1、汽车速度控制系统的设计与仿真学生姓名： 班级： 指导老师：摘要：目前许多汽车把汽车速度控制系统作为配属设备或选配设备。汽车装有汽车速度控制系统后，当驾驶员启动这一装置并进行一些简单的设置后，该装置可自动保持某一恒定速度行驶，而不踩油门。由于电子系统能准确地控制车辆的速度，从而使高速行驶的车辆更加安全、平稳。在文中，首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统简化模型，根据研究对象的物理特性建立起汽车速度控制控制系统的微分方程，再将该微分方程进行线性化处理，运用 PID 控制理论的方法对汽车速度控制控制系统进行分析和控制。然后对汽车速度控制系统进行设计分析，在已有的模型下，对设计的汽车速度控制系统
2、进行 Matlab 语言仿真。关键词：速度控制系统 PID 控制 仿真指导老师签名 :Design and Simulation of the vehicle speed control systemStudent name Class:Supervisor:Abstract: At present, many cars make car speed control system as an attachment device or optional equipment. The car is fitted with the motor speed control system, when t
3、he driver start the device and make some simple settings, the device can automatically maintain a constant speed, and do not step on the accelerator. Because the electronic system can accurately control the speed of the vehicle, so that the high-speed vehicles more secure, stable.In this paper, the
4、first principle of the movement of automobile is analyzed, establishing control system is simplified model, based on physical characteristics of the research object to establish the vehicle speed control differential equation of the control system, then the differential equation is linearized by usi
5、ng the method of control theory, analyze and control the motor speed control system. Then the design of the vehicle speed control system, the existing model, to design vehicle speed control system simulation language Matlab.Keyword： Speed control system PID control simulationSignature of Supervisor:
6、目录1 绪论 .11.1 选题的依据及课题意义 .11.2 汽车速度控制研究概况及发展趋势 .12 速度控制系统的简述 .32.1 汽车速度控制系统原理 .32.2 速度控制系统的分类 .32.3 速度控制系统的基本用途 .42.4 电子式多功能速度控制系统功能 .43 系统模型建立及性能分析 .63.1 汽车受力分析 .63.2 行驶汽车仿真模型 .73.3 动态性能和稳态性能指标 .84 PID 控制器 .104.1 PID 控制简述 .104.2 PID 控制规律 .104.3 PID 作用分析 .145 系统仿真及结果分析 .155.1 SIMULINK 简介 .155.2 实验方案选
7、择 .155.2.1 采用 P 控制 .155.2.2 采用 PI 控制 .205.2.3 采用 PID 控制 .225.3 实验结果分析 .25总结 .26参考文献 .27致 谢 .2811 绪 论1.1 选题的依据及课题意义随着汽车工业和公路运输业的发展，汽车将走进千家万户，驾驶人员非职业化的特 点将突出，车辆驾驶的自动化己成为汽车发展的主要趋势。跨入二十一世纪后，人们 需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快捷的生活节奏，因此对汽车的智能化 要求更加迫切，随着计算机和电子技术的不断发展，性能价格比不断提高，为汽车的优化提供了雄厚的物质基础，汽车实现智能化已不是梦想。驾驶汽车长途行驶的
