汽车电子控制技术基础讲义课件

汽车电子控制技术汽车电子控制技术第第2 章章汽车电子控制技术基础汽车电子控制技术基础 汽车电子控制技术第2章汽车电子控制技术基础12.1 2.1 汽车电子控制系统的组成与特征汽车电子控制系统的组成与特征2.2 2.2 汽车传感器汽车传感器2.3 2.3 汽车电子控制单元（汽车电子控制单元（ECU）2.4 2.4 汽车电子控制系统中的执行元件汽车电子控制系统中的执行元件2.5 2.5 汽车电子控制系统中的控制理论汽车电子控制系统中的控制理论2.6 2.6 汽车综合控制汽车综合控制2.1汽车电子控制系统的组成与特征2.2汽车传感器2.322.1.1 2.1.1 汽车电子控制系统的基本构成汽车电子控制系统的基本构成2.1 2.1 汽车电子控制系统的组成与特征汽车电子控制系统的组成与特征给定值给定值传感器传感器A/D转换器转换器D/A转换器转换器执执 行行机机 构构被被 控控对对 象象控制器控制器被控参数被控参数 微型计算机微型计算机图图2-1 2-1 电子控制系统的基本框图电子控制系统的基本框图汽车电子控制系统基本组成框图汽车电子控制系统基本组成框图2.1.1汽车电子控制系统的基本构成2.1汽车电子控制系3 汽车计算机系统称为汽车计算机系统称为电子控制单元电子控制单元 ECU(Electronic Control Unit)。控制系统由控制系统由传感器传感器、ECU和和执行机构执行机构组成。组成。传传感感器器数字输入数字输入存储器存储器A/D转换器转换器输输入入端端口口 CPU存储器存储器输输出出端端口口驱驱动动电电路路执执行行机机构构输入接口输入接口图图2-2 汽车电子控制系统的基本组成汽车电子控制系统的基本组成计算机计算机输出接口输出接口1.1.硬件硬件汽车计算机系统称为电子控制单元ECU传感器数4 软件分为软件分为系统软件系统软件和和应用软件应用软件，核心是控制核心是控制软件软件。系统软件一般由计算机制造厂提供，应用系统软件一般由计算机制造厂提供，应用软件由控制系统研发人员编制。软件由控制系统研发人员编制。1）系统软件）系统软件 操作系统、语言加工系统、诊断系统等操作系统、语言加工系统、诊断系统等2）应用软件）应用软件 数据采集与传输、数据采集与传输、被控系统的模型被控系统的模型、控制算控制算法法、故障自诊断系统等、故障自诊断系统等2.2.软件软件软件分为系统软件和应用软件，核心是控制软件52.1.2 汽车电子控制系统的特征汽车电子控制系统的特征1.1.目的性目的性 提高汽车行驶能力、可操纵性、稳定性和自适提高汽车行驶能力、可操纵性、稳定性和自适应性；应性；改善汽车行驶的姿态控制、乘坐的舒适性；改善汽车行驶的姿态控制、乘坐的舒适性；降低汽车的能耗、尾气排放、减少污染。降低汽车的能耗、尾气排放、减少污染。2.相关性相关性 汽车上的电子控制系统是相互关联的；汽车上的电子控制系统是相互关联的；单一的控制系统都会出现非预期的结果；单一的控制系统都会出现非预期的结果；各子系统的最佳，不一定能获得整个系统的最各子系统的最佳，不一定能获得整个系统的最佳，甚至降低了子系统预期的性能。佳，甚至降低了子系统预期的性能。2.1.2汽车电子控制系统的特征1.目的性2.相关性6汽汽 车车 综综 合合 控控 制制 系系 统统悬悬 架架控制系统控制系统动力传动动力传动控制系统控制系统操操 纵纵控制系统控制系统发动机发动机控制系统控制系统第三层第三层第二层第二层第一层第一层单个装置单个装置控控 制制子系统子系统控控 制制3.层次性层次性 汽车控制系统一般可分为三个层次：汽车控制系统一般可分为三个层次：汽车综合控制系统悬架动力7例：发动机控制系统例：发动机控制系统4.随机性随机性 汽车在不同的环境条件下行驶，控制系统的设汽车在不同的环境条件下行驶，控制系统的设计必须满足动态的、不确定的或随机的动态工况。计必须满足动态的、不确定的或随机的动态工况。电控燃油电控燃油喷射系统喷射系统(EFI)点火正时控制点火正时控制点火提前角控制点火提前角控制点火能量控制点火能量控制 怠怠 速速控制系统控制系统(ISC)废气再循环废气再循环控制系统控制系统(EGR)喷油量控制喷油量控制喷油时间控制喷油时间控制喷油顺序控制喷油顺序控制 电电 控控点火系统点火系统(ESA)发发 动动 机机 控控 制制 系系 统统例：发动机控制系统4.随机性电控燃油点火正时控制怠82.1.3 2.1.3 汽车电子控制系统的工作原理汽车电子控制系统的工作原理1.检测检测 汽车各部位的汽车各部位的传感器传感器检测检测不断变化不断变化工作状况信工作状况信息、环境信息息、环境信息提供提供给给ECU；3.执行执行 通过通过执行机构执行机构对汽车的工作状况对汽车的工作状况进行控制进行控制。必。必要时，可对要时，可对汽车汽车工作状况信息工作状况信息显示或报警显示或报警。2.判断、决策和控制判断、决策和控制 汽车电子控制系统汽车电子控制系统根据检测的工作状况根据检测的工作状况信息用信息用预先存放在预先存放在ECU中的中的指令程序、控制算法指令程序、控制算法发出发出控制控制信号信号；2.1.3汽车电子控制系统的工作原理1.检测3.