3 汽車巡航系統(tǒng)控制算法的選擇

PID控制作為最早發(fā)展起來的控制策略經由長時間的不斷發(fā)展和改進，具有結構簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定等優(yōu)點。因此在工業(yè)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(xiàn)巡航系統(tǒng)的定速功能。

下面介紹PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用。

(1)比例環(huán)節(jié)。根據(jù)控制系統(tǒng)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(huán)節(jié)。主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時問常數(shù)，積分時間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之，則越強。

(3)微分環(huán)節(jié)。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(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。

在數(shù)字計算機控制系統(tǒng)中，使用數(shù)字PID控制器，數(shù)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(tài)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(yōu)于位置式PID控制算法。因此選擇增量式數(shù)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(tǒng)輸入量：實際車速、節(jié)氣門開度、發(fā)動機轉速、制動開關(當制動開關有效時系統(tǒng)設定值是設定車速)。選用Atmega 8單片機作為控制核心，執(zhí)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(jié)門開度，實現(xiàn)車速的控制。

出于安全考慮，在硬件設計上將制動開關與節(jié)氣門執(zhí)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(tǒng)與節(jié)氣門拉索斷開。

系統(tǒng)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(tǒng)的核心。汽車巡航控制系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(shù)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(zhí)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(jié)氣門位置傳感器的功能是采集節(jié)氣門位置信號。在該系統(tǒng)中節(jié)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(shù)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(tǒng)。

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。

5 系統(tǒng)軟件流程

巡航控制過程如圖4所示。在汽車電子巡航控制系統(tǒng)中，實際車速信號反饋至電子控制器，并與設定車速進行比較，因而系統(tǒng)工作在閉環(huán)控制方式，采用的控射方法是增量式PID控制策略。通過對單片機編程調節(jié)直流電機的轉速和節(jié)氣門的開度，使車速在允許的誤差范圍內保持穩(wěn)定。

為清晰闡述汽車自動巡航系統(tǒng)的軟件設計，下面從模塊化角度說明單片機軟件編程部分的組成，單片機編程涉及的模塊主要有初始化模塊、鍵盤掃描模塊、啟動判斷模塊、通訊模塊、中斷模塊、定時模塊、看門狗模塊等。

系統(tǒng)檢測是否有按鍵按下，當巡航開關接通時，啟動判斷程序判斷車速采集程序獲得的車速信號是否在可巡航的范圍內，此時設定鍵有效時，實際車速需維持在此時速度。定時程序塊實現(xiàn)定時，達到定時點時間時發(fā)生中斷，采集實際車速與設定值比較，若差值在誤差允許范圍內不動作，若不在，則進入電動機轉速控制的程序段實現(xiàn)車速整定。當檢測到加速或減速按鍵按下時，首先修改車速設定值，然后進入電機轉速控制的程序段實現(xiàn)加速或減速；當檢測到制動開關接通時退出巡航控制系統(tǒng)。

6 結論

本文將PID控制算法與Atmega 8單片機相結合，應用于汽車自動巡航控制系統(tǒng)的研究，有效地實現(xiàn)車輛在誤差允許范圍內的穩(wěn)定行駛，可以減輕長時間駕駛旅途中駕駛員的勞動強度，進而減少交通事故的發(fā)生。