误差调节到趋近于零的很小范围。根据控制线控制的巡航车速与节气门开度之间的关系，节气门控制信号则由比例运算电路和积分运算电路输出信号叠加而成。

当汽车在平坦路面上以设定的巡航车速v0行驶时，设节气门开度为θ0。如果此时CCS ECU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v0行驶。当汽车遇到坡道上坡行驶或遇到刮风逆风行驶时，由于坡道阻力或风阻增加将使车速降低到vd，不能以设定的巡航车速v0行驶。此时CCS ECU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+Δθ），才能使汽车速接近于设定的巡航车速v0（此时实际车速比巡航车速v0低-Δv值）行驶。

同理，当车下坡或顺风行驶时，节气门旋转角度将减小（-Δθ），实际车速将比巡航车速v0高+Δv值。

为使汽车巡航车速v0不受行驶阻力变化的影响，巡航电控单元CCS ECU内部积分运算放大器Ki控制的控制線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。由于PI控制方式设置了控制线，因此，当汽车上坡、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Δθ转角，就可将车速变化幅度限制在Δv值的微小范围内。

四、巡航控制系统的优点

1.提高汽车行驶时的舒适性：特别是在郊外或高速公路上行驶，这种优越性更为显著。另外，当汽车以一定的速度行驶时，减少了驾驶员的负担，使其可以轻松地驾驶。

2.节省燃料，具有一定的经济性和环保性：在同样的行驶条件下，对一个有经验的驾驶员来说，可节省燃料15%。这是因为在使用了这一速度稳定器以后，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，并减少了废气的排放。

3.保持汽车车速的稳定：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，汽车的行驶速度保持不变。

五、巡航控制系统的发展趋势

1.新控制理论的应用：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地得到应用。

2.联动控制、复合控制：巡航控制是独立式的，要求在控制中提高感觉敏感度、响应性和更高的精度。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、执行元件更趋小型化、一体化，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，但是往往在道路交通混杂的情况下，不便于当车辆接近时进行减速或车辆拉开距离时加速。为了解决这一问题，利用雷达测定与前方车辆之间的距离，隔开一定距离进行追踪行驶。车载雷达可用毫米波雷达，也可用激光。