汽车PID巡航系统控制策略浅析

张俊

摘 要：本文介绍了汽车巡航的功能，组成，作用和原理，分析了其中的传感器，控制器，执行机构的工作原理;通过对比PID控制，模糊控制，迭代学习控制和自适应控制的工作特点，分析了各种巡航控制策略的优劣。

关键词：巡航;控制;PID

0 引言

汽车巡航控制是当下汽车发展中正在普及的一项技术，这项技术在汽车长途行驶中降低驾驶员疲劳驾驶，降低一些外在因素而发生的事故。但是汽车巡航控制系统并没有发展完善，很多问题伴随驾驶員驾驶汽车时而产生。

巡航制控系统（Cruise Control System）简称CCS（车辆速度控制系统），是指在驾驶员不需要踩油门通过巡航控制器设置一个特定的车速而使行驶车辆车速不断在接近设定车速限制内行驶的控制装置[1]。驾驶汽车在高速公路上行驶，虽然外界因素相对稳定，但驾驶时间长了还是需要适当的更改汽车行驶速度，长时间驾驶车辆对人各方面都会有一定的影响，容易出现不利于驾驶的因素产生，因此在汽车上安装巡航系统。汽车巡航问世之后也伴随着一些问题的出现，比方巡航系统打开无法关闭，巡航系统在不同操作系统下的关闭方法不同。在技术上也有一定的进步例如从以前单方面的让车保持一种车速下行驶到现在跟车定速等。不管从巡航系统的不足到问题的分析还是从巡航系统的技术升级，我们都应该对汽车巡航系统控制系统进行分析，从而加强对技术的学习与研究深度，提升分析和解决问题的能力。

1 巡航系统发展方向

进入21世纪以来，由于汽车电子元件越来越普遍地应用在汽车上以及各地公路、高速公路的不断发展，使得定速巡航系统已经逐步变得成熟，系统的电路以及布线有了很大的进步，控制部分更加快捷与精确，多路传送系统的技术变得更加成熟，故障自动报警系统发展得更加精准[2]。总体看来，巡航系统的发展方向具体有以下几点：

1.1 先进控制方法的引进

车辆在行驶过程中的实际工况是很复杂的，它主要受到车载人员的人数、发动机的当前状况等因素的影响，驾驶员对舒适性的要求更高了，引入新技术的巡航控制系统在以传统的控制原理为基础，又引入不少先进的控制理论，目前，PID控制，自适应控制和模糊控制等原理先后被研发使用[3]。

1.2 联动与复合控制

目前，国内绝大部分汽车上的定速巡航均是独立使用的，都在汽车里单独地使用，而目前随着汽车行业的不断发展，并且与国际接轨，为此，需要计算机将各个部件有机地结合起来，使得各个部件在计算机的作用下都有着各自的联系[4]。

1.3 智能化与小型化

目前，车用计算机都非常小，包括汽车上的各个的电子元件也是如此，这使得汽车的质量减轻，并逐步地在往智能化发展。

1.4 追踪与行驶控制

目前车用定速巡航系统里分别用加速、减速、恢复车速、消除等开关用来控制巡航系统，但这种情况只适用于车流量不大的高速公路上，不方便加速和减速。为了解决这一问题，通常车辆前保险杠或者后保险杠装有探测器，通过发射的纳米微波来探测本车辆与前方车辆或者障碍物之间的距离，目前有专家提出车载雷达还可利用激光，以求能够达到更加迅速、准确地控制车辆，对于此提议，国外的科研机构仍在研究之中[5]。

2 巡航系统控制原理

在巡航控制系统里，汽车上的一些零部件都安装有传感器，其作用是把各自所感知到外界环境传递给ECU，ECU会根据这些信息给出一定的控制量，根据这个控制量去调整节气门开度从而达到控制车速的作用。巡航控制系统有控制开关、传感器、电控单元以及执行器构成。

2.1 汽车巡航控制系统的传感器

汽车巡航控制系统采用的传感器主要有车速传感器，节气门位置传感器以及节气门控制摇臂位置传感器。车速传感器就是向汽车微电脑传感器反馈当时车速，节气门传感器就是向汽车微电脑传感器反馈节气门的开度的变化，节气门控制摇臂位置传感器就是向汽车微电脑传感器反馈节气门控制摇臂的位置变化，微电脑根据反馈的信息对车速进行调整，使车速不断接近于驾驶员设定的车速。

2.2 汽车巡航控制系统的微电脑

汽车巡航控制系统的微电脑就相当于人的大脑，对各个传感器所反馈的信号进行一定的分析判断，然后对实际车速与设定车速所产生的差速通过节气门开度进行调整，使车速不断趋于设定车速值，汽车巡航控制系统的微电脑可以单独供汽车巡航控制系统使用，也可用供多个系统使用，汽车巡航控制系统的微电脑有自诊断和记忆车速的功能。

