汽车电子控制技术基础讲义课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,汽车电子控制技术,第,2,章 汽车电子控制技术基础,2.1 汽车电子控制系统的组成与特征,2.2 汽车传感器,2.3 汽车电子控制单元（,ECU,）,2.4 汽车电子控制系统中的执行元件,2.5 汽车电子控制系统中的控制理论,2.6 汽车综合控制,2.1.1 汽车电子控制系统的基本构成,2.1 汽车电子控制系统的组成与特征,给定值,传感器,A/D,转换器,D/A,转换器,执 行,机 构,被 控,对 象,控制器,被控参数,微型计算机,图2-1 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,汽车计算机系统称为,电子控制单元 ECU,(,Electronic Control Unit,)。,控制系统由,传感器,、,ECU,和,执行机构,组成。,传感器,数字输入,存储器,A/D,转换器,输入端口,CPU,存储器,输出端口,驱动电路,执行机构,输入接口,图2-2 汽车电子控制系统的基本组成,计算机,输出接口,1.硬件,软件分为,系统软件,和,应用软件,，,核心是控制软件,。,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。,1）系统软件,操作系统、语言加工系统、诊断系统等,2）应用软件,数据采集与传输、,被控系统的模型,、,控制算法,、故障自诊断系统等,2. 软件,2.1.2 汽车电子控制系统的特征,1.目的性,提高汽车行驶能力、可操纵性、稳定性和自适,应性；,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。,2. 相关性,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；,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。,汽 车 综 合 控 制 系 统,悬 架,控制系统,动力传动控制系统,操 纵,控制系统,发动机,控制系统,第三层,第二层,第一层,单个装置,控 制,子系统,控 制,3.层次性,汽车控制系统一般可分为三个层次：,例：发动机控制系统,4.随机性,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。,电控燃油,喷射系统,(EFI),点火正时控制,点火提前角控制,点火能量控制, ,怠 速,控制系统,(ISC),废气再循环,控制系统,(EGR),喷油量控制,喷油时间控制,喷油顺序控制, ,电 控,点火系统,(ESA),发 动 机 控 制 系 统,2.1.3 汽车电子控制系统的工作原理,1. 检测,汽车各部位的,传感器,检测,不断变化,工作状况信,息、环境信息,提供,给,ECU,；,3. 执行,通过,执行机构,对汽车的工作状况,进行控制,。必,要时，可对,汽车,工作状况信息,显示或报警,。,2. 判断、决策和控制,汽车电子控制系统,根据检测的工作状况,信息用,预先存放在ECU中的,指令程序、控制算法,发出,控制,信号,；,ECU,I/O,输,入,回,路,CPU,存储器,A/D,空气流量,发动机转速,节气门位置,冷却水温,进气温度,曲轴位置,车速,爆震,氧传,启动信号,空调开关,输,出,回,路,喷油量控制,点火正时控制,怠速控制,故障自诊断,废气再循环,其它辅助控制,传感器,控制项目,发动机集中电子控制系统,微,处,理,器,A/D,A/D,存储器,D/A,车 速传感器,油 箱传感器,D/A,车速表,燃油液位指示仪表,图2-4 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,2.2 汽车传感器,汽车传感器也是汽车电子技术领域研究的,核心,内容,之一。,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。,汽车传感器主要用于,发动机控制系统,、,底盘控,制系统,、,车身控制系统,和,导航系统,中。,汽车传感器是汽车电子控制系统的,信息源,，是,汽车电子控制系统的关键部件。,传感器技术的发展趋势,1,.,多功能化,一个传感器可实现多个不同种类多个参数的,检测。,3,.,集成化,IC制造技术和精细加工技术制作IC式传感器。,4,.,智能化,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ECU的复杂程度。,2,.,数字化,适应汽车控制计算机的信息输入。,汽车传感器种类很多，实际应用,一般按,传感,器,输入量，即,传感器检测的量,分类,，,如,2.2.1 汽车传感器的分类,力 学 量,热力学量,其 它,检测量,单 位,检测量,单 位,检测量,单 位,位置或位移,速度,加速度,转角或角,位移,转速,力,转矩,爆震,M,m/s,m/s,2,rad r/min,N,Nm,Pa,温度,压力,流量,真空度,K,C,KPa,MPa,kg/s,m,3,/s,Pa,气体成分,气体浓度,mol mol,分 类,按能量关 系,主动型：,传感器,无需外加输入电源,。,如：磁电、热电、压电、光电等。,被动型：,传感器需,外加输入电源,。,如：电阻、电容、电感、磁阻、热阻等。,按信号转 换,非电量,转换成另一种,非电量,，,如：弹性敏感元件、气动传感器,非电量,转换成,电量,如：热电阻、热电偶、压电式,按工作原 理,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,按使用功 能,用于,了解,汽车工作状况；,用于,控制,汽车运行状态；,传感器的其它,分类方法,传感器,检 测 工 况 或 参 数,位 置,传感器,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。