执行29ECU I/O输输入入回回路路CPU存储器存储器A/D空气流量空气流量 发动机转速发动机转速节气门位置节气门位置冷却水温冷却水温进气温度进气温度 曲轴位置曲轴位置车速车速爆震爆震氧传氧传 启动信号启动信号空调开关空调开关输输出出回回路路喷油量控制喷油量控制点火正时控制点火正时控制怠速控制怠速控制故障自诊断故障自诊断废气再循环废气再循环其它辅助控制其它辅助控制传感器传感器控制项目控制项目发动机集中电子控制系统发动机集中电子控制系统ECUI/O输C10微微处处理理器器A/DA/D存储器存储器D/A车车 速速传感器传感器油油 箱箱传感器传感器D/A车速表车速表燃油液位燃油液位指示仪表指示仪表 图图2-4 2-4 电子控制的车速表及燃油液位指示仪表系统电子控制的车速表及燃油液位指示仪表系统指示仪表系统指示仪表系统微A/DA/D存储器D/A车速传感器油箱传感器D/112.2 2.2 汽车传感器汽车传感器 汽车传感器也是汽车电子技术领域研究的汽车传感器也是汽车电子技术领域研究的核心核心内容内容之一。之一。目前，一辆普通家用轿车上大约安装几十到近目前，一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上多达二百余只传感器。百只传感器，而豪华轿车上多达二百余只传感器。汽车传感器主要用于汽车传感器主要用于发动机控制系统发动机控制系统、底盘控底盘控制系统制系统、车身控制系统车身控制系统和和导航系统导航系统中。中。汽车传感器是汽车电子控制系统的汽车传感器是汽车电子控制系统的信息源信息源，是是汽车电子控制系统的关键部件。汽车电子控制系统的关键部件。2.2汽车传感器汽车传感器也是汽车电子技术12传感器技术的发展趋势传感器技术的发展趋势1 1.多功能化多功能化 一个传感器可实现多个不同种类多个参数的一个传感器可实现多个不同种类多个参数的检测。检测。3 3.集成化集成化 IC制造技术和精细加工技术制作制造技术和精细加工技术制作IC式传感器。式传感器。4 4.智能化智能化 指传感器与大规模集成电路结合，带有指传感器与大规模集成电路结合，带有CPU，具有智能功能，以减少具有智能功能，以减少ECU的复杂程度。的复杂程度。2 2.数字化数字化 适应汽车控制计算机的信息输入。适应汽车控制计算机的信息输入。传感器技术的发展趋势1.多功能化3.集成化4.智能化2.数字13 汽车传感器种类很多，实际应用汽车传感器种类很多，实际应用一般按一般按传感传感器器输入量，即输入量，即传感器检测的量传感器检测的量分类分类，如如2.2.1 2.2.1 汽车传感器的分类汽车传感器的分类 力力 学学 量量热力学量热力学量其其它它检测量检测量单单 位位检测量检测量单单 位位检测量检测量单单 位位位置或位移位置或位移速度速度加速度加速度转角或角转角或角位移位移转速转速力力转矩转矩爆震爆震Mm/sm/s2 rad r/minN NmPa 温度温度压力压力流量流量,真空度真空度 K C KPa MPakg/s m3/s Pa 气体成分气体成分气体浓度气体浓度mol mol汽车传感器种类很多，实际应用一般按传感2.214分分 类类按能量按能量关关 系系主动型：主动型：传感器传感器无需外加输入电源无需外加输入电源。如：磁电、热电、压电、光电等。如：磁电、热电、压电、光电等。被动型：被动型：传感器需传感器需外加输入电源外加输入电源。如：电阻、电容、电感、磁阻、热阻等。如：电阻、电容、电感、磁阻、热阻等。按信号按信号转转 换换非电量非电量转换成另一种转换成另一种非电量非电量，如：弹性敏感元件、气动传感器如：弹性敏感元件、气动传感器非电量非电量转换成转换成电量电量 如：热电阻、热电偶、压电式如：热电阻、热电偶、压电式按工作按工作原原 理理电阻式、电容式、电感式、应变式、光电式、电阻式、电容式、电感式、应变式、光电式、光敏式、压电式、热电式等光敏式、压电式、热电式等按使用按使用功功 能能用于用于了解了解汽车工作状况；汽车工作状况；用于用于控制控制汽车运行状态；汽车运行状态；传感器的其它传感器的其它分类方法分类方法分类按能量关系主动型：传感器无需外加输入电源。被动15传感器传感器检检 测测 工工 况况 或或 参参 数数位位 置置传感器传感器排气再循环阀开度、油门踏板位置、燃油箱液排气再循环阀开度、油门踏板位置、燃油箱液面位置、汽车高度、海拔高度等。面位置、汽车高度、海拔高度等。转转 角角传感器传感器节气门位置、曲轴转角、方向盘转角、前轮转节气门位置、曲轴转角、方向盘转角、前轮转角等。角等。转转 速速传感器传感器检测检测曲轴转速、车轮转速等。曲轴转速、车轮转速等。速速 度度加速度加速度传感器传感器检测车速（绝对值）、加速度。检测车速（绝对值）、加速度。力学量传感器在汽车上的应用力学量传感器在汽车上的应用传感器检测工况或参数位置排气再循环阀开度、油16热力学量传感器在汽车上的应用热力学量传感器在汽车上的应用传感器传感器检检 测测 工工 况况 或或 参参 数数温温 度度传感器传感器冷却液温度、进气温度、燃油温度、排气口和冷却液温度、进气温度、燃油温度、排气口和排气管的温度、空调蒸发器和冷凝器温度等。排气管的温度、空调蒸发器和冷凝器温度等。压压 力力传感器传感器进气岐管压力、燃油压力、机油压力、增压压进气岐管压力、燃油压力、机油压力、增压压力、自动变速器油压等。力、自动变速器油压等。流流 量量传感器传感器吸入吸入空气流量、燃油流量、废气再循环流量、空气流量、燃油流量、废气再循环流量、制冷剂流量等。制冷剂流量等。液液 量量传感器传感器燃油量、燃油量、冷却液冷却液量、量、机油机油量、制动量、制动液液量等。量等。气体浓度气体浓度传感器传感器氧气、二氧化碳、氧气、二氧化碳、NOx、HC、柴油烟度。、柴油烟度。