第二章 汽车巡航控制系统
第一节 汽车巡航控制系统的组成与原理
“巡航”一词原意是指飞机从一个机场飞行到另一个机场的巡逻航行。巡航控制系统的英文名称是Cruise Control System，英文缩写为CCS。一般又称为巡航行驶装置、速度控制（Speed Control）系统、自动驾驶（Auto Drive）系统、恒速行驶系统或巡行控制系统等。
汽车巡航控制系统是一种利用电子控制技术保持汽车自动等速行驶的系统。驾驶汽车在高速公路上长时间行驶时，打开自动操纵开关后，巡航控制系统将根据行车阻力变化自动调节节气门开度，使汽车行驶速度保持一定，并且可以避免驾驶人频繁踩加速踏板，减轻了驾驶人的疲劳强度。由于巡航控制系统能自动地维持车速，避免了不必要的加速踏板的人为变动，也进而改善了汽车的燃油经济性和发动机的排放性能。
一、巡航控制系统的分类
1.按巡航控制装置的组成与控制方式分
按巡航控制装置的组成与控制方式分，可分为机电式和电子式。
（1）机电式巡航控制系统 汽车上早期使用的是机电式巡航控制系统。它通常由控制开关、电释放开关、真空调节器、真空度控制的弹簧式伺服机构、真空释放阀、线束及真空管路等组成。
（2）电子式巡航控制系统 电子式巡航控制系统由电子控制器根据控制开关、各传感器和开关的信号进行车速的设定、稳定和消除等自动控制。随着电子技术的迅速发展和对巡航控制功能要求的进一步提高，电子式巡航控制系统已经逐渐取代了机电式巡航控制系统。
2.按巡航控制系统电子控制器的结构原理分
按巡航控制系统电子控制器的结构原理分，可分为模拟式和数字式。
（1）模拟式电子巡航控制系统 模拟式电子巡航控制系统由模拟式电子电路构成电子控制器，控制器内部对输入信号的处理过程均为模拟电参量。模拟式巡航电子控制器经历了从晶体管分立元器件到集成电路的发展过程。
（2）数字式电子巡航控制系统 数字式电子巡航控制系统的核心是控制器，现代汽车巡航控制系统基本上都采用这种控制器控制系统。
3.按巡航控制装置执行机构的结构原理分
按巡航控制装置执行机构的结构原理可分为真空驱动式和电动驱动式。
（1）真空驱动式巡航控制系统 用于车速稳定、加速和减速控制的执行器为真空式节气门驱动装置，其驱动力来自进气歧管的真空度或由真空泵产生的真空度；控制器通过调节节气门驱动装置的真空度来实现对节气门开度的控制。
（2）电动驱动式巡航控制系统 节气门驱动装置的动力来源于电动机；控制器通过控制电动机的转动来调节节气门的开度，以实现车速稳定、增速和减速控制。
二、巡航控制系统作用与组成
汽车巡航控制系统的作用是：根据汽车行驶阻力的变化，自动调节发动机节气门开度的大小，使汽车保持恒定速度行驶。
汽车巡航控制系统主要由车速传感器、节气门位置传感器、控制开关、巡航控制电控单元（CCS ECU）和执行机构等部件组成。图2-1所示为丰田雷克萨斯LS400型轿车巡航控制系统控制部件的安装位置。
图2-1 雷克萨斯LS400型轿车巡航控制部件安装位置
巡航控制系统的车速传感器（VSS）和节气门位置传感器（TPS）既可与发动机控制系统和电子控制自动变速系统公用，也可专门设置独立使用。车速传感器和节气门位置传感器的作用分别是向CCS ECU提供汽车行驶速度信号和发动机节气门开度（转角）信号。