2.3 汽车巡航控制系统的控制过程

汽车巡航控制系统的原理就是当行驶车辆在一定速度行驶时，驾驶员按下巡航控制器，并通过调节按钮进行车速设定。而驾驶员不必再次踩油门踏板，巡航控制会把设定的车速以电信号传递给节气门控制器，节气门控制器将要控制的内容以电信号形式传递给节气门执行器，并根据指令来控制发动机节气门开度，同时改变发动机及变速器，使汽车按照规定车速行驶，受外部因素影响，当再一次存在差速时，对于以上步骤，执行器开始进行重复，对汽车发动机节气门进行微调，使车速不断趋于设定值，当踩下制动踏板或按下关闭巡航控制器按钮即解除汽车巡航控制系统。

3 PID巡航控制策略分析

在汽车巡航控制策略方面，常用的有PID控制、模糊控制、迭代学习控制和自适应控制等几种，本文主要针对PID控制进行详细分析[6]。

PID控制就是根据现实车速与规定车速之间的差距，考虑不同时间的差距，达到汽车不改变参数的巡航控制。在驾驶汽车过程时，驾驶员开启巡航并对巡航设定一个特定的速度，这时，车速的传感器也会测出当下车速并反馈给控制器，两者车速会有一个差速（△V）。控制器根据这个偏差去调节节气门，使的车速稳定在之前设定好车速。因为外界因素一直存在，所以这个差速不会一直稳定在0，这时PID中的微分就会起到预计估算的作用。

3.1 PID控制器的组成

PID的三个字母分别代表： P表示：比例（proportion）、I表示：积分（integration）、D表示：微分（differentiation），PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，其输入e（t）与输出u（t）的关系为：

（1）

式中積分的上下限分别是0和t，因此它的传递函数为：

（2）

其中kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。

3.2 PID控制系统分类

PID控制有开环控制和闭环控制两类。

开环控制系统（open-loop control system）是指控制器对被控制所输出的信号不会产生任何反应形成的闭合回路。

闭环控制系统（closed-loop control system）是指控制器对被控制的单位产生的信号有反应，形成一个或多个闭合回路。在这个闭环控制系统又被分为正反馈和负反馈。当所接收到的反馈信号与本身设定的信号极性相反时被称为负反馈，当所接受到的反馈信号与本身设定的信号极性相同时，就被称之为正反馈。在大多的闭环控制系统中应用的更多的是负反馈。闭环控制系统在生活中有很多类似的例子。比方生活中用到的洗衣机。当洗衣机清洗衣物时，洗衣机会自动判断衣物是否被清洗干净，当不干净时继续自动清洗，当衣物清洗干净时，在结束清洗时，自动切断电源。

3.3 PID控制现实意义

自动化的应用是现代工业发展的重要里程碑，控制理论也在不同的时间段里得到了不同程度的发展，而现在通过技术的不断升级，将自动化与控制理论相结合，形成了现在很多自动化产品，比方上述提到的全自动洗衣机，他就是应用模糊控制理论。通过对上面小节的一个归纳，自动控制系统是由开环控制系统和闭环控制系统两个系统组成，而闭环控制系统又被分成了正反馈和负反馈，应用的更多的是负反馈闭环控制系统;控制系统又是由传感器，控制器，执行机构，接口等部分组成。而他的工作流程是：传感器将感知到的信号通过输入输出接口反馈给控制器，控制器进行计算，产生调整量信号，将信号通过输入输出接口传递给执行器，执行器根据指令对所在零件进行调节。由于工作环境不同，那么对应的控制系统就会有相应的变化，控制系统有变化时，内部的零部件就会产生相应的变化，对温度进行自动控制就要用到温度传感器，对于比方水压进行自动调节的就用压力传感器。现如今PID控制已得到广泛的应用，这时因为它本身结构的简便，编程容易，达到的效果也十分让人满意，所以很多公司生产的产品都应用PID控制或者智能PID控制，很多公司在应用的同时，也就培养科研人员对控制系统进行科研，如今的智能PID控制已经能做到参数自整定调节，通过这项技术，能自动控制各项压力，温度，流量等，他这块就是应用参数的自动调整校对来进行实现的，如今能通过网络进行一个远程控制调整。

4 结束语

相对于其余几种控制策略，PID控制策略本身结构简化，设定参数简便，效果明显。但若是针对非线性关系的控制系统，PID控制策略也很难调整参数，将导致巡航控制系统的震荡，不能使控制效果达到最佳。

参考文献：

[1]唐向明.“奥迪电子”之一白适应巡航系统[J].汽车维修与保养，2009（01）.

[2]朱琦，吴哗.汽车电子巡肮系统的应用[J].北京汽车，2009（02）.

[3]孙中梁.汽车巡航控制系统的正确使用[J].农机使用与维修，2008（04）.

[4]胡克非.定速巡航系统的设计[D].武汉理工大学，2012（05）.

[5]潘汝涛.PID控制器简介及参数整定方法[J].科技信息，2011（03）.

[6]陈木元.camry巡航控制系统原理与检测[J].汽车电器，2012（05）.