热力学量传感器在汽车上的应用传感器检测工况或参数17汽车传感器工作环境汽车传感器工作环境 高温、低温、振动、冲击、潮湿、蒸汽、盐雾高温、低温、振动、冲击、潮湿、蒸汽、盐雾腐蚀、油泥污染腐蚀、油泥污染2.2.2 2.2.2 汽车传感器的性能要求汽车传感器的性能要求 1）环境的适应性；）环境的适应性；2）工作的稳定性和可靠性；关键）工作的稳定性和可靠性；关键 3）检测的精度和重复性；）检测的精度和重复性；4）小型化、便于安装、易于检测识别；）小型化、便于安装、易于检测识别；5）具有批量生产和通用性、符合有关标准。）具有批量生产和通用性、符合有关标准。汽车传感器的性能要求汽车传感器的性能要求汽车传感器工作环境2.2.2汽车传感器的性能要求1182.2.3 2.2.3 汽车传感器的选用原则汽车传感器的选用原则指指 标标传传 感感 器器 指指 标标 定定 义义量量 程程被检测量上限和下限的代数差。被检测量上限和下限的代数差。灵敏度灵敏度输出变化值与被测量的变化值之比。输出变化值与被测量的变化值之比。分辨率分辨率检测出被测量的最小变化值。检测出被测量的最小变化值。误误 差差检测值与被测量的真实值之差。检测值与被测量的真实值之差。重复性重复性重复测量时，测量结果的一致性。重复测量时，测量结果的一致性。过过 载载允许检测被测量的最大值。允许检测被测量的最大值。可靠度可靠度规定条件下，传感器正常工作的可能性。规定条件下，传感器正常工作的可能性。线性度线性度输入输入/输出曲线与其拟合直线之间的偏差度。输出曲线与其拟合直线之间的偏差度。响应时间响应时间接受阶跃输入信号，传感器输出值达到稳定接受阶跃输入信号，传感器输出值达到稳定值的最小规定百分数值的最小规定百分数(如如95)时所需的时间。时所需的时间。2.2.3汽车传感器的选用原则指标传感器指标19低油位报警器低油位报警器油位传感器油位传感器部分汽车传感器的实物图片部分汽车传感器的实物图片低油位报警器油位传感器部分汽车传感器的实物图片20水温传感器水温传感器汽车用压力传感器汽车用压力传感器水温传感器汽车用压力传感器21热膜式汽车空气流量传感器热膜式汽车空气流量传感器热线式汽车空气流量传感器热线式汽车空气流量传感器热膜式汽车空气流量传感器热线式汽车空气流量传感器22节气门阀体总成节气门阀体总成节气门位置传感器节气门位置传感器 节气门阀体总成节气门位置传感器23凸轮轴传感器凸轮轴传感器曲轴位置传感器曲轴位置传感器凸轮轴传感器曲轴位置传感器24汽车氧传感器汽车氧传感器汽车氧传感器25汽车爆震传感器汽车爆震传感器汽车超声传感器汽车超声传感器汽车爆震传感器汽车超声传感器262.3.1 2.3.1 汽车电子控制单元的汽车电子控制单元的主要功能主要功能 1)接受传感器或其它装置的输入信号，并将输入接受传感器或其它装置的输入信号，并将输入 信号处理成计算机能够接受的数字信号；信号处理成计算机能够接受的数字信号；2)给传感器或传感器放大电路提供基准电压；给传感器或传感器放大电路提供基准电压；3)计算、分析、处理和存储汽车工况和环境信息；计算、分析、处理和存储汽车工况和环境信息；4)输出控制执行指令、故障信息；输出控制执行指令、故障信息；5)自我修正功能（自适应功能）。自我修正功能（自适应功能）。2.3 2.3 汽车电子控制单元（汽车电子控制单元（ECU）2.3汽车电子控制单元（ECU）27 ECU 的实物图片的实物图片ECU的实物图片28 ECU 的实物图片的实物图片ECU的实物图片29 ECU 主要由主要由输入接口输入接口、微处理器微处理器和和输出接口输出接口的组成。的组成。传感器传感器传感器传感器A/D转换器转换器A/D转换器转换器信信 号号放大器放大器微微处处理理器器输输出出驱驱动动基准电压基准电压调调 节节 器器存储器存储器2.3.2 2.3.2 ECU 的组成的组成ECU主要由输入接口、微处理器和输出接口的302 2）微处理器）微处理器 微处理器即单片机，有微处理器即单片机，有8位、位、16位、位、32位。位。1 1 通用单片机通用单片机 2 2 专用单片机专用单片机1 1）输入接口电路）输入接口电路 输入接口电路主要是实现传感器与微处理器输入接口电路主要是实现传感器与微处理器之间的信息传递。主要功能是对传感器输出信号之间的信息传递。主要功能是对传感器输出信号进行预处理。进行预处理。1 1 模拟信号处理：模拟信号处理：放大、量程变换、放大、量程变换、A/D转换。转换。2 2 数字信号处理：数字信号处理：放大、整形。放大、整形。2）微处理器1）输入接口电路313 3）存储器）存储器 1 1 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）2 2 只读存储器（只读存储器（ROM）3 3 可编程只读存储器（可编程只读存储器（P PROM）4 4 可保持存储器（可保持存储器（P PAM）4 4）输出接口电路）输出接口电路 D/A转换、输出信号变换、电压放大或电流放转换、输出信号变换、电压放大或电流放大。大。3）存储器4）输出接口电路32功能：功能：执行元件根据执行元件根据ECU输出的控制信号执行相输出的控制信号执行相 应的预定动作。应的预定动作。执行元件根据驱动的能量不同可分为三类：执行元件根据驱动的能量不同可分为三类：2.4 2.4 汽车电子控制系统中的执行元件汽车电子控制系统中的执行元件执行元件执行元件应应 用用 场场 合合电电 动动执行元件执行元件受汽车电源功率的限制，用于执受汽车电源功率的限制，用于执行功率不大场合；行功率不大场合；如电磁阀门如电磁阀门类类液液 压压执行元件执行元件用于执行功率较大、且对于执行用于执行功率较大、且对于执行元件尺寸要求较小的场合；元件尺寸要求较小的场合；如轿车的制如轿车的制动系统动系统气气 动动执行元件执行元件用于执行功率较大、且对于执行用于执行功率较大、且对于执行元件尺寸要求不严的场合；元件尺寸要求不严的场合；如卡车的制如卡车的制动系统动系统功能：执行元件根据ECU输出的控制信号执行相执行元件根据驱动332.4.1 2.4.1 电动执行元件电动执行元件执行元件执行元件使用使用电源电源 执行量执行量特特点点电电动动机机类类直流电动机直流电动机 直流电源直流电源转速转速调速性好、启动转矩调速性好、启动转矩大、响应较快。