汽車電子控制技術(shù)基礎(chǔ)

汽車電子控制技術(shù)基礎(chǔ)第1頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉豐田車的電控系統(tǒng)實(shí)例第2頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉三、汽車控制用ECU

(一)主要功能

(1)接受傳感器或其他裝置的輸入信號(hào)

(2)給傳感器提供參考電壓：如2v、5v、9v或2v。

(3)存儲(chǔ)、計(jì)算、分析處理信息，存儲(chǔ)運(yùn)行信息和故障信息，分析輸入信息并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

(4)輸出執(zhí)行命令，把弱信號(hào)變?yōu)閺?qiáng)信號(hào)的執(zhí)行命令。

(5)輸出故障信息。

(6)完成多種控制功能。第3頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉(二)ECU的組成ECU一般由輸入接口、微處理器和輸出接口組成，如圖2-2所示。

1．輸入接口電路

輸入接口電路，主要是完成外部傳感器與微處理器之間的信息傳遞。主要是對(duì)傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，使輸入信號(hào)變成微處理器可以接受的信號(hào)。因?yàn)檩斎胄盘?hào)有兩類：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，所以分別有相應(yīng)的輸入電路進(jìn)行處理。第4頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉(1)模擬信號(hào)的處理信號(hào)若信號(hào)很弱，則需要進(jìn)行放大。然后進(jìn)行模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換若信號(hào)不是很弱，而且在A／D所設(shè)定的量程范圍內(nèi)，可直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。若超過了A／D轉(zhuǎn)換器的量程，則需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，使其不超過A／D的量程范圍。圖2-3顯示了A／D的工作過程。第5頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉(2)數(shù)字信號(hào)的輸入。主要是來自轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)和活塞上止點(diǎn)參考信號(hào)，它們都是脈沖信號(hào)。經(jīng)過處理之后，通過I／O接口可直接送入微處理器。一般要設(shè)置放大電路和脈沖信號(hào)整形電路。

2．微處理器目前汽車上用的微處理器主要是8位單片機(jī)或16位單片機(jī)，現(xiàn)在一些轎車上開始使用32位單片機(jī)。第6頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉單片機(jī)是指將CPU、RAM／ROM、I／O接口、定時(shí)／計(jì)數(shù)器等元件集成在一塊芯片上所形成的芯片級(jí)計(jì)算機(jī)。如流行的MCS一51系列單片機(jī)外形如圖2-4所示。單片機(jī)具有小型化、功能強(qiáng)、可靠性高、價(jià)格低、性能價(jià)格比高和功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在汽車的實(shí)時(shí)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。一般采用通用的單片機(jī)，如IntelMCS8048，8049，8032，MotorolaMC6802，RCAl802等8位機(jī)及IntelMCS809716位機(jī)。也用到一些專用單片機(jī)，它是為某一領(lǐng)域或特定商品而開發(fā)設(shè)計(jì)的，其內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或指令系統(tǒng)都是特殊設(shè)計(jì)的(甚至內(nèi)部已固化好程序)，如Siemens80C166，80C196KB，80535等單片機(jī)。第7頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉3．輸出接口電路輸出接口電路將ECU與執(zhí)行元件聯(lián)系起來。它將ECU作出的決策指令轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?hào)來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件進(jìn)行工作，它起著控制信號(hào)的生成與放大等功能。常見的輸出執(zhí)行元件通常是一些繼電器、電磁線圈或顯示器等。如圖2-9是噴油器的驅(qū)動(dòng)電路，在該電路中設(shè)置有功放集成電路模塊LM324。它具有兩個(gè)功能：一是增強(qiáng)輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能量，為大電流功放管提供足夠的基極電流；二是在數(shù)字電路與模擬電路之間形成器件隔離，以抑制干擾。第8頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉四、執(zhí)行元件執(zhí)行元件的任務(wù)是根據(jù)ECU輸出的控制信號(hào)執(zhí)行某種相應(yīng)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)某種預(yù)定的功能。如燃油噴射控制中的噴油器和電動(dòng)油泵、點(diǎn)火控制中的點(diǎn)火線圈、怠速控制中的步進(jìn)電機(jī)、自動(dòng)變速器控制中控制換擋的電磁閥、空調(diào)控制中的壓縮機(jī)或電磁離合器等。各種控制系統(tǒng)中執(zhí)行元件的使用情況如表2-2所示。第9頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉第二節(jié)在汽車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用一、克萊斯勒汽車電腦

