1、汽車電子控制技術(shù),第 2 章 汽車電子控制技術(shù)基礎(chǔ),2.1 汽車電子控制系統(tǒng)的組成與特征,2.2 汽車傳感器,2.3 汽車電子控制單元（ECU）,2.4 汽車電子控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件,2.5 汽車電子控制系統(tǒng)中的控制理論,2.6 汽車綜合控制,2.1.1 汽車電子控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成,2.1 汽車電子控制系統(tǒng)的組成與特征,汽車電子控制系統(tǒng)基本組成框圖,汽車計算機(jī)系統(tǒng)稱為電子控制單元 ECU (Electronic Control Unit)。 控制系統(tǒng)由傳感器、ECU和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。,1.硬件,軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，核心是控制軟件。系統(tǒng)軟件一般由計算機(jī)制造廠提供，應(yīng)用軟件由控制系統(tǒng)研發(fā)人員

2、編制。,1）系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng)、語言加工系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)等,2）應(yīng)用軟件 數(shù)據(jù)采集與傳輸、被控系統(tǒng)的模型、控制算法、故障自診斷系統(tǒng)等,2. 軟件,2.1.2 汽車電子控制系統(tǒng)的特征,1.目的性 提高汽車行駛能力、可操縱性、穩(wěn)定性和自適 應(yīng)性； 改善汽車行駛的姿態(tài)控制、乘坐的舒適性； 降低汽車的能耗、尾氣排放、減少污染。,2. 相關(guān)性 汽車上的電子控制系統(tǒng)是相互關(guān)聯(lián)的； 單一的控制系統(tǒng)都會出現(xiàn)非預(yù)期的結(jié)果； 各子系統(tǒng)的最佳，不一定能獲得整個系統(tǒng)的最 佳，甚至降低了子系統(tǒng)預(yù)期的性能。,3.層次性 汽車控制系統(tǒng)一般可分為三個層次：,例：發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng),4.隨機(jī)性 汽車在不同的環(huán)境條件下行駛，控制系統(tǒng)的

3、設(shè) 計必須滿足動態(tài)的、不確定的或隨機(jī)的動態(tài)工況。,2.1.3 汽車電子控制系統(tǒng)的工作原理,1. 檢測 汽車各部位的傳感器檢測不斷變化工作狀況信 息、環(huán)境信息提供給ECU；,3. 執(zhí)行 通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對汽車的工作狀況進(jìn)行控制。必 要時，可對汽車工作狀況信息顯示或報警。,2. 判斷、決策和控制 汽車電子控制系統(tǒng)根據(jù)檢測的工作狀況信息用 預(yù)先存放在ECU中的指令程序、控制算法發(fā)出控制 信號；,發(fā)動機(jī)集中電子控制系統(tǒng),圖2-4 電子控制的車速表及燃油液位指示儀表系統(tǒng),指示儀表系統(tǒng),2.2 汽車傳感器,汽車傳感器也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心 內(nèi)容之一。,目前，一輛普通家用轎車上大約安裝幾十到近 百只傳感

4、器，而豪華轎車上多達(dá)二百余只傳感器。,汽車傳感器主要用于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控 制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)中。,汽車傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是 汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。,傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢,1.多功能化 一個傳感器可實現(xiàn)多個不同種類多個參數(shù)的 檢測。,3.集成化 IC制造技術(shù)和精細(xì)加工技術(shù)制作IC式傳感器。,4.智能化 指傳感器與大規(guī)模集成電路結(jié)合，帶有CPU， 具有智能功能，以減少ECU的復(fù)雜程度。,2.數(shù)字化 適應(yīng)汽車控制計算機(jī)的信息輸入。,汽車傳感器種類很多，實際應(yīng)用一般按傳感 器輸入量，即傳感器檢測的量分類，如,2.2.1 汽車傳感器的分類,傳感器的其它分類方法,力