大、响应较快。侍服电动机侍服电动机 直流电源直流电源角位移角位移或位移或位移启动转矩大、响应快。启动转矩大、响应快。步进电动机步进电动机 脉冲电源脉冲电源角位移角位移或位移或位移直接实现数字控制，直接实现数字控制，控制性能好。控制性能好。电电磁磁力力类类直接执行直接执行直流电源直流电源位移位移结构简单、可靠，功结构简单、可靠，功率较小、运动距离小率较小、运动距离小间接间接执行执行直流电源直流电源位移位移电磁力驱动油压、气电磁力驱动油压、气压控制阀压控制阀2.4.1电动执行元件执行元件使用电源执行量特34 直接以电磁能为动力的执行元件，其优点是结直接以电磁能为动力的执行元件，其优点是结构简单、可靠，缺点是功率较小、运动距离小。仅构简单、可靠，缺点是功率较小、运动距离小。仅应用于电动门锁、电磁阀门功率较小、运动距离小应用于电动门锁、电磁阀门功率较小、运动距离小场合。场合。电电-液压、电液压、电-气动执行元件气动执行元件是以电磁力驱动油是以电磁力驱动油压、气压控制阀，可获得较大的功率。但其结构复压、气压控制阀，可获得较大的功率。但其结构复杂，广泛应用于汽车的杂，广泛应用于汽车的行驶、转向、制动、悬架行驶、转向、制动、悬架方方面。面。电电-液压、电液压、电-气动执行元件气动执行元件直接以电磁能为动力的执行元件，其优点是结构简35 2.4.2 2.4.2 汽车执行元件的性能要求汽车执行元件的性能要求 3 3）可靠性和安全性）可靠性和安全性 使用寿命长、安全、噪声低。使用寿命长、安全、噪声低。1 1）输入、输出性能）输入、输出性能 能实现细微的控制、响应快、足够的输出功率。能实现细微的控制、响应快、足够的输出功率。2 2）环境的适应性）环境的适应性 耐高温、低温、振动、冲击、潮湿、盐雾、腐耐高温、低温、振动、冲击、潮湿、盐雾、腐蚀的恶劣环境。蚀的恶劣环境。4 4）经济性）经济性 体积小、质量轻、成本低、能实现批量生产和体积小、质量轻、成本低、能实现批量生产和通用性、符合有关标准。通用性、符合有关标准。2.4.2汽车执行元件的性能要求3）可靠性和安全性362.4.3 2.4.3 常用的汽车电气执行元件常用的汽车电气执行元件电动电动执行元件执行元件电磁电磁执行元件执行元件其它执行元件其它执行元件电动输油泵电动输油泵电动燃油泵电动燃油泵电动燃油喷射泵电动燃油喷射泵共轨高压泵共轨高压泵电动空气泵电动空气泵电动节气门电动节气门(又称又称电子油门电子油门)电动雨刮器电动雨刮器冷却风扇冷却风扇电磁喷油器电磁喷油器液压电磁阀液压电磁阀气动电磁阀气动电磁阀燃油切断阀燃油切断阀炭罐控制阀炭罐控制阀压缩机电磁离合器压缩机电磁离合器共轨压力控制阀、共轨压力控制阀、排气再循环控制阀排气再循环控制阀点火线圈点火线圈三效催化器加三效催化器加热执行元件热执行元件炽热塞炽热塞2.4.3常用的汽车电气执行元件电动执行元件电磁执行元件其37电动输油泵电动输油泵电动燃油喷射泵电动燃油喷射泵38全世界燃油喷射系统全世界燃油喷射系统(喷油器喷油器)几乎被博世、德尔几乎被博世、德尔福、西门子威迪欧及日本电装等四家厂商所垄断。福、西门子威迪欧及日本电装等四家厂商所垄断。电磁喷油器电磁喷油器全世界燃油喷射系统(喷油器)几乎被博世、德尔福392.5 2.5 汽车电子控制系统中的控制理论汽车电子控制系统中的控制理论2.5.1 2.5.1 汽车电子控制理论汽车电子控制理论 控制理论是控制理论是编制和优化控制软件的编制和优化控制软件的理论基础理论基础，是汽车电子技术中的是汽车电子技术中的难点难点和和重点重点。1.1.被控对象的特性分析被控对象的特性分析1)静态特性分析：静态输入静态特性分析：静态输入/输出特性；输出特性；2)动态特性分析：动态输入动态特性分析：动态输入/输出特性；输出特性；微分方程或差分方程；微分方程或差分方程；对象的模型辩识；对象的模型辩识；对象的参数辩识；对象的参数辩识；3)干扰分析：干扰作用于被控制对象的输出。干扰分析：干扰作用于被控制对象的输出。2.5汽车电子控制系统中的控制理论2.5.1汽车电子控制40 设计控制系统时，首先进行设计控制系统时，首先进行系统辨识系统辨识，建立，建立数学模型数学模型，但是大多数的系统结构比较复杂，理，但是大多数的系统结构比较复杂，理论推导这些系统的数学模型相当困难。因此，一论推导这些系统的数学模型相当困难。因此，一般采用般采用实验方法实验方法找出系统的找出系统的模型特征模型特征和和参数参数。实验（经验）实验（经验）模型模型 找出系统各种工况下的最佳状态，然后存人微找出系统各种工况下的最佳状态，然后存人微机内存。实施控制时，微机不断检测系统的工况，机内存。实施控制时，微机不断检测系统的工况，用查表的方法，查出该工况下的最佳控制值对系统用查表的方法，查出该工况下的最佳控制值对系统进行控制。进行控制。系统辨识系统辨识设计控制系统时，首先进行系统辨识，建立数学模412.2.自动控制理论简介自动控制理论简介 控制理论的发展也经历了控制理论的发展也经历了经典控制理论经典控制理论、现代现代控制理论控制理论和和智能控制理论智能控制理论三个阶段。自动控制系统三个阶段。