8、机会较 多，而且在高速公路上行驶时变换车速的频率及范围都较少，能以较稳定的车速行驶。 但若长途驾驶而右脚不得不踩油门踏板时，久而久之驾驶员就会感到疲劳，容易发生交 通事故。车辆自动变速器及其控制技术是智能汽车非常重要的内容，是汽车辅助驾驶系统和自动驾驶系统的基础，是目前我国智能汽车发展亟须解决的核心技术之一。 此外。汽车速度控制系统，又称为 汽车巡航控制系统 CCS(Cruise Control System)是汽，随着我国高速公路网建设纵横迅速延伸，自动速度控制也具备了广泛的发展 和应用前景车电子技术新装置之一，它实际上就是一种辅助驾驶系统。汽车定速速度控制装置的使用减轻了驾驶员操纵强度,减
9、少了不必要的车速变化 ,提高了驾驶的舒适性和安全性。汽车速度控制系统研究分为两大部分，第一部分是系统硬件和运行 控制基础软件的开发，另一部分是速度控制算法的研究。本文主要研究第二部分。1.2 汽车速度控制研究概况及发展趋势目前我国的自动速度控制装置仍处于研制阶段，具有自主知识产权的产品还未见报道。由于国内汽车研究起步较晚，技术相对落后，并且就目前我国公路状况和实际应用来说，对汽车速度控制系统的研究应用主要是以单车定速控制为主。目前，模拟汽车憾速控制器在我国已经投入生产和使用。例如：由江苏省仪征市速度设备厂生产的XD-1型汽车定速系统。近几年，国内有许多科研机构和高校也开始了对电子式速度控制装置
10、的研2究。例如，北京理工大学应用PID方法对汽车速度控制进行的研究、由清华大学王俊敏等研制的基于变参数的比例一积分(PI)控制算法汽车数字式速度控制系统、哈尔滨工照大学建立了基于一汽捷达轿车的汽车纵自动力学模型等等。但从总体来说，目前国内对汽车速度系统的研究还不是很成熟。总体来说，汽车速度控制系统有以下几个发展趋势：（1)新控制理论的应用 车辆的行驶状况受到成员的多少、发动机输出的变化因素等影响。驾驶者需要更平顺的驾驶感觉和更自然的速度控制，以传统的控制理论为基础，又引入了新的控制理论。目前，模糊控制等新理论已不断得到应用。（2)走停控制：现在对 CCS 的研制和开发主要是针对在高速公路上高速
11、行驶的车辆，而不适用于城市中低速、高车流密度情况下使用，走停控制正是 CCS 针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展，这要求 CCS 具有更好的近距离探测能力，更快的信号处理功能，更迅速的系统响应，同时还向 CCS 提出了增加车辆的自动起步功能。这样即使在堵车情况下也无须驾驶员参与，只需操纵车辆的转向即可。驾驶员可以完全从烦琐的驾驶操作中解放出来。（3)随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来的 CCS 将同其他的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，驾驶这种汽车只需在显示器中指明所要到达的目的地，汽车就会在卫星导航系统的指引下，借助公路两旁的电子标志牌无需
12、人为参与就可安全驶达目的地，实现完全的自动驾驶功能。（4)集成化 随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来的汽车速度控制系统将同其它的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，例如它可同加速防滑系统以及发动机控制器等各种电控系统集成起来。还可以通过采用 CAN 总线技术，实现信号资源的共享，提高系统的灵活性。集成化有助于降低成本，增强各系统间的内在联系，充分利用各种车辆信息，从而提高系统的稳定性和可靠性。目前，我国的道路和通讯网络等基础设施还落后于发达国家，智能速度控制系统等还不适合我国目前交通的发展情况。随着我国高速公路建设规模的逐渐扩大，汽车产量的急剧上升和排放
13、法规的建立，国内汽车市场追切需要适合3我国基本国情的汽车自动速度控制系统。1、 2 速 度 控 制 系 统 的 简 述2.1 汽车速度控制系统原理现在许多轿车都有速度控制系统。速度控制系统（Speed Control System）又称为巡航控制系统（Crusle Control System） ，缩写为 CCS。本文所设计自动巡航系统主要由决策模块，ACC 控制模块和发动机模块三个大部分构成，巡航系统中三大模块的工作原理图如图 2.1 所示：图 2.1 巡航系统的工作原理图(1)决策模块：带有决策控制功能，能够针对自动巡航系统的定速功能和跟车衡速行驶功能进行判断及自动切换，对进入和退出该系统
14、进行自动判断。(2)ACC 控制模块：带有 PID 控制器，通过反馈量对所输入的车速进行微调，使其保持相对稳定的输出。该模块的输入量为车速，通过模块转换，使其输出量变成控制节气门开度和制动踏板的信号量。(3)发动机模块：进行发动机部分的仿真，通过 ACC 模块的输出量进行工作，输出速度、加速度、转矩等一系列数据，转化成波形直观的对巡航系统进行系统分析。2.2 速度控制系统的分类随着汽车技术的不断发展，目前速度控制主要非为三大类： 1机械拉线式速度控制器（适用于油门控制方式采用机械拉线式控制的车辆） 。 42电子式速度控制器（适用于油门控制方式采用电子式控制的车辆） 。 3电子式多功能速度控制系