5、學(xué)量傳感器在汽車上的應(yīng)用,熱力學(xué)量傳感器在汽車上的應(yīng)用,汽車傳感器工作環(huán)境 高溫、低溫、振動、沖擊、潮濕、蒸汽、鹽霧 腐蝕、油泥污染,2.2.2 汽車傳感器的性能要求,1）環(huán)境的適應(yīng)性； 2）工作的穩(wěn)定性和可靠性；關(guān)鍵 3）檢測的精度和重復(fù)性； 4）小型化、便于安裝、易于檢測識別； 5）具有批量生產(chǎn)和通用性、符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。,汽車傳感器的性能要求,2.2.3 汽車傳感器的選用原則,低油位報警器,油位傳感器,部分汽車傳感器的實物圖片,汽車用壓力傳感器,熱膜式汽車空氣流量傳感器,熱線式汽車空氣流量傳感器,節(jié)氣門閥體總成,節(jié)氣門位置傳感器,凸輪軸傳感器,曲軸位置傳感器,汽車氧傳感器,汽車爆震傳感器,汽

6、車超聲傳感器,2.3.1 汽車電子控制單元的主要功能,1) 接受傳感器或其它裝置的輸入信號，并將輸入 信號處理成計算機(jī)能夠接受的數(shù)字信號； 2) 給傳感器或傳感器放大電路提供基準(zhǔn)電壓； 3) 計算、分析、處理和存儲汽車工況和環(huán)境信息； 4) 輸出控制執(zhí)行指令、故障信息； 5) 自我修正功能（自適應(yīng)功能）。,2.3 汽車電子控制單元（ECU）,ECU 的實物圖片,ECU 的實物圖片,ECU 主要由輸入接口、微處理器和輸出接口的組成。,2.3.2 ECU 的組成,2）微處理器 微處理器即單片機(jī)，有8位、16位、32位。 1 通用單片機(jī) 2 專用單片機(jī),1）輸入接口電路 輸入接口電路主要是實現(xiàn)傳感器

7、與微處理器之間的信息傳遞。主要功能是對傳感器輸出信號進(jìn)行預(yù)處理。 1 模擬信號處理：放大、量程變換、A/D轉(zhuǎn)換。 2 數(shù)字信號處理：放大、整形。,3）存儲器 1 隨機(jī)存取存儲器（RAM） 2 只讀存儲器（ROM） 3 可編程只讀存儲器（PROM） 4 可保持存儲器（PAM）,4）輸出接口電路 D/A轉(zhuǎn)換、輸出信號變換、電壓放大或電流放大。,功能：執(zhí)行元件根據(jù)ECU輸出的控制信號執(zhí)行相 應(yīng)的預(yù)定動作。,執(zhí)行元件根據(jù)驅(qū)動的能量不同可分為三類：,2.4 汽車電子控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件,2.4.1 電動執(zhí)行元件,直接以電磁能為動力的執(zhí)行元件，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠，缺點是功率較小、運動距離小。僅應(yīng)用于電

8、動門鎖、電磁閥門功率較小、運動距離小場合。 電-液壓、電-氣動執(zhí)行元件是以電磁力驅(qū)動油壓、氣壓控制閥，可獲得較大的功率。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，廣泛應(yīng)用于汽車的行駛、轉(zhuǎn)向、制動、懸架方面。,電-液壓、電-氣動執(zhí)行元件,2.4.2 汽車執(zhí)行元件的性能要求,3）可靠性和安全性 使用壽命長、安全、噪聲低。,1）輸入、輸出性能 能實現(xiàn)細(xì)微的控制、響應(yīng)快、足夠的輸出功率。,2）環(huán)境的適應(yīng)性 耐高溫、低溫、振動、沖擊、潮濕、鹽霧、腐蝕的惡劣環(huán)境。,4）經(jīng)濟(jì)性 體積小、質(zhì)量輕、成本低、能實現(xiàn)批量生產(chǎn)和通用性、符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。,2.4.3 常用的汽車電氣執(zhí)行元件,電動輸油泵,電動燃油噴射泵,全世界燃油噴射系統(tǒng)(噴油器)幾