自动控制系统可分为可分为开环控制系统开环控制系统和和闭环控制系统闭环控制系统。1)1)开环控制系统开环控制系统 开环控制系统是指被控对象的输出开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。控制器控制器执执 行行机机 构构被被 控控对对 象象r(t)d(t)y(t)u(t)开环控制系统的输出开环控制系统的输出y(t)产生偏差时，不能及产生偏差时，不能及时予以纠正。时予以纠正。2.自动控制理论简介控制理论的发展也经历了经典控制42 闭环控制系统是闭环控制系统是指指系统被控对象的输出会反系统被控对象的输出会反馈回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。馈回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统又称为有反馈控制系统。闭环控制系统又称为有反馈控制系统。2)2)闭环控制系统闭环控制系统 传感器传感器控制器控制器执执 行行机机 构构被被 控控对对 象象y(t)r(t)e(t)u(t)d(t)b(t)闭环控制系统的输出闭环控制系统的输出y(t)产生偏差时，控制器产生偏差时，控制器能根据偏差对系统的输出予以纠正。能根据偏差对系统的输出予以纠正。闭环控制系统是指系统被控对象的输出会反243参参数数定定义义被控制量被控制量 y(t)被控对象需要控制的参数，也称为控制被控对象需要控制的参数，也称为控制系统的输出。系统的输出。给给 定定 值值 r(t)希望控制系统的输出能达到的期望值，希望控制系统的输出能达到的期望值，也称为参考输入量或指令输入量。也称为参考输入量或指令输入量。反反 馈馈 量量 b(t)传感器测量被控制量所产生的输出量，传感器测量被控制量所产生的输出量，一般与被控制量成线性关系。一般与被控制量成线性关系。误差误差/偏差偏差e(t)给定值与反馈量差值，给定值与反馈量差值，e(t)r(t)b(t)控控 制制 量量 u(t)控制器根据误差控制器根据误差 e(t)的输入，经的输入，经 过预先过预先设计控制算法得出的控制输出量。设计控制算法得出的控制输出量。执行元件执行元件输输 出出 量量d(t)执行元件根据控制量执行元件根据控制量 u(t)的输入，产生的输入，产生的功率输出量。的功率输出量。3)3)闭环控制的参数闭环控制的参数参数定义被控制量y(t)被控对象需444)4)反馈控制的主要过程反馈控制的主要过程1 测量测量：测量被控制的变量：测量被控制的变量y(t)，获得，获得反馈量反馈量b(t)；2 比较比较：测量值：测量值b(t)与给定的期望值与给定的期望值r(t)比较，得到比较，得到 误差误差或或偏差偏差e(t);3 控制控制：控制器根据该误差：控制器根据该误差e(t)的大小、变化产生的大小、变化产生 控制输出量控制输出量u(t)；4 执行执行：执行器根据控制输出量：执行器根据控制输出量u(t)产生产生功率输出功率输出 量量d(t)，以纠正系统的偏差。，以纠正系统的偏差。系统的系统的控制精度控制精度取决于取决于测量环节测量环节；系统的动态控制质量取决于控制器的系统的动态控制质量取决于控制器的控制算法控制算法。主要包括四个过程：主要包括四个过程：4)反馈控制的主要过程1测量：测量被控制的变量y(t)45主要组成：主要组成：5)5)闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成1 1 被控对象被控对象：被控制的：被控制的装置装置或或过程过程。2 2 给定装置给定装置：设置设置被控装置或过程被控装置或过程需要控制参数需要控制参数的的 期望值期望值的的硬件硬件或或软件软件。3 3 传传 感感 器器：测量测量被控对象被控对象需要控制的参数需要控制的参数的的装置装置。4 4 控控 制制 器器：针对系统的偏差，按：针对系统的偏差，按特定的特定的控制算法控制算法 获得获得控制输出控制输出量的量的硬件硬件或或软件软件。5 5 执行机构执行机构：根据：根据控制输出量控制输出量产生产生功率输出量功率输出量的的装装 置置。主要组成：5)闭环控制系统的组成1被控对象：被控制的装置或46 一个阶跃输入一个阶跃输入 r(t)加到闭环系统上时，系统的加到闭环系统上时，系统的输出输出 y(t)。ts tr(t)y(t)1trtpts te(t)1tr系统输出的误差曲线：系统输出的误差曲线：e(t)r(t)-y(t)6 6)阶跃响应阶跃响应 一个阶跃输入r(t)加到闭环系统上时，系统477)7)控制系统的性能指标控制系统的性能指标控制系统的性能可以用控制系统的性能可以用稳稳、快快、准准来描述。来描述。1 1 稳定性稳定性（稳稳）稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作首先必须是稳定的首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是，从阶跃响应上看应该是收敛的收敛的稳定状态稳定状态。2 2 动态指标动态指标（快快）系统的瞬态响应或过渡过程的快速性，通常系统的瞬态响应或过渡过程的快速性，通常用用上升时间上升时间 tr、调节时间、调节时间 ts 和和超调量超调量定量描述。定量描述。3 3 静态指标静态指标（准准）控制系统的准确性、控制精度，通常用控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态稳态误差误差ess 来描述，来描述，7)控制系统的性能指标控制系统的性能可以用稳、快、准来描述。