1987年前，克萊斯勒電噴汽車上有兩個(gè)電腦：一個(gè)邏輯模塊(如圖2-10所示)和一個(gè)動(dòng)力模塊(如圖2-11所示)。大多數(shù)輸入信號(hào)都接人邏輯模塊，在邏輯模塊中進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，然后將指令送給動(dòng)力模塊。動(dòng)力模塊中主要有執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)電路，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器進(jìn)行工作。從1987年度開始，把邏輯模塊與動(dòng)力模塊聯(lián)合成一個(gè)單模塊發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，被稱為“動(dòng)力控制模塊PCM”(如圖2-12所示)。該模塊具有自適應(yīng)能力，且處理信息和完成輸出的速度比邏輯模塊和動(dòng)力模塊快。第10頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉從1990年開始，由于電噴系統(tǒng)采用低阻型噴油器，它的工作電流比較大，驅(qū)動(dòng)電路要用較大的散熱器進(jìn)行冷卻，并讓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流過計(jì)算機(jī)，以更好地冷卻噴油器驅(qū)動(dòng)電路。到1992年，克萊斯勒公司采用高電阻噴油器，電流降低了，無需配置大散熱器了，計(jì)算機(jī)體積減小，同時(shí)也不需要用進(jìn)氣氣流進(jìn)行冷卻了。第11頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉二、通用汽車電腦1986年以前，動(dòng)力控制模塊稱為160b／s計(jì)算機(jī)。從1986年度開始的車型，通用汽車公司采用P4型計(jì)算機(jī)，其波特串是8192。某些1995年生產(chǎn)的通用公司汽車，用整車控制模塊VCM(如圖2-13)代替了動(dòng)力控制模塊。整車控制模塊執(zhí)行原有的動(dòng)力控制模塊和制動(dòng)防抱死模塊的功能。

GM的動(dòng)力控制模塊包含一個(gè)或多個(gè)可拆卸的芯片，位于計(jì)算機(jī)的檢修板下。某些波特率160的動(dòng)力控制模塊有兩個(gè)可拆卸的芯片，一個(gè)可編程的只讀存儲(chǔ)器和一個(gè)標(biāo)定軟件包一CAIJAK，如圖2-14所示。第12頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉可編程只讀存儲(chǔ)器含有一些控制該汽車運(yùn)行的專門信息，如點(diǎn)火提前控制程序等。備用的供油程序裝在標(biāo)定的軟件包芯片中。假如控制燃油供給的正規(guī)芯片出了故障，標(biāo)定軟件包程序便可取而代之。在此情況下，燃油供給可能不精確，但汽車仍然可以行駛。在P4型計(jì)算機(jī)中，可編程只讀存儲(chǔ)器和標(biāo)定軟件包芯片合成一個(gè)“存儲(chǔ)一標(biāo)定”

(MEMCAL)芯片，如圖2-15所示。某些通用汽車目前裝用新一代P6型計(jì)算機(jī)。第13頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉三、日產(chǎn)公司汽車電腦在許多日產(chǎn)公司的汽車中，動(dòng)力控制模塊有三個(gè)導(dǎo)線束接線插座，一個(gè)15路，一個(gè)16路，一個(gè)20路。動(dòng)力控制模塊位于儀表板下面。其側(cè)面有兩個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)電控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，這兩個(gè)二極管以發(fā)光閃爍的方式提醒駕駛員，如圖2-16所示。第14頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉第三節(jié)汽車控制理論的基本概念根據(jù)不同的分類方法，控制系統(tǒng)有如下幾類：一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)

(一)開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒有影響，則稱作開環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，給定一個(gè)輸入量，便產(chǎn)生一個(gè)固定的輸出量與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)(如圖2-17所示)。由于該系統(tǒng)沒有自動(dòng)修正控制偏差的能力，系統(tǒng)控制的精度便取決于系統(tǒng)校準(zhǔn)的精度。當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)的參數(shù)在控制中發(fā)生了變化或系統(tǒng)受到了外界的干擾，系統(tǒng)控制的精度就會(huì)變差。第15頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉但由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低，適用于控制精度要求不高、外界擾動(dòng)較小的情況。電動(dòng)汽油泵工作的控制、冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制等均采用開環(huán)控制。

(二)閉環(huán)控制閉環(huán)控制又稱反饋控制，其控制結(jié)構(gòu)如圖2-18所示。該控制系統(tǒng)將輸出信號(hào)通過反饋環(huán)節(jié)在輸入端與輸入信號(hào)進(jìn)行比較。若信號(hào)相加，稱為“正反饋”；若信號(hào)相減，稱為“負(fù)反饋”，負(fù)反饋的應(yīng)用較多，修正了系統(tǒng)控制的誤差。對(duì)內(nèi)部參數(shù)的改變和外界的干擾不敏感，這樣提高了系統(tǒng)的控制精度。采用閉環(huán)控制的很多，如怠速控制、空燃比控制、自動(dòng)空調(diào)的溫度控制等。第16頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉(三)復(fù)合控制系統(tǒng)

為進(jìn)一步提高反饋控制系統(tǒng)的性能，有些控制系統(tǒng)在反饋控制的基礎(chǔ)上，還附加有前饋控制器，如圖2-19所示。這類控制系統(tǒng)稱為復(fù)合控制系統(tǒng)，其目的是克服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差。