9、乎被博世、德爾福、西門子威迪歐及日本電裝等四家廠商所壟斷。,電磁噴油器,2.5 汽車電子控制系統(tǒng)中的控制理論,2.5.1 汽車電子控制理論 控制理論是編制和優(yōu)化控制軟件的理論基礎(chǔ)，是汽車電子技術(shù)中的難點和重點。,1.被控對象的特性分析,1) 靜態(tài)特性分析：靜態(tài)輸入/輸出特性； 2) 動態(tài)特性分析：動態(tài)輸入/輸出特性； 微分方程或差分方程； 對象的模型辯識； 對象的參數(shù)辯識； 3) 干擾分析：干擾作用于被控制對象的輸出。,設(shè)計控制系統(tǒng)時，首先進(jìn)行系統(tǒng)辨識，建立數(shù)學(xué)模型，但是大多數(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，理論推導(dǎo)這些系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)困難。因此，一般采用實驗方法找出系統(tǒng)的模型特征和參數(shù)。,實驗（經(jīng)驗）

10、模型 找出系統(tǒng)各種工況下的最佳狀態(tài)，然后存人微 機(jī)內(nèi)存。實施控制時，微機(jī)不斷檢測系統(tǒng)的工況， 用查表的方法，查出該工況下的最佳控制值對系統(tǒng) 進(jìn)行控制。,系統(tǒng)辨識,2.自動控制理論簡介,控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代 控制理論和智能控制理論三個階段。自動控制系統(tǒng) 可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。,1)開環(huán)控制系統(tǒng),開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對象的輸出(被控制量) 對控制器的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不 依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。,開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出y(t)產(chǎn)生偏差時，不能及 時予以糾正。,閉環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)被控對象的輸出會反 饋回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)

11、。 閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱為有反饋控制系統(tǒng)。,2)閉環(huán)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出y(t)產(chǎn)生偏差時，控制器 能根據(jù)偏差對系統(tǒng)的輸出予以糾正。,3)閉環(huán)控制的參數(shù),4) 反饋控制的主要過程,1 測量：測量被控制的變量y(t)，獲得反饋量b(t) ； 2 比較：測量值b(t)與給定的期望值r(t)比較，得到 誤差或偏差e(t); 3 控制：控制器根據(jù)該誤差e(t)的大小、變化產(chǎn)生 控制輸出量u(t)； 4 執(zhí)行：執(zhí)行器根據(jù)控制輸出量u(t)產(chǎn)生功率輸出 量d(t)，以糾正系統(tǒng)的偏差。,系統(tǒng)的控制精度取決于測量環(huán)節(jié)； 系統(tǒng)的動態(tài)控制質(zhì)量取決于控制器的控制算法。,主要包括四個過程：,主要組成：,5)閉環(huán)控

12、制系統(tǒng)的組成,1被控對象：被控制的裝置或過程。,2給定裝置：設(shè)置被控裝置或過程需要控制參數(shù)的 期望值的硬件或軟件。,3傳 感 器：測量被控對象需要控制的參數(shù)的裝置。,4控 制 器：針對系統(tǒng)的偏差，按特定的控制算法 獲得控制輸出量的硬件或軟件。,5執(zhí)行機(jī)構(gòu)：根據(jù)控制輸出量產(chǎn)生功率輸出量的裝 置。,一個階躍輸入 r(t) 加到閉環(huán)系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出 y(t)。,6)階躍響應(yīng),7)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),控制系統(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、快、準(zhǔn)來描述。,1 穩(wěn)定性（穩(wěn)） 穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一個系統(tǒng)要能正常工作 首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的 穩(wěn)定狀態(tài)。,2 動態(tài)指標(biāo)（快） 系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)或過渡過

13、程的快速性，通常用上升時間 tr 、調(diào)節(jié)時間 ts 和超調(diào)量定量描述。,3 靜態(tài)指標(biāo)（準(zhǔn)） 控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差ess 來描述，,PID控制器作為最早實用化的控制器已有60 多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。,1） PID ( 比例-積分-微分) 控制,2.5.2 PID 控制算法,PID 控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。并有系列化產(chǎn)品。,當(dāng)對一個系統(tǒng)和被控對象不完全了解不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時， PID控制是最適合用技術(shù)之一。,PID 控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入 e