48 PID控制器作为最早实用化的控制器已有控制器作为最早实用化的控制器已有60 多多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。1 1）PID(比例比例-积分积分-微分微分)控制控制2.5.2 2.5.2 PID 控制算法控制算法 PID 控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，成为工业控制的主要技术之一。并调整方便，成为工业控制的主要技术之一。并有系有系列化产品。列化产品。当对一个系统和被控对象不完全了解当对一个系统和被控对象不完全了解不能通不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，过有效的测量手段来获得系统参数时，PID控制是控制是最适合用技术之一。最适合用技术之一。PID控制器作为最早实用化的控制器已有6049 PID 控制器由比例单元控制器由比例单元(P)、积分单元、积分单元(I)和微和微分单元分单元(D)组成。其输入组成。其输入 e(t)与输出与输出 u(t)的关系为：的关系为：传感器传感器积分积分执执 行行机机 构构被被 控控对对 象象 e(t)r(t)u(t)y(t)d(t)b(t)微分微分比例比例+PIDPID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)50 PID 控制，控制，在很多情况下，并不一定需要全部在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制是必不可少的。制是必不可少的。实际应用中也有只用实际应用中也有只用 PI 或或 PD 控制。控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。积分、微分计算出控制量进行控制的。PID 控制控制器使用中只需设定三个参数比例增益器使用中只需设定三个参数比例增益kp、积分增、积分增益益ki 和微分增益和微分增益kd 即可。即可。PID控制，在很多情况下，并不一定需要全部三个单元51比例控制比例控制积分控制积分控制微分控制微分控制控制控制输出输出与输入误差成比与输入误差成比例关系；例关系；与输入信号的积与输入信号的积分成正比关系；分成正比关系；与误差的变化率与误差的变化率成正比关系；成正比关系；特点特点其控制输出取决其控制输出取决于于误差当时刻误差当时刻的的状态；状态；其控制输出取决其控制输出取决于于误差过去历史误差过去历史的状态；的状态；其控制输出取决其控制输出取决于于误差将发生变误差将发生变化化的状态；的状态；优点优点控制作用及时；控制作用及时；消除稳态误差；消除稳态误差；预测误差变化，预测误差变化，减小减小振荡；振荡；缺点缺点单独比例控制，单独比例控制，存在稳态误差；存在稳态误差；积分作用太强，积分作用太强，会产生振荡；会产生振荡；微分微分作用太强，作用太强，输出响应缓慢输出响应缓慢；2 2）比例、积分、微分控制的比较比例、积分、微分控制的比较比例控制积分控制微分控制控制输出与输入误差成比例关系；与输入52模糊控制的基本方法：模糊控制的基本方法：1 将精确量模糊化；将精确量模糊化；2 将模糊变量分解成模糊子集；将模糊变量分解成模糊子集；3 构造模糊控制规则；构造模糊控制规则；4 确定控制器的模糊输出量；确定控制器的模糊输出量；5 进行模糊判决，得出控制量的精确值。进行模糊判决，得出控制量的精确值。2.5.3.2.5.3.模糊控制算法模糊控制算法 模模糊糊控控制制系系统统也也是是以以模模糊糊数数学学、模模糊糊语语言言和和模模糊糊逻逻辑辑推推理理为为理理论论基基础础，采采用用计计算算机机控控制制技技术术构构成成的的一一种种具具有有闭闭环环结结构构的的数数字字控控制制系系统统。模模糊糊制制在在汽汽车车的的制制动动控控制制系系统统、变变速速控控制制系系统统、悬悬架架控控制制系系统统以及以及巡航控制系统巡航控制系统有所应用。有所应用。模糊控制的基本方法：2.5.3.模糊控制算法模糊控制53ts tr(t)y(t)1trtp2 2）模糊控制规则）模糊控制规则 d(t)=kg u(t)IF IF y(t)很小时，很小时，即即e(t)很大很大 THEN u(t)应很大应很大IF IF y(t)接近给定值，接近给定值，即即e(t)很小很小 THEN u(t)取取适当值适当值IF IF y(t)超过给定值，超过给定值，即即e(t)为负为负 THEN u(t)取小取小IF IF y(t)超过给定很多，超过给定很多，即即e(t)为负大为负大 THEN u(t)取取0 适当值：对应近似适当值：对应近似平衡功率的平衡功率的 uetstr(t)y(t)1trtp2）模糊控制规则54ts te(t)1tr系统输出的误差曲线：系统输出的误差曲线：e(t)r(t)-y(t)0IF IF e=0+且且 e =0-THEN u=ue IF IF e=0-且且 e =0+THEN u=ue 000IF IF e=0+且且 e =0+THEN u=ue+uIF IF e=0-且且 e =0-THEN u=ue-utste(t)1tr系统输出的误差曲线：e(t)r(t553 3）模糊控制规则表）模糊控制规则表正大正大 正中正中正小正小0正正0负负负小负小 负中负中负大负大正大正大umax umaxumaxumaxumaxumaxumaxUmax-正中正中正小正小0正正ue-uue 0负负ue ue-u负小负小负中负中负大负大00000000ee IF IF y(t)或或e(t)状态已知状态已知 THEN 控制决策：给出控制决策：给出u(t)3）模糊控制规则表正大正中正小0正0负负小负中负大正大uma56 最最优优控控制制是是所所选选择择的的系系统统的的性性能能指指标标达达到到最最优优的一种控制算法。