汽车巡航系统控制算法 - 基于Atmega 8单片机的车辆加速减速PID控制

3 汽车巡航系统控制算法的选择

PID控制作为最早发展起来的控制策略经由长时间的不断发展和改进，具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定等优点。因此在工业控制中PID算法具有最广泛的应用。本次设计选择PID控制策略实现巡航系统的定速功能。

下面介绍PID控制器各校正环节的作用。

(1)比例环节。根据控制系统的偏差信号e(t)，并按一定的比例产生控制作用，以减少误差。

(2)积分环节。主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时问常数，积分时间常数越大，积分作用越弱，反之，则越强。

(3)微分环节。能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

在数字计算机控制系统中，使用数字PID控制器，数字PID控制算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。两种控制算法相比较而言，当计算机只输出增量时，增量式PID控制算法计算机误动作造成输出变化小，控制状态的切换冲击也小，算式中不作累加运算，增量只与最近的几次采样有关，控制效果明显优于位置式PID控制算法。因此选择增量式数字PID控制算法。

4 硬件设计概述

本文所介绍的汽车自动巡航系统输入量：实际车速、节气门开度、发动机转速、制动开关(当制动开关有效时系统设定值是设定车速)。选用Atmega 8单片机作为控制核心，执行器采用直流电动机。控制过程如下：设定速度和实际车速输入、比较产生偏差，通过PID算法整定，结合其他输入量处理后的信号，由Atmega 8单片机PWM通道驱动直流电动机转速而改变气节门开度，实现车速的控制。

出于安全考虑，在硬件设计上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，在停止单片机恒速控制程序的同时，将巡航控制系统与节气门拉索断开。

系统硬件电路主要由微处理器、电源电路、离合器和直流电机驱动电路、保护电路、A／D转换电路和输入信号处理电路等部分组成。Atm ega 8微处理器是系统的核心。汽车巡航控制系统中多处用到传感器进行信号采集，所需传感器主要包括车速传感器、节气门位置传感器、制动踏板传感器、离合器踏板传感器等。

车速传感器采集的速度信号是车辆巡航控制系统最重要的输入信息之一。车速传感器将采集的车速模拟信号转化为数字量输送给巡航控制ECU，作为反馈信号与设定值比较处理后产生输出信号，驱动执行器达到控制要求。对车速传感器的要求是实时性、准确性、可靠性。

节气门位置传感器的功能是采集节气门位置信号。在该系统中节气门位置测量选用电位器式角位移传感器，在传感器和微处理器之间有A／D转换电路，将传感器输出的电压信号先转换为数字量，再由微处理器进行处理。

制动踏板传感器安装在制动踏板下，用于获取制动踏板动作信号，以决定是否退出巡航系统。

离合器踏板传感器安装在离合器踏板下，用于获取离合器踏板动作信号。

5 系统软件流程

巡航控制过程如图4所示。在汽车电子巡航控制系统中，实际车速信号反馈至电子控制器，并与设定车速进行比较，因而系统工作在闭环控制方式，采用的控射方法是增量式PID控制策略。通过对单片机编程调节直流电机的转速和节气门的开度，使车速在允许的误差范围内保持稳定。

为清晰阐述汽车自动巡航系统的软件设计，下面从模块化角度说明单片机软件编程部分的组成，单片机编程涉及的模块主要有初始化模块、键盘扫描模块、启动判断模块、通讯模块、中断模块、定时模块、看门狗模块等。

系统检测是否有按键按下，当巡航开关接通时，启动判断程序判断车速采集程序获得的车速信号是否在可巡航的范围内，此时设定键有效时，实际车速需维持在此时速度。定时程序块实现定时，达到定时点时间时发生中断，采集实际车速与设定值比较，若差值在误差允许范围内不动作，若不在，则进入电动机转速控制的程序段实现车速整定。当检测到加速或减速按键按下时，首先修改车速设定值，然后进入电机转速控制的程序段实现加速或减速；当检测到制动开关接通时退出巡航控制系统。

6 结论

本文将PID控制算法与Atmega 8单片机相结合，应用于汽车自动巡航控制系统的研究，有效地实现车辆在误差允许范围内的稳定行驶，可以减轻长时间驾驶旅途中驾驶员的劳动强度，进而减少交通事故的发生。