14、(t) 與輸出 u(t) 的關(guān)系為：,PID 控制，在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制是必不可少的。實際應(yīng)用中也有只用 PI 或 PD 控制。,PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。PID 控制器使用中只需設(shè)定三個參數(shù)比例增益kp、積分增益ki 和微分增益kd 即可。,2） 比例、積分、微分控制的比較,模糊控制的基本方法： 1 將精確量模糊化； 2 將模糊變量分解成模糊子集； 3 構(gòu)造模糊控制規(guī)則； 4 確定控制器的模糊輸出量； 5 進(jìn)行模糊判決，得出控制量的精確值。,2.5.3.模糊控制算法,模糊控制系統(tǒng)也是以

15、模糊數(shù)學(xué)、模糊語言和模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，采用計算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊制在汽車的制動控制系統(tǒng)、變速控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)以及巡航控制系統(tǒng)有所應(yīng)用。,2）模糊控制規(guī)則,d(t)=kg u(t),IF y(t)很小時， 即e(t)很大 THEN u(t)應(yīng)很大 IF y(t)接近給定值， 即e(t)很小 THEN u(t)取適當(dāng)值 IF y(t)超過給定值， 即e(t)為負(fù) THEN u(t)取小 IF y(t)超過給定很多， 即e(t)為負(fù)大 THEN u(t)取0 適當(dāng)值：對應(yīng)近似平衡功率的 ue,3）模糊控制規(guī)則表,e,e,IF y(t) 或e(t)狀態(tài)已知

16、 THEN 控制決策：給出u(t),最優(yōu)控制是所選擇的系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的一種控制算法。 1） 性能指標(biāo)描述：提出目標(biāo)函數(shù) 2） 控制系統(tǒng)中最優(yōu)控制的設(shè)計方法主要有： 1 極大（?。┲翟?2 動態(tài)規(guī)劃 3）實現(xiàn)最優(yōu)控制的前提是必須獲得控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，提出合理的目標(biāo)函數(shù)。這是最優(yōu)控制在很多情況下難以得到應(yīng)用的主要原因。 最優(yōu)控制在汽車控制系統(tǒng)中的電子控制懸架系統(tǒng)有所應(yīng)用。,2.5.4 最優(yōu)控制,自適應(yīng)控制是能適應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生較大變化的一種控制算法。 1）自適應(yīng)控制有兩個分支： 1 參考模型自適應(yīng)控制 2 自校正自適應(yīng)控制 2）實現(xiàn)自適應(yīng)控制的前提是必須提出合適的參考模型（參考模型自適

17、應(yīng)控制)，或者能實時辨識控制系統(tǒng)的模型參數(shù)（自校正自適應(yīng)控制）。 自適應(yīng)控制在汽車控制系統(tǒng)中有一定的應(yīng)用，如發(fā)動機(jī)空燃比控制。,2.5.5 自適應(yīng)控制,2.5.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制已經(jīng)發(fā)展成為智能控制的一個新分支， 為解決復(fù)雜的非線性、不確定及不確知系統(tǒng)的控制總是開 辟了新途徑。 1)用于控制的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點 1 并行分布處理：具有高度的并行結(jié)構(gòu)和并行實現(xiàn)能力，有較好的耐故障能力和較快的總體處理能力。 2 非線性映射： 這一特性給非線性控制問題帶來新的希望。 3 通過訓(xùn)練進(jìn)行學(xué)習(xí)： 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過所研究系統(tǒng)過去的數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行訓(xùn)練的。能夠解決那些由數(shù)學(xué)模型或描述規(guī)則難以處理的控制過程問題。4 適應(yīng)與集成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)在線運行，并能同時進(jìn)行定量和定性操作。這些特性特別適于復(fù)雜、大規(guī)模和多變量系統(tǒng)的控制。,2.6.1綜合控制的原則 1.改善性能、2.消除干擾、3.增加功能、 4.相輔相成 5.共同使用,2.6 汽