汽車電子控制理論基礎(chǔ)

汽車電子控制理論基礎(chǔ)目錄第一節(jié)汽車電子控制技術(shù)的基本概念第二節(jié)汽車電子控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)

第三節(jié)數(shù)字PID控制算法

第四節(jié)模糊控制系統(tǒng)概述思考題第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一節(jié)汽車電子控制技術(shù)的基本概念汽車電子控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1-1所示。其中，控制系統(tǒng)的作用在于按照控制系統(tǒng)的輸入需求，將系統(tǒng)的輸出（或稱：被控變量）調(diào)整或控制到預(yù)定的值。圖1-1汽車電子控制系統(tǒng)的硬件組成從是否采用反饋的角度看，控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩類，而閉環(huán)控制系統(tǒng)又被稱為反饋控制系統(tǒng)。大部分的汽車電子控制系統(tǒng)為反饋控制系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用的需要，也有開環(huán)控制系統(tǒng)。

第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)一、開環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生影響(即無檢測反饋單元)，則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在汽車電子控制設(shè)備中，典型的應(yīng)用開環(huán)控制系統(tǒng)的例子有：后視鏡控制、座位調(diào)整控制、瞬態(tài)空燃比控制。圖1-2開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)二、閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出通過檢測反饋單元返回來作用于控制部分，形成閉合回路，這種控制系統(tǒng)就稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)。圖1-3閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)汽車電子控制設(shè)備中，典型的應(yīng)用閉環(huán)控制算法的情況有：發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速控制、基于空燃比的發(fā)動機燃油噴射控制等。第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)從上圖可見，在汽車電子閉環(huán)控制系統(tǒng)中，包含如下功能模塊：(1)電子控制單元ECU：這是實現(xiàn)控制算法（軟件）的載體，由微控制器構(gòu)成。其中的控制算法根據(jù)被控對象的輸出信號和系統(tǒng)期望的輸入信號之間的誤差采用設(shè)計的控制方法，使被控對象的輸出信號盡可能的接近系統(tǒng)期望的輸入信號。(2)執(zhí)行機構(gòu)：此機構(gòu)把ECU的控制信號輸出動作轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)確的執(zhí)行動作。汽車電控系統(tǒng)中常見的執(zhí)行機構(gòu)有：電動裝置、液壓裝置、氣動裝置等。(3)傳感器裝置：通過各種傳感器裝置測量被控對象的變化信息，以實現(xiàn)對被控對象的精確控制。(4)被控對象：指各種汽車電控系統(tǒng)中對應(yīng)的被控裝置。第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第二節(jié)汽車電子控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)

一、汽車電子控制技術(shù)的基本理論從汽車電子技術(shù)的發(fā)展來看，一個顯著且重要的趨勢是針對汽車電控系統(tǒng)中的不同控制對象，越來越多地引入了自動控制技術(shù)，以滿足各種不同需求。因此，自動控制理論是汽車電子控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 在汽車電子控制技術(shù)中所用到的控制理論涉及到三方面的內(nèi)容：經(jīng)典控制理論；現(xiàn)代控制理論；智能控制理論。

