汽車巡航系統(tǒng)控制算法 - 基于Atmega 8單片機(jī)的車輛加速減速PID控制

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(jīng)由長時(shí)間的不斷發(fā)展和改進(jìn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定等優(yōu)點(diǎn)。因此在工業(yè)控制中PID算法具有最廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)選擇PID控制策略實(shí)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(chǎn)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(qiáng)弱取決于積分時(shí)問常數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之，則越強(qiáng)。

(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(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

在數(shù)字計(jì)算機(jī)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(dāng)計(jì)算機(jī)只輸出增量時(shí)，增量式PID控制算法計(jì)算機(jī)誤動(dòng)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(yùn)算，增量只與最近的幾次采樣有關(guān)，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(shè)計(jì)概述

本文所介紹的汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)輸入量：實(shí)際車速、節(jié)氣門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)開關(guān)(當(dāng)制動(dòng)開關(guān)有效時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值是設(shè)定車速)。選用Atmega 8單片機(jī)作為控制核心，執(zhí)行器采用直流電動(dòng)機(jī)?？刂七^程如下：設(shè)定速度和實(shí)際車速輸入、比較產(chǎn)生偏差，通過PID算法整定，結(jié)合其他輸入量處理后的信號，由Atmega 8單片機(jī)PWM通道驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而改變氣節(jié)門開度，實(shí)現(xiàn)車速的控制。

出于安全考慮，在硬件設(shè)計(jì)上將制動(dòng)開關(guān)與節(jié)氣門執(zhí)行器直接相連，這樣當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，在停止單片機(jī)恒速控制程序的同時(shí)，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(jī)驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、A／D轉(zhuǎn)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(jìn)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(dòng)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(zhuǎn)化為數(shù)字量輸送給巡航控制ECU，作為反饋信號與設(shè)定值比較處理后產(chǎn)生輸出信號，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器達(dá)到控制要求。對車速傳感器的要求是實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)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(zhuǎn)換電路，將傳感器輸出的電壓信號先轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由微處理器進(jìn)行處理。

制動(dòng)踏板傳感器安裝在制動(dòng)踏板下，用于獲取制動(dòng)踏板動(dòng)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(dòng)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(shí)際車速信號反饋至電子控制器，并與設(shè)定車速進(jìn)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(jī)編程調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門的開度，使車速在允許的誤差范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

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

系統(tǒng)檢測是否有按鍵按下，當(dāng)巡航開關(guān)接通時(shí)，啟動(dòng)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(nèi)，此時(shí)設(shè)定鍵有效時(shí)，實(shí)際車速需維持在此時(shí)速度。定時(shí)程序塊實(shí)現(xiàn)定時(shí)，達(dá)到定時(shí)點(diǎn)時(shí)間時(shí)發(fā)生中斷，采集實(shí)際車速與設(shè)定值比較，若差值在誤差允許范圍內(nèi)不動(dòng)作，若不在，則進(jìn)入電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的程序段實(shí)現(xiàn)車速整定。當(dāng)檢測到加速或減速按鍵按下時(shí)，首先修改車速設(shè)定值，然后進(jìn)入電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的程序段實(shí)現(xiàn)加速或減速；當(dāng)檢測到制動(dòng)開關(guān)接通時(shí)退出巡航控制系統(tǒng)。

6 結(jié)論

本文將PID控制算法與Atmega 8單片機(jī)相結(jié)合，應(yīng)用于汽車自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)的研究，有效地實(shí)現(xiàn)車輛在誤差允許范圍內(nèi)的穩(wěn)定行駛，可以減輕長時(shí)間駕駛旅途中駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)而減少交通事故的發(fā)生。