燃油噴射開環(huán)控制：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電腦根據(jù)系統(tǒng)中各個(gè)傳感器的信號(hào)，經(jīng)過處理，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)所處的運(yùn)行工況，再根據(jù)保存在ROM中的噴油脈諧圖，計(jì)算出最佳的噴油量，

第17頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉燃油噴射閉環(huán)控制：在排氣管上安裝一個(gè)氧傳感器，如圖2—20所示。該傳感器可根據(jù)排氣中氧氣的含量，判斷混合氣的濃度。若氧含量大，說明混合氣稀，應(yīng)增大噴油量；反之，應(yīng)減少噴油量。反饋環(huán)節(jié)將檢測(cè)出的反映空燃比的信號(hào)反饋到電腦，與設(shè)定的目標(biāo)空燃比進(jìn)行比較，得出誤差信號(hào)，并把此誤差信號(hào)作為輸入信號(hào)再次輸入，從而修正了控制所產(chǎn)生的誤差。所以燃油噴射的閉環(huán)控制可以達(dá)到較高的控制精度，同時(shí)可以消除因產(chǎn)品制造差異或磨損、老化等原因引起的性能變化，工作穩(wěn)定性好，抗于擾能力強(qiáng)。

第18頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉三、連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)

若輸入量和輸出量都是時(shí)間連續(xù)函數(shù)的系統(tǒng)，稱為連續(xù)系統(tǒng)。在連續(xù)系統(tǒng)中，信號(hào)在全部時(shí)間上都是已知的。若系統(tǒng)中信號(hào)有一處或一處以上為離散時(shí)間函數(shù)，稱為離散系統(tǒng)。在離散系統(tǒng)中，信號(hào)僅定義在離散時(shí)間上。四、確定與不確定系統(tǒng)

若系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和輸入量都是確定的、已知的系統(tǒng)，稱為確定系統(tǒng)。反之，當(dāng)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)或參數(shù)以及作用于該系統(tǒng)的信號(hào)有不確定性或模糊性時(shí)，則系統(tǒng)為不確定系統(tǒng)?，F(xiàn)實(shí)的工程系統(tǒng)，多為不確定系統(tǒng)。

第19頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉第四節(jié)控制理論在汽車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用汽車控制技術(shù)是建立在自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)上的。目前汽車上采用的主要控制理論如下：一、PID控制

PID(比例、積分、微分)控制屬于經(jīng)典控制理論的范疇，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最廣泛的一種控制方式。它最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要了解被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)節(jié)控制參數(shù)，即可取得滿意的結(jié)果。不足之處是對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化比較敏感。PID可由硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可由計(jì)算機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)，后者也叫“數(shù)字PID調(diào)節(jié)器”。由于參數(shù)變化可靈活調(diào)整，因此應(yīng)用十分廣泛。第20頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉二、最優(yōu)控制最優(yōu)控制是所選的系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的一種控制方法。系統(tǒng)性能指標(biāo)是根據(jù)工作要求選定的。例如，對(duì)遠(yuǎn)距離航行的飛行器，選取燃料消耗量作為系統(tǒng)性能指標(biāo)；對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，則選取定位誤差的均方值最小為系統(tǒng)性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)中，最優(yōu)控制的設(shè)計(jì)方法主要有極大(小)值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。目前最優(yōu)控制在汽車電控懸架的控制中比較常見。

第21頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉三、自適應(yīng)控制汽車電控系統(tǒng)是隨汽車的行駛而不斷運(yùn)行的系統(tǒng)，因此，控制系統(tǒng)應(yīng)能隨時(shí)根據(jù)這種變化采取相應(yīng)的措施，自適應(yīng)控制就是解決這個(gè)問題的。目前，自適應(yīng)控制有兩個(gè)主要分支：參考模型自適應(yīng)控制和自校正自適應(yīng)控制。如在發(fā)動(dòng)空燃比控制中，氧傳感器裝在排氣管內(nèi)，由于高溫和污染的工作環(huán)境，使氧傳感器很容易老化，從而引起測(cè)量誤差。采用自適應(yīng)控制可以將氧傳感器的輸出信號(hào)與儲(chǔ)存在控制單元中的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以確定是否老化和老化的程度。若老化，則通過選用適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。第22頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉四、模糊控制模糊控制是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種特殊形式，具有處理模糊信息的能力。要研制智能化的汽車離不開模糊控制技術(shù)。現(xiàn)在，已經(jīng)出現(xiàn)了許多商品化的模糊組件，通過裝載推理軟件或推理芯片來實(shí)現(xiàn)各種不同的功能。在汽車的制動(dòng)裝置系統(tǒng)、變速控制、車身彈性緩沖系統(tǒng)及巡航控制系統(tǒng)等部件中，已經(jīng)廣泛地使用模糊技術(shù)。第23頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月重慶大學(xué)機(jī)械學(xué)院汽車系張偉五、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所謂人工