自动巡航系统控制原理及故障诊断毕业设计论文Word文件下载.docx

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第一章

概述

1.1国内外汽车自动巡航技术发展现状

随着社会的发展与进步，人们对汽车行驶安全性、舒适性的要求越来越高。

为了满足人们的需求，汽车电子化程度也越来越高，特别是微处理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、燃油经济性及尾气的排放都得到了大幅改善。

随着汽车工业和公路运输业的发展，以及非专业司机的不断增加，车辆驾驶的自动化己成为汽车发展的主要趋势之一。

人们需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快速的生活节奏，因此对汽车智能化的要求更加迫切，汽车自动巡航控制系统可以有效地减轻长途驾驶的疲劳，是提高舒适性和趣味性的重要方法之一

汽车自动巡航控制系统（AutonomouscruiseControlSystem，Accs）是当汽车在高速公路上行驶时，驾驶员即使不踏加速踏板，汽车仍可以按驾驶员所希望的车速自动保持行驶功能。

汽车自动巡航控制系统根据驾驶员设定的目标车速和车辆行驶阻力的变化，自动调节节气门开度，以使车辆达到按目标车速自动行驶的目的。

汽车自动巡航控制系统除了维持车辆按驾驶员所希望的车速行驶外，还具备加速、减速和恢复的功能。

在汽车自动巡航控制状态下，如果踏下制动踏板或操纵巡航控制取消开关，则可自动解除巡航功能，如果重新按下恢复开关，则恢复解除前的固定的车速。

在巡航控制期间，随着道路坡度的变化以及汽车行驶所可能遇到的阻力，车辆自动变换节气门开度或自动进行档位转换，以按存储在微处理器内的最佳燃料经济性规律或动力性规律稳定行驶。

运用该系统可以减轻驾驶员因长时间控制节气门而产生的疲劳，从而减少或避免交通事故的发生；

同时可避免不必要的节气门振动，从而改善了汽车的经济性；

提高车流量和运输生产率，并在一定程度上提高了汽车的动力性和乘坐舒适性。

国外研发汽车自动巡航控制系统起步很早，其发展过程主要经历了三个阶段：

第一阶段是20世纪60～70年代中期，早期的汽车巡航控制系统主要是机械式和气动机械式巡航控制系统。

例如，日本丰田公司从1965年起就开始在车上装用机械式巡航控制系统。

之后，德国的VD0公司也研制出了气动机械式巡航控制系统。

而1968年德国奔驰公司开发了晶体管控制的巡航控制系统，并在莫克利汽车上装用，这期间美国和日本相继出现了以模拟电路为基础的汽车巡航控制系统。

第二阶段是20世纪70年代中后期～80年代中后期，以数字信号为主的控制系统。

随着单片机技术的发展，特别是大规模集成电路及单片机的应用，出现了以数字技术为基础的巡航控制系统。

如1974年美国鲁卡斯汽车研究中心研究出了性能完善的运用卫星雷达的数字车速／车距控制系统，该系统可以更好地适应路面状况的变化。

日本日野（Hino）公司于1985年投放市场一种基于燃油经济性的车速控制系统，其控制框图如图8-l所示。

其控制部分的核心是微处理器。

美国摩托罗拉公司也研制了一种采用微处理器控制的巡航控制系统，这种系统的所有输入指令以数字形式直接存储和处理，微处理器根据指令车速、实际车速以及其他输入信号，按给定程序完成所有数据处理，并产生步进电动机的驱动信号输出，改变节气门开度，每种车型的最佳加速度和减速度由编程人员决定。

从安全上考虑，将制动开关与节气门执行器直接相连，这样当踩下制动踏板时，在断开巡航控制系统的同时，将执行器的动力源断开，从而使节气门迅速脱离巡航控制系统的控制。

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，因此数字控制系统具有更高的稳定性。

对于汽车自动巡航控制系统可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，也可在微处理器上编程来实现。

当汽车上其他系统已有控制微处理器时，只要修改一下程序便可将此功能附加上去，因而可节省昂贵的硬件开支。

第三阶段，从20世纪90年代开始，国外又开始发展以智能化为核心的汽车自动巡航控制系统和以定距离控制为主的自适应巡航控制系统。

1990年美国鲁卡斯公司研制出一种自动恒速智能控制系统，该系统采用了连续调频波雷达，通过雷达来探测前方车辆与本车的距离，通过处理单元计算出相对车速与距离，并将该信息提供给电子控制单元，通过执行器控制节气门来控制车速。

之后，该公司又针对暴露的问题加以改进，在美洲虎牌轿车上安装了新的自动恒速控制系统，并对控制节气门与制动器的执行机构作了改进，微波雷达安装在前保险杠内，通过塑料车牌照发射微波探测信号。