(1)經(jīng)典控制理論主要是研究單輸入單輸出（SISO）的線性定常系統(tǒng)。其主要概念是借助拉普拉斯變換得到傳遞函數(shù)，在此基礎(chǔ)上采用頻率法和根軌跡法設(shè)計控制器；對于離散系統(tǒng)則借助Z變換得到脈沖傳遞函數(shù)，再采用與連續(xù)系統(tǒng)類似的方法進行控制器的設(shè)計。在此領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用最成功的是比例—積分—微分（簡稱：PID）控制。它是一種目前得到廣泛應(yīng)用常規(guī)控制算法，屬于線性控制。此種控制方式的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可以不用被控對象的模型參數(shù)，直接根據(jù)輸出的偏差實施控制。但當(dāng)被控對象比較復(fù)雜時，難以得到滿意的控制效果。第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)(2)現(xiàn)代控制理論而現(xiàn)代控制理論是在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。隨著控制對象越來越復(fù)雜、要求越來越高，不僅需要研究、設(shè)計多輸入、多輸出（MIMO）控制系統(tǒng)，而且還要研究設(shè)計變參數(shù)、非線性、高精度、高效能的控制系統(tǒng)。因此，必須應(yīng)用以矩陣論為基本數(shù)學(xué)工具、以系統(tǒng)狀態(tài)空間為基本分析方法的現(xiàn)代控制理論。采用該理論進行控制時，需要提供被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。盡管現(xiàn)在數(shù)值計算與計算機技術(shù)的發(fā)展，為求解模型參數(shù)提供了有效的方法和工具，但由于這些模型方程中有眾多的參數(shù)需要估計，而求解這些參數(shù)時有往往缺少足夠的信息特征和信息量，因此限制了現(xiàn)代控制理論的有效應(yīng)用。（3）智能控制隨著人工智能理論等方面的發(fā)展，以模仿人的智能實施控制作用的智能控制有了迅速的發(fā)展。目前，比較典型的應(yīng)用是模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。由于智能化是汽車電子控制技術(shù)發(fā)展的方向之一，隨著智能控制理論的發(fā)展和成熟，應(yīng)用智能控制技術(shù)解決汽車電控系統(tǒng)中的復(fù)雜控制問題將會越來越普遍。第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)二、汽車電子控制系統(tǒng)的基本要求和一般設(shè)計方法（一）基本要求汽車電子控制系統(tǒng)作為一種自動控制系統(tǒng)，其目的是使被控對象的控制變量按一定的規(guī)律變化，因此必須具備一定的性能。主要包括：穩(wěn)定性、快速性和精確性。穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是對汽車電子控制系統(tǒng)的一個基本要求?？焖傩裕涸谝笙到y(tǒng)穩(wěn)定得前提下，還要要求被控變量能迅速地按照輸入信號所規(guī)定的趨勢變化，即要求系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度。精確性：除了要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快以外，還要求控制系統(tǒng)的控制精度高。為滿足汽車電子控制系統(tǒng)的基本要求，在進行控制系統(tǒng)設(shè)計時，控制系統(tǒng)和被控對象均應(yīng)在設(shè)計的范疇之內(nèi)，通過將兩者有機的結(jié)合，可使設(shè)計具有更廣的選擇余地和更好的靈活性，所設(shè)計出的系統(tǒng)性能更好。第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)（二）汽車電子控制系統(tǒng)的設(shè)計方法根據(jù)物理或數(shù)學(xué)原理，建立系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，并對此模型進行分析和研究。因而各環(huán)節(jié)到的特性可按系統(tǒng)的整體要求進行匹配和統(tǒng)籌設(shè)計。汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計可參考下述步驟進行：準(zhǔn)備階段：在此階段中，應(yīng)對設(shè)計的對象進行機理分析和理論抽象，明確被控對象的特點及要求；限定控制系統(tǒng)的工作條件及環(huán)境，確定安全保護措施及等級；明確控制方案的特殊要求；確定技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)；制定試驗項目及指標(biāo)。理論設(shè)計：在此階段中，應(yīng)建立被控對象的數(shù)學(xué)模型，把被控對象的控制特性用數(shù)學(xué)表達式加以描述，作為控制方案的選擇和控制器設(shè)計的依據(jù)；確定控制算法及ECU的結(jié)構(gòu)，選擇微處理器、確定存儲器大小等，完成主要軟、硬件設(shè)計以及各種接口的選擇和設(shè)計；確定控制系統(tǒng)的初步結(jié)構(gòu)及參數(shù)，進行系統(tǒng)性能分析、優(yōu)化。由于汽車電控系統(tǒng)的使用環(huán)境較為惡劣，在保證系統(tǒng)主要功能和性能的前提條件下，還應(yīng)對系統(tǒng)的安全性、可靠性、耐久性等給予足夠的重視。實現(xiàn)設(shè)計：在此階段中，應(yīng)完成系統(tǒng)仿真、各種測試工作，最后進行各模塊的組裝。設(shè)計定型：在此階段中，形成各種技術(shù)文件，包括：設(shè)計圖樣、電子元器件明細(xì)表、系統(tǒng)操作程序及說明書、維修及故障診斷說明書及使用說明書等。實際開發(fā)汽車電子系統(tǒng)過程，大多遵循V型模型，而V模型得每個過程步驟或總體模型本身都不僅僅是一次執(zhí)行完成的，而是多次執(zhí)行完成的。在開發(fā)過程的這個點上，系統(tǒng)開發(fā)流程上有三條分支出現(xiàn)：執(zhí)行器/傳感器、控制單元硬件、控制單元軟件。對每個個別分支都還要分別執(zhí)行V模型。圖3-8僅描述了控制單元軟件分支第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第三節(jié)數(shù)字PID控制算法在汽車電子控制系統(tǒng)中，由于被控對象的精確模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費很大的代價進行模型辨識，且難以達到滿意的效果，所以現(xiàn)在常用PID（比例：Proportion，積分：Integrating，微分：Differentiation）控制算法。此算法結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期廣泛地使用中已經(jīng)得到不斷修正和完善。本節(jié)將著重介紹適合于計算機控制的數(shù)字PID控制算法。模擬PID控制器PID控制器的基礎(chǔ)是模擬PID控制器。模擬PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。圖1-5模擬PID控制器結(jié)構(gòu)圖第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控制理論基礎(chǔ)第一章汽車電子控