,转 角,传感器,节气门位置、曲轴转角、方向盘转角、前轮转角等。,转 速,传感器,检测,曲轴转速、车轮转速等。,速 度,加速度,传感器,检测车速（绝对值）、加速度。,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,检 测 工 况 或 参 数,温 度,传感器,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。,压 力,传感器,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。,流 量,传感器,吸入,空气流量、燃油流量、废气再循环流量、制冷剂流量等。,液 量,传感器,燃油量、,冷却液,量、,机油,量、制动,液,量等。,气体浓度,传感器,氧气、二氧化碳、NOx 、HC、柴油烟度。,汽车传感器工作环境,高温、低温、振动、冲击、潮湿、蒸汽、盐雾,腐蚀、油泥污染,2.2.2 汽车传感器的性能要求,1）环境的适应性；,2）工作的稳定性和可靠性；关键,3）检测的精度和重复性；,4）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。,汽车传感器的性能要求,2.2.3 汽车传感器的选用原则,指 标,传 感 器,指 标 定 义,量 程,被检测量上限和下限的代数差。,灵敏度,输出变化值与被测量的变化值之比。,分辨率,检测出被测量的最小变化值。,误 差,检测值与被测量的真实值之差。,重复性,重复测量时，测量结果的一致性。,过 载,允许检测被测量的最大值。,可靠度,规定条件下，传感器正常工作的可能性。,线性度,输入,/,输出曲线与其拟合直线之间的偏差度。,响应时间,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(如95)时所需的时间。,低油位报警器,油位传感器,部分汽车传感器的实物图片,水温传感器,汽车用压力传感器,热膜式汽车空气流量传感器,热线式汽车空气流量传感器,节气门阀体总成,节气门位置传感器,凸轮轴传感器,曲轴位置传感器,汽车氧传感器,汽车爆震传感器,汽车超声传感器,2.3.1 汽车电子控制单元的,主要功能,1) 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；,2) 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；,4) 输出控制执行指令、故障信息；,5) 自我修正功能（自适应功能）。,2.3 汽车电子控制单元（,ECU,）,ECU,的实物图片,ECU,的实物图片,ECU 主要由,输入接口,、,微处理器,和,输出接口,的组成。,传感器,传感器,A / D,转换器,A / D,转换器,信 号,放大器,微,处,理,器,输,出,驱,动,基准电压,调 节 器,存储器,2.3.2,ECU,的组成,2）微处理器,微处理器即单片机，有8位、16位、32位。,1,通用单片机,2,专用单片机,1）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。,1,模拟信号处理：,放大、量程变换、,A/D,转换。,2,数字信号处理：,放大、整形。,3）存储器,1,随机存取存储器（,RAM,）,2,只读存储器（,ROM,）,3,可编程只读存储器（P,ROM,）,4,可保持存储器（P,AM,）,4）输出接口电路,D/A,转换、输出信号变换、电压放大或电流放大。,功能：,执行元件根据ECU输出的控制信号执行相,应的预定动作。,执行元件根据驱动的能量不同可分为三类：,2.4 汽车电子控制系统中的执行元件,执行元件,应 用 场 合,电 动,执行元件,受汽车电源功率的限制，用于执行功率不大场合；,如电磁阀门类,液 压,执行元件,用于执行功率较大、且对于执行元件尺寸要求较小的场合；,如轿车的制动系统,气 动,执行元件,用于执行功率较大、且对于执行,元件尺寸要求不严的场合；,如卡车的制动系统,2.4.1 电动执行元件,执行元件,使用,电源,执行量,特 点,电动机类,直流电动机,直流电源,转速,调速性好、启动转矩,大、响应较快。,侍服电动机,直流电源,角位移,或位移,启动转矩大、响应快。,步进电动机,脉冲电源,角位移,或位移,直接实现数字控制，,控制性能好。,电磁力类,直接执行,直流电源,位移,结构简单、可靠，功率较小、运动距离小,间接,执行,直流电源,位移,电磁力驱动油压、气压控制阀,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。仅应用于电动门锁、电磁阀门功率较小、运动距离小场合。,电,-,液压、电,-,气动执行元件,是以电磁力驱动油压、气压控制阀，可获得较大的功率。但其结构复杂，广泛应用于汽车的,行驶、转向、制动、悬架,方面。,电-液压、电-气动执行元件,2.4.2 汽车执行元件的性能要求,3）可靠性和安全性,使用寿命长、安全、噪声低。,1）输入、输出性能,能实现细微的控制、响应快、足够的输出功率。,2）环境的适应性,耐高温、低温、振动、冲击、潮湿、盐雾、腐蚀的恶劣环境。,4）经济性,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。,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,其它执行元件,电动输油泵,电动燃油泵,电动燃油喷射泵,共轨高压泵,电动空气泵,电动节气门(又称电子油门),电动雨刮器,冷却风扇,电磁喷油器,液压电磁阀,气动电磁阀,燃油切断阀,炭罐控制阀,压缩机电磁离合器,共轨压力控制阀、,排气再循环控制阀,点火线圈,三效催化器加热执行元件,炽热塞,电动输油泵,电动燃油喷射泵,全世界燃油喷射系统(喷油器)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。