控制开关主要有巡航开关、制动灯开关、驻车制动开关、点火开关、离合器开关（仅对手动变速器汽车）或空档起动开关（对于自动变速器汽车）等。巡航开关的作用是将恒速、加速或减速、恢复原速以及取消巡航行驶等指令信号输入CCS ECU，其他开关的作用是将各种状态信息输入CCS ECU，以便CCS ECU确定是否进行恒速控制。
CCS ECU是巡航控制系统的控制核心，一般都由分立电子元器件、专用集成电路IC和8位单片机组成。具有数学计算、逻辑判断、记忆存储、故障诊断等功能。执行机构又称为执行器，分为气动式和电动式两种。气动式主要由速度伺服装置和电磁阀等组成；电动式主要由电动机（永磁式或步进式电动机）、减速机构和电磁离合器等组成。执行机构的作用是根据CCS ECU指令，通过节气门拉索（钢缆）调节发动机节气门的开度，使车速保持恒定。
三、巡航控制系统的优点
汽车巡航控制系统主要具有以下优点：
1）减轻驾驶人的劳动强度，提高行驶安全性。在汽车行驶过程中，当车速达到一定值（超过40km/h）时，驾驶人只要操作巡航开关并设定一个想要行驶的速度，不用踩加速踏板（油门），巡航控制系统就能自动控制发动机节气门开度使汽车保持在设定的速度恒速行驶，从而减轻驾驶人的劳动强度。特别是当汽车在高速公路上长时间行驶时，更能充分发挥巡航控制系统的优点。由于利用巡航行驶不用踩踏加速踏板，驾驶人的劳动强度大大减轻，因此，驾驶的安全性也就大大提高。
2）行驶速度稳定，提高乘坐舒适性。在巡航行驶过程中，无论汽车在上坡或下坡路面上行驶，还是在平坦路面上行驶或在风速变化的情况下行驶，只要是在发动机功率允许范围之内，汽车行驶速度都将保持设定的巡航车速不变。
3）节省燃料消耗，提高燃油经济性和排放性能。实践证明，汽车在相同行驶条件下，利用巡航行驶可以节省15%左右的燃油。这是因为巡航控制系统与发动机燃油喷射系统（EFI）以及自动变速控制系统（ECT）是相互配合工作的，巡航车速被控制在经济车速范围内，汽车巡航行驶时的燃料供给与发动机功率之间处于最佳配合状态，与此同时，有害气体的排放量也将大大减少。
四、巡航控制系统的基本原理
汽车巡航控制系统的发展始于20世纪60年代，经历了机械控制系统、晶体管控制系统、模拟计算机控制系统和数字微型计算机控制系统4个阶段。自20世纪80年代初开始，数字微型计算机巡航控制系统得到广泛应用。数字微型计算机巡航控制系统的电路框图如图2-2所示。
图2-2 汽车巡航控制系统的电路原理框图
驾驶人操纵巡航控制开关，将车速设定、减速、恢复、加速、取消等命令输入计算机。当驾驶人通过巡航控制开关输入设定命令时，计算机便记忆此时车速传感器输入计算机的车速，并按该车速对汽车进行等速行驶控制。汽车在巡航行驶过程中，不断通过比较电路将实际车速与设定车速进行比较，计算出实际车速与设定车速的差值，然后通过补偿电路输出对执行部件的命令，执行部件控制发动机节气门开度加大或减小，使实际车速接近设定车速。
图2-3 巡航控制系统的框图
汽车巡航控制系统是一个闭环控制系统，而控制器件的主体是单片机及配属的模块；控制的基本方法是经典的比例积分（Proportion and Integral calculus）调节控制（又称PI调节控制）方式。巡航控制系统的框图如图2-3所示。这个闭环控制系统，在理论及实践上均可实现调节控制误差为零，即实际车速与设定车速之间的误差为零。但具体运行上并不需要误差为零，因为误差为零时，行驶阻力的微小变化都将引起节气门开度的变化，容易产生游车（瞬时车速不断地变化，而平均车速不变），即调节控制的振荡，这是我们不需要的。因而控制系统的误差应是一个大于零的实数。