15、统（适用于油门控制方式采用电子式控制的车辆） 。2.3 速度控制系统的基本用途1车速设定：车速在 30180km/h 范围内，当按下车速调置开关后，就能存储该时间的行驶速度，并能保 持这速度行驶。 2消除功能：当踩下制动踏板、离合器踏板或手动暂停后，巡航功能立即解除，但巡航速度值会暂存在控 制模块中。 3恢复功能：当按恢复开关，刚能恢复原来的车速。 4手动调速功能：巡航状态下，可通过巡航按键或手柄调整车速。2.4 电子式多功能速度控制系统功能由于汽车技术的发展，越来越多的拉线式节气门控制方式快速的被电子式节气门控制方式多代替。拉线式定速巡航器主要由控制开关、控制组件（巡航电脑）伺服器（机械执行
16、机构）组成。定速巡航系统的工作原理，简单地说就是由巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，从而发出指令由伺服器机械的来调整节气门开度的增大或减小，以使车辆始终保持所设定的速度。电子式多功能定速巡航系统摒除了拉线式定速巡航器的机械控制部分，完全采用精准电子控制，使控制更精确，避免了机械故障的风险。目前市场上电子式多功能定速巡航器主要有以下几个功能： 定速巡航功能、电子节油功能 、油门加速功能、限速设定功能、刹车故障报警功能 。定速巡航功能，主要是通过巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，通过精准的电子计算发出指令，保证车辆在设定速度下的最精准供油量。
17、 电子节油功能，主要是通过智能优化控制节气门的开启角度与开启时间，有效屏蔽电子油门传感器由于颠簸路段及不良驾驶习惯形成的杂乱信号，经过精确计算喷油量，使燃油得到最充分燃烧，来实现节油。 油门加速功能，主要是通过提高节气门响应灵敏度实现的，当系统发现司机有加速意愿时，会驱动节气门尽可能快的打开，这样就使油门响应的敏感度5得到了提高。在油门踏板被踩下时，控制器会根据踩下幅度、时间计算油门信号的变化率，变化越快，说明加速要求越强烈，最终实现油门响应速度更快，整车的动力感会明显增加，能够让司机感觉到整车动力大大提升。 限速设定功能，通过控制器，根据限定的速度值，设定输出油门信号最大值，当油门输出信号超
18、不过设定的最大值，来实现限制速度的目的。 刹车故障报警功能，通过采取刹车电路的信号，当刹车电路或刹车保险故障时，会通过告警的方式对司机进行提示。 低速自动消除功能。当车速小于 40km/h 时，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。 制动踏板消除功能。在制动踏板上装有两种开关，一个用于对 ECU 的信号消除；另一个是直接使执行元件工作停止。 62、 3 系 统 模 型 建 立 及 性 能 分 析3.1 汽车受力分析汽车种类很多，不同汽车自身速度传递系统的数学模型不尽相同，但总的来说是相似的。图 3.1 为坡路上行驶汽车的受力图。图中，Fe 是引擎动力；是坡路与水平面的夹角；Fh 为重力分量；Fr
19、 是空气阻力；m 为汽车的质量；x为汽车的位移。图 3.1 坡路上行驶汽车的受力图 根据牛顿第二定律，汽车的运动方程为：mx=Fe-Fr-Fh （3-1）式中，各物理意义如下：1、m 为汽车质量，本文中取为 100 个质量单位。2、Fe 是引擎动力。最大驱动力为 1000，最大制动力为-2000，即-2000=Fe=1000 (3-2) 3、Fr 是空气阻力，它与轿车的速度平分成正比，其表达式为：Fr=0.001(x+20sin(0.01t)2 (3-3) 式中第二项是为近似考虑“阵风”而引入的，x为行驶汽车的水平速度。4、Fh 是重力分量，其表达式为：Fh=30sin(0.0001xx) (
20、3-4) 式中的正弦项是为考虑坡路与水平夹角的变化而引入的。73.2 行驶汽车仿真模型根据以上计算可建立行驶汽车的 Simulink 模型如图 3.2 所示。图 3.2 行驶汽车 simulink 模型1、In1 模块：为“指令”驱动力 Fe 提供输入端口。2、Out1 模块：为输出汽车实际速度 Sa 提供输出端。3、Constant1 模块：设置驱动力上限，Constant value 栏填写 1000。4、MinMax1 模块：其参数设置如图 3.3 所示，Function 栏填写 min（缺省设置） ，Number of input ports 栏填写 2（缺省设置） ，则模块输入取两个输入中的小者。与此同时，该模块的图标以 min 表示。5、Constant 模块：设置制动力下限，Constant value 栏填写-2000。6、MinMax 模块：在图 3.3 中，Function 栏填写 max，则模块取两个输入中的大者。与此同时，该模块的图标也以 max 表示。7、Clock 模块：为接受仿真时间数据 t 提供输入端口。