目前国外很多专家都在研究自适应巡航控制系统。

这种巡航控制系统主要由测速装置、转向角传感器、车速传感器、制动电子控制单元（ECU）和发动机ECU等组成。

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；

当距另一辆车距离较近及相对车速较高时，通过巡航控制系统控制制动器减速。

情况正常后将自动恢复原先的车速，如果前方车辆减速，ACCS便操纵制动器来维持一定的车距，从而避免了汽车的追尾。

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，此种控制系统具有更高的控制精度。

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。

目前不少车辆，特别是高级轿车已经把巡航控制系统作为配备设备或备选设备。

例如美国别克（BUICK）、凯迪拉克（CADILAC）、协和（CONCORD）、纽约人（NEWYORKER）、克莱斯勒（CMC）等轿车均装用了巡航控制系统。

而日本高速公路的迅速发展使得巡航控制系统的装车率也不断得到提高，如日本皇冠（CROWN）、佳美（CAMRY）、凌志（LEXUS）等轿车也装有巡航控制系统。

欧洲的奔驰（BENZ）、宝马（BMW）以及我国的红旗轿车等均装有巡航控制系统。

由于国内汽车起步较晚，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，模拟汽车恒速控制器在我国已经投人生产和使用。

例如：

由江苏省某巡航设备厂生产的XD-1型汽车定速系统是一种机电式汽车巡航控制系统。

该系统用汽车发动机工作时产生的真空度作为动力，通过简单的机电结构来稳定发动机的转速，使其产生的真空度保持最小的变化。

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、稳定性不强等缺点。

国内有多所高校和科研单位从事汽车自动巡航控制系统的研究，控制系统的硬件核心部件采用不同型号的单片机，控制策略多采用PID调节方式，也有人将模糊控制算法应用于巡航控制系统，模仿驾驶员驾驶汽车的情况，根据目标车速与实际车速之间的偏差及路面情况，利用自己的经验，决定加速踏板的变化量，从而使汽车车速趋近于目标车速。

用于汽车巡航控制的模糊控制器输入量一般可选择设定车速和实际车速的偏差以及偏差的变化率，模糊控制是不依赖系统的精确数学模型，因而对系统的参数不太敏感。

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，一旦系统确定，其规则和隶属函数就确定了，不能随外界和车辆参数变化进行调整。

1．2汽车自动巡航控制技术

为了使汽车巡航控制系统达到车速控制的要求，在单片机实时控制系统总体方案确定后，控制方案的选择非常关键，目前用于汽车巡航控制的控制方案主要有PID控制、模糊控制、迭代学习控制、自适应控制等，它们都有各自的特点。

1．PID控制

PID控制，即比例一积分一微分控制，根据实际车速与设定车速的偏差，实现汽车不变参数的巡航控制。

在汽车行驶过程中，驾驶员设定一个车速给控制器，同时车速传感器测得的实际车速也输入控制器，产生实际车速和设定车速的偏差（设为△v），控制器的比例部分根据偏差的大小输出相应的控制量，以控制节气门的开度，使车速迅速趋近设定车速。

考虑到偏差一直存在，控制器的积分部分就把偏差积累起来加大控制量，以消灭偏差，使车速保持恒定，而微分部分则起预估作用。

当△v>

0时，表示偏差在加大，就及时增加控制量，使△v减小；

当△v<

0时，表示偏差在减小，则减小控制量，以避免△v趋近于零时，又向反方向发展而引起振荡。

PID控制具有结构简单、参数整定方便的优点，在许多场合下都能获得令人满意的控制效果。

但是由于被控对象的特性比较复杂，具有非线性或时变的过程，应用常规PID控制，若参数调整不当，会使系统不停地振荡，控制效果不甚理想。

有关PID的算法将在后续章节中详细介绍。

2．模糊控制

模糊控制是一种模仿人工控制活动中人脑的控制策略，运用模糊数学把人工控制策略用计算机实现，它是近几年发展起来的一种新型的汽车巡航控制技术。

司机对汽车的控制，从本质上来说是一个模糊控制的过程。

驾驶员驾驶汽车时，根据目标车速与实际车速之间的偏差及路面情况，利用自己的经验，决定加速踏板的变化量，从而使汽车趋近于目标车速。

模仿这一过程的模糊控制原理框图如图8—2所示。

用于汽车巡航控制的模糊控制器的输入量一般可选择设定车速与实际车速的偏差以及偏差的变化率。

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，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，而且系统一旦确定，其规则和隶属函数就确定而不能随外界和车辆参数变化进行调整。

3．迭代学习控制

因为汽车巡航行驶中存在着严重的非线性和不确定性，特别是巡航控制参数在不同车速下其值是不确定的，并且运动载体对控制的实时性要求较高，所以有人将迭代学习算法应用到了汽车巡航控制系统中。

基于迭代学习技术的汽车巡航控制原理如图8-3所示。

利用实际车速与设定车速的偏差，通过多次的迭代计算得出一个修正量，进一步修正控制器输出的控制量，从而使实际车速更趋近于设定车速。

迭代学习控制可以对参数是未知的但是变化的或不变的系统实施有