汽车电子控制技术基础讲义课件

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1、,,,,,,,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

2、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

3、、,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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、,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,,N·m,,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,

9、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

10、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,,

11、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

12、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；,,

13、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

14、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

15、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

16、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、

17、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

18、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

19、,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,(,

20、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,(,

21、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

22、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

23、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：,

24、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

25、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

26、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

27、,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

28、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

29、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

30、,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

31、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

32、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

33、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。,,,