汽车电子控制技术基础讲义课件

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1、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,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。,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

2、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。,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

3、设 计必须满足动态的、不确定的或随机的动态工况。,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；,发动机集中电子控制系统,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

4、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,传感器的其它分类方法,力

5、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,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,低油位报警器,油位传感器,部分汽车传感器的实物图片,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

6、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。,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

7、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（PROM） 4 可保持存储器（PAM）,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,2.4.1 电动执行元件,直接以电磁能为动力的执行元件，其优点是结构简单、可靠，缺点是功率较小、运动距离小。仅应用于电

8、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,电动输油泵,电动燃油喷射泵,全世界燃油喷射系统(喷油器)几

9、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）

10、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。,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

11、。 闭环控制系统又称为有反馈控制系统。,2)闭环控制系统,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。,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

12、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)。,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

13、程的快速性，通常用上升时间 tr 、调节时间 ts 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ess 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

14、(t) 与输出 u(t) 的关系为：,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kp、积分增益ki 和微分增益kd 即可。,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

15、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。,2）模糊控制规则,d(t)=kg 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 ue,3）模糊控制规则表,e,e,IF y(t) 或e(t)状态已知

16、 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