,电磁喷油器,2.5 汽车电子控制系统中的控制理论,2.5.1 汽车电子控制理论,控制理论是,编制和优化控制软件的,理论基础,，是汽车电子技术中的,难点,和,重点,。,1.被控对象的特性分析,1) 静态特性分析：静态输入/输出特性；,2) 动态特性分析：动态输入/输出特性；,微分方程或差分方程；,对象的模型辩识；,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。,设计控制系统时，首先进行,系统辨识,，建立,数学模型,，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，一般采用,实验方法,找出系统的,模型特征,和,参数,。,实验（经验）,模型,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，,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。,系统辨识,2.自动控制理论简介,控制理论的发展也经历了,经典控制理论,、,现代,控制理论,和,智能控制理论,三个阶段。自动控制系统,可分为,开环控制系统,和,闭环控制系统,。,1)开环控制系统,开环控制系统是指被控对象的输出,(,被控制量,),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。,控制器,执 行机 构,被 控对 象,r,(,t,),d,(,t,),y,(,t,),u,(,t,),开环控制系统的输出,y,(,t,),产生偏差时，不能及,时予以纠正。,闭环控制系统是,指,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。,闭环控制系统又称为有反馈控制系统。,2)闭环控制系统,传感器,控制器,执 行,机 构,被 控,对 象,y,(,t,),r,(,t,),e,(,t,),u,(,t,),d,(,t,),b,(,t,),闭环控制系统的输出,y,(,t,)产生偏差时，控制器,能根据偏差对系统的输出予以纠正。,参 数,定 义,被控制量,y,(,t,),被控对象需要控制的参数，也称为控制系统的输出。,给 定 值,r,(,t,),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。,反 馈 量,b,(,t,),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。,误差/偏差,e,(,t,),给定值与反馈量差值，,e,(,t,) ,r,(,t,) ,b,(,t,),控 制 量,u,(,t,),控制器根据误差,e,(,t,) 的输入，经 过预先设计控制算法得出的控制输出量。,执行元件,输 出 量,d,(,t,),执行元件根据控制量,u,(,t,) 的输入，产生的功率输出量。,3)闭环控制的参数,4) 反馈控制的主要过程,1,测量,：测量被控制的变量,y,(,t,)，获得,反馈量,b,(,t,),；,2,比较,：测量值,b,(,t,)与给定的期望值,r,(,t,)比较，得到,误差,或,偏差,e,(,t,),;,3,控制,：控制器根据该误差,e,(,t,)的大小、变化产生,控制输出量,u,(,t,),；,4,执行,：执行器根据控制输出量,u,(,t,)产生,功率输出,量,d,(,t,),，以纠正系统的偏差。,系统的,控制精度,取决于,测量环节,；,系统的动态控制质量取决于控制器的,控制算法,。,主要包括四个过程：,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,过程,。,2,给定装置,：,设置,被控装置或过程,需要控制参数,的,期望值,的,硬件,或,软件,。,3,传 感 器,：,测量,被控对象,需要控制的参数,的,装置,。,4,控 制 器,：针对系统的偏差，按,特定的,控制算法,获得,控制输出,量的,硬件,或,软件,。,5,执行机构,：根据,控制输出量,产生,功率输出量,的,装,置,。,一个阶跃输入,r,(,t,) 加到闭环系统上时，系统的输出,y,(,t,)。,t,s,t,r,(,t,),y,(,t,),1,t,r,t,p,t,s,t,e,(,t,),1,t,r,系统输出的误差曲线：,e,(,t,),r,(,t,)-,y,(,t,),6,),阶跃响应,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。,1,稳定性,（,稳,）,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,，从阶跃响应上看应该是,收敛的,稳定状态,。,2,动态指标,（,快,）,系统的瞬态响应或过渡过程的快速性，通常用,上升时间,t,r,、调节时间,t,s,和,超调量,定量描述。,3,静态指标,（,准,）,控制系统的准确性、控制精度，通常用,稳态误差,e,ss,来描述，,PID控制器作为最早实用化的控制器已有60 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。,1）,PID,( 比例-积分-微分) 控制,2.5.2,PID,控制算法,PID,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,有系列化产品。,当对一个系统和被控对象不完全了解不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，,PID,控制是最适合用技术之一。