的一种控制算法。1）性能指标描述：提出性能指标描述：提出目标函数目标函数 2）控制系统中最优控制的设计方法主要有：控制系统中最优控制的设计方法主要有：1 极大（小）值原理极大（小）值原理 2 动态规划动态规划 3）实实现现最最优优控控制制的的前前提提是是必必须须获获得得控控制制系系统统的的数数学学模模型型，提提出出合合理理的的目目标标函函数数。这这是是最最优优控控制制在在很多情况下难以得到应用的主要原因。很多情况下难以得到应用的主要原因。最最优优控控制制在在汽汽车车控控制制系系统统中中的的电电子子控控制制悬悬架架系系统统有所应用。有所应用。2.5.4 2.5.4 最优控制最优控制最优控制是所选择的系统的性能指标达到最优的一种控制57 自自适适应应控控制制是是能能适适应应系系统统的的参参数数发发生生较较大大变变化化的一种控制算法。的一种控制算法。1）自适应控制有两个分支：）自适应控制有两个分支：1 参考模型自适应控制参考模型自适应控制 2 自校正自适应控制自校正自适应控制 2）实实现现自自适适应应控控制制的的前前提提是是必必须须提提出出合合适适的的参参考考模模型型（参参考考模模型型自自适适应应控控制制)，或或者者能能实实时时辨辨识识控制系统的模型参数（自校正自适应控制）控制系统的模型参数（自校正自适应控制）。自自适适应应控控制制在在汽汽车车控控制制系系统统中中有有一一定定的的应应用用，如发动机空燃比控制。如发动机空燃比控制。2.5.5 2.5.5 自适应控制自适应控制自适应控制是能适应系统的参数发生较大变化的582.5.6 2.5.6 神经网络控制神经网络控制 神经网络控制已经发展成为智能控制的一个新分支，神经网络控制已经发展成为智能控制的一个新分支，为解决复杂的非线性、不确定及不确知系统的控制总是开为解决复杂的非线性、不确定及不确知系统的控制总是开辟了新途径。辟了新途径。1)1)用于控制的人工神经网络的特点用于控制的人工神经网络的特点1 并并行行分分布布处处理理：具具有有高高度度的的并并行行结结构构和和并并行行实实现现能能力力，有较好的耐故障能力和较快的总体处理能力。有较好的耐故障能力和较快的总体处理能力。2 非线性映射非线性映射：这一特性给非线性控制问题带来新的希这一特性给非线性控制问题带来新的希望。望。3 通过训练进行学习通过训练进行学习：神经网络是通过所研究系统过去神经网络是通过所研究系统过去的数据记录进行训练的。能够解决那些由数学模型或描述的数据记录进行训练的。能够解决那些由数学模型或描述规则难以处理的控制过程问题。规则难以处理的控制过程问题。4 适应与集成适应与集成。神经网络能够适应在线运行，并能同时。神经网络能够适应在线运行，并能同时进行定量和定性操作。这些特性特别适于复杂、大规模和进行定量和定性操作。这些特性特别适于复杂、大规模和多变量系统的控制。多变量系统的控制。2.5.6神经网络控制神经网络控制已经发展成为智能592.6.12.6.1综合控制的原则综合控制的原则 1.1.改善性能、改善性能、2.2.消除干扰、消除干扰、3.3.增加功能、增加功能、4.4.相辅相成相辅相成 5.5.共同使用共同使用2.6 2.6 汽车综合控制汽车综合控制2.6.22.6.2综合控制的分类综合控制的分类1.1.动力传动系统的综合控制动力传动系统的综合控制(PCM)将发动机管理系统和自动变速器控制系统，集将发动机管理系统和自动变速器控制系统，集成为动力传动系统的综合控制成为动力传动系统的综合控制(PCM)。2.2.底盘综合控制系统底盘综合控制系统（UCC）通过中央底盘控制器，将制动、悬架、转向、通过中央底盘控制器，将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过总线进行连接，形成一体动力传动等控制系统通过总线进行连接，形成一体化底盘综合控制系统（化底盘综合控制系统（UCC）。）。2.6.1综合控制的原则2.6汽车综合控制2.6.2综合控603.3.整车综合控制系统整车综合控制系统 以四轮驱动为核心，将以四轮驱动为核心，将电子控制燃油喷射电子控制燃油喷射(EFI)系统、自动变速器系统、自动变速器(ECT)系统、悬架控制系统、系统、悬架控制系统、ABS、牵引力控制系统、牵引力控制系统(TCS)、驱动防滑控制系统、驱动防滑控制系统(ASR)综合在一起进行控制。综合在一起进行控制。3.整车综合控制系统611、这世上，没有谁活得比谁容易，只是有人在呼天抢地，有人在默默努力。2、当热诚变成习惯，恐惧和忧虑即无处容身。缺乏热诚的人也没有明确的目标。热诚使想象的轮子转动。一个人缺乏热诚就象汽车没有汽油。善于安排玩乐和工作，两者保持热诚，就是最快乐的人。热诚使平凡的话题变得生动。3、起点低怕什么，大不了加倍努力。人生就像一场马拉松比赛，拼的不是起点，而是坚持的耐力和成长的速度。只要努力不止，进步也会不止。4、如果你不相信努力和时光，那么时光第一个就会辜负你。不要去否定你的过去，也不要用你的过去牵扯你的未来。不是因为有希望才去努力，而是努力了，才能看到希望。5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。6、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。