,PID 控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入,e,(,t,) 与输出,u,(,t,) 的关系为：,传感器,积分,执 行机 构,被 控对 象,e,(,t,),r,(,t,),u,(,t,),y,(,t,),d,(,t,),b,(,t,),微分,比例,+,+,PID,PID,控制，,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，但比例控制是必不可少的。,实际应用中也有只用,PI,或,PD,控制。,PID,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。,PID 控制器使用中只需设定三个参数比例增益,k,p,、积分增益,k,i,和微分增益,k,d,即可。,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；,与输入信号的积分成正比关系；,与误差的变化率成正比关系；,特点,其控制输出取决于,误差当时刻,的状态；,其控制输出取决于,误差过去历史,的状态；,其控制输出取决于,误差将发生变化,的状态；,优点,控制作用及时；,消除稳态误差；,预测误差变化，,减小,振荡；,缺点,单独比例控制，存在稳态误差；,积分作用太强，会产生振荡；,微分,作用太强，,输出响应缓慢 ；,2） 比例、积分、微分控制的比较,模糊控制的基本方法：,1,将精确量模糊化；,2,将模糊变量分解成模糊子集；,3,构造模糊控制规则；,4,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。,2.5.3.模糊控制算法,模糊控制系统也是以,模糊数学、模糊语言,和,模糊逻辑推理,为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。模糊制在汽车的,制动控制系统,、,变速控制系统,、,悬架控制系统,以及,巡航控制系统,有所应用。,t,s,t,r,(,t,),y,(,t,),1,t,r,t,p,2）模糊控制规则,d(t)=k,g,u(t),IF,y,(,t,)很小时， 即,e,(,t,)很大,THEN,u,(t)应很大,IF,y,(,t,)接近给定值， 即,e,(,t,)很小,THEN,u,(t)取,适当值,IF,y,(,t,)超过给定值， 即,e,(,t,)为负,THEN,u,(t)取小,IF,y,(,t,)超过给定很多， 即,e,(,t,)为负大,THEN,u,(t)取0,适当值：对应近似,平衡功率的,u,e,t,s,t,e,(,t,),1,t,r,系统输出的误差曲线：,e,(,t,),r,(,t,)-,y,(,t,),0,IF,e,=0+且,e,= 0-,THEN,u,=u,e,IF,e,=0-且,e,= 0+,THEN,u,=u,e,0,0,0,IF,e,=0+且,e,= 0+,THEN,u,=u,e,+,u,IF,e,=0 -且,e,= 0 -,THEN,u,=u,e,-,u,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,u,max,u,max,u,max,u,max,u,max,u,max,u,max,U,max,-,正中,正小,0正,u,e,-,u,u,e,0负,u,e,u,e,-,u,负小,负中,负大,0,0,0,0,0,0,0,0,e,e,IF,y,(,t,) 或,e,(,t,)状态已知,THEN,控制决策：给出,u,(t),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算法。,1） 性能指标描述：提出,目标函数,2） 控制系统中最优控制的设计方法主要有：,1,极大（小）值原理,2,动态规划,3）实现最优控制的前提是必须获得控制系统的数学模型，提出合理的目标函数。这是最优控制在很多情况下难以得到应用的主要原因。,最优控制,在汽车控制系统中的,电子控制悬架系统,有所应用。,2.5.4 最优控制,自适应控制是能适应系统的参数发生较大变化的一种控制算法。,1）自适应控制有两个分支：,1,参考模型自适应控制,2,自校正自适应控制,2）实现自适应控制的前提是必须提出,合适的参考模型（参考模型自适应控制),，或者能,实时辨识控制系统的模型参数（自校正自适应控制）,。,自适应控制,在汽车控制系统中有一定的应用，如发动机空燃比控制。,2.5.5 自适应控制,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,辟了新途径。,1)用于控制的人工神经网络的特点,1,并行分布处理,：具有高度的并行结构和并行实现能力，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,： 这一特性给非线性控制问题带来新的希望。,3,通过训练进行学习,： 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规则难以处理的控制过程问题。4,适应与集成,。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、大规模和多变量系统的控制。,2.6.1综合控制的原则,1.改善性能、2.消除干扰、3.增加功能、,4.相辅相成 5.共同使用,2.6 汽车综合控制,2.6.2综合控制的分类,1.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，集成为动力传动系统的综合控制(,PCM,)。,2.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、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（,UCC,）。,3.整车综合控制系统,以四轮驱动为核心，将,电子控制燃油喷射(EFI)系统、自动变速器(ECT)系统、悬架控制系统、,ABS,、牵引力控制系统(,TCS,)、驱动防滑控制系统(,ASR,)综合在一起进行控制。,