7、每个人的心里，都藏着一个了不起的自己，只要你不颓废，不消极，一直悄悄酝酿着乐观，培养着豁达，坚持着善良，只要在路上，就没有到达不了的远方！8、不要活在别人眼中，更不要活在别人嘴中。世界不会因为你的抱怨不满而为你改变，你能做到的只有改变你自己！9、欲戴王冠，必承其重。哪有什么好命天赐，不都是一路披荆斩棘才换来的。10、放手如拔牙。牙被拔掉的那一刻，你会觉得解脱。但舌头总会不由自主地往那个空空的牙洞里舔，一天数次。不痛了不代表你能完全无视，留下的那个空缺永远都在，偶尔甚至会异常挂念。适应是需要时间的，但牙总是要拔，因为太痛，所以终归还是要放手，随它去。11、这个世界其实很公平，你想要比别人强，你就必须去做别人不想做的事，你想要过更好的生活，你就必须去承受更多的困难，承受别人不能承受的压力。12、逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。自古以来的伟人，大多是抱着不屈不挠的精神，从逆境中挣扎奋斗过来的。13、不同的人生，有不同的幸福。去发现你所拥有幸运，少抱怨上苍的不公，把握属于自己的幸福。你，我，我们大家都可以经历幸福的人生。14、给自己一份坚强，擦干眼泪；给自己一份自信，不卑不亢；给自己一份洒脱，悠然前行。轻轻品，静静藏。为了看阳光，我来到这世上；为了与阳光同行，我笑对忧伤。15、总不能流血就喊痛，怕黑就开灯，想念就联系，疲惫就放空，被孤立就讨好，脆弱就想家，不要被现在而蒙蔽双眼，终究是要长大，最漆黑的那段路终要自己走完。16、在路上，我们生命得到了肯定，一路上，我们有失败也有成功，有泪水也有感动，有曲折也有坦途，有机遇也有梦想。一路走来，我们熟悉了陌生的世界，我们熟悉了陌生的面孔，遇人无数，匆匆又匆匆，有些成了我们忘不掉的背影，有些成了我们一生的风景。我笑，便面如春花，定是能感动人的，任他是谁。17、努力是一种生活态度，与年龄无关。所以，无论什么时候，千万不可放纵自己，给自己找懒散和拖延的借口，对自己严格一点儿，时间长了，努力便成为一种心理习惯，一种生活方式！18、自己想要的东西，要么奋力直追，要么干脆放弃。别总是逢人就喋喋不休的表决心或者哀怨不断，做别人茶余饭后的笑点。19、即使不能像依米花那样画上完美的感叹号，但我们可以歌咏最感人的诗篇；即使不能阻挡暴风雨的肆虐，但我们可以左右自己的心情；即使无法预料失败的打击，但我们可以把它当作成功的一个个驿站。20、能力配不上野心，是所有烦扰的根源。这个世界是公平的，你要想得到，就得学会付出和坚持。每个人都是通过自己的努力，去决定生活的样子。1、许多人企求着生活的完美结局，殊不知美根本不在结局，而在于追求的过程。2、慢慢的才知道：坚持未必就是胜利，放弃未必就是认输，。给自己一个迂回的空间，学会思索，学会等待，学会调整。人生没有假设，当下即是全部。背不动的，放下了；伤不起的，看淡了；想不通的，不想了；恨不过的，抚平了。3、在比夜更深的地方，一定有比夜更黑的眼睛。4、一切伟大的行动和思想，都有一个微不足道的开始。5、从来不跌倒不算光彩，每次跌倒后能再站起来，才是最大的荣耀。6、这个世界到处充满着不公平，我们能做的不仅仅是接受，还要试着做一些反抗。7、一个最困苦、最卑贱、最为命运所屈辱的人，只要还抱有希望，便无所怨惧。8、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。9、照自己的意思去理解自己，不要小看自己，被别人的意见引入歧途。10、没人能让我输，除非我不想赢！11、花开不是为了花落，而是为了开的更加灿烂。12、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。13、不管从什么时候开始，重要的是开始以后不要停止；不管在什么时候结束，重要的是结束以后不要后悔。14、当你决定坚持一件事情，全世界都会为你让路。15、只有在开水里，茶叶才能展开生命浓郁的香气。16、别想一下造出大海，必须先由小河川开始。17、不要让未来的你，讨厌现在的自己，困惑谁都有，但成功只配得上勇敢的行动派。18、人生最大的喜悦是每个人都说你做不到，你却完成它了！19、如果你真的愿意为自己的梦想去努力，最差的结果，不过是大器晚成。20、不忘初心，方得始终。21、每个人都有潜在的能量，只是很容易：被习惯所掩盖，被时间所迷离，被惰性所消磨。22、不论你在什么时候开始，重要的是开始之后就不要轻言放弃。23、恨别人，痛苦的却是自己。24、每天醒来，敲醒自己的不是钟声，而是梦想。25、你不能拼爹的时候，你就只能去拼命！26、如果人生的旅程上没有障碍，人还有什么可做的呢。27、我们无法选择自己的出身，可是我们的未来是自己去改变的。励志名言：比别人多一点执着，你就会创造奇迹28、伟人之所以伟大，是因为他与别人共处逆境时，别人失去了信心，他却下决心实现自己的目标。29、人生就像一道漫长的阶梯，任何人也无法逆向而行，只能在急促而繁忙的进程中，偶尔转过头来，回望自己留下的蹒跚脚印。30、时间，带不走真正的朋友；岁月，留不住虚幻的拥有。时光转换，体会到缘分善变；平淡无语，感受了人情冷暖。有心的人，不管你在与不在，都会惦念；无心的情，无论你好与不好，只是漠然。走过一段路，总能有一次领悟；经历一些事，才能看清一些人。31、我们无法选择自己的出身，可是我们的未来是自己去改变的。32、命好不如习惯好。养成好习惯，一辈子受用不尽。33、比别人多一点执着，你就会创造奇迹。1、这世上，没有谁活得比谁容易，只是有人在呼天抢地，有人62