汽车控制技术复习.docx
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汽车控制技术复习
1车辆控制技术总论
1.1车辆控制技术内容及其发展背景
控制系统：
依靠调节能量输入的方法使某些物理量受到控制的系统。
通常，控制系统由控制器、受控对象、反馈测量装置等部分组成。
要求控制系统具有稳定性、快速性、准确性。
机控制系统基本组成部分：
完整的计算机系统包括硬件系统（控制计算机、传感器以及变送器）和软件系统，硬件系统是计算机的躯干，是物质基础，软件系统则是建立在这个躯干上的灵魂。
功能:
进行信号的传递、分析和比较；
计算机控制过程：
实时数据采集、实时控制决策、实时控制输出和信息管理。
车辆控制技术硬件系统的组成：
信号采集单元、控制单元和执行器。
（1）号采集部分（传感器）:
输入信号的测量装置，主要作用是将所测量物理量转换为电信号。
（2）控制单元（ECU）:
能够对传感器的各种输入信号进行分析处理，并按照预先设定的程序，对执行器输出控制信号。
（3）执行器:
输入信号的测量装置，主要作用是将所测量物理量转换为电信号。
车辆控制技术分类：
电子控制装置（机电结合）、车载电子装置（独立电子装置）
发展趋势：
1）传感器向智能化方向发展：
智能传感器（将传感器本身和信号处理部分进行集成）2）微处理器的性能大大提高3）软件技术的不断替身4）集成化技术在车辆控制上面的进一步应用5）汽车网络技术的飞速发展（线控技术、智能交通系统以及一些相关的车载设备等等）
2车辆控制硬件设计技术
2.1车用传感器
概念：
能感受规定的被测量，并按一定规律转换成可输出信号的器件或装置。
组成：
敏感元件、转换元件和测量电路
信号输出形式：
模拟输出信号：
电流、电压、频率、周期、脉宽和占空比
离散输出信号：
二进制码、模拟编码或数字编码
静态特性：
表示传感器在被测物理量各个值处于稳定状态时的输出—输入关系。
一般情况下，衡量传感器的静态特性的重要指标是：
线性度、迟滞、重复性和灵敏度。
线性度：
在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差（ΔYmax）与满量程输出（Y）的百分比
迟滞：
传感器在正（输入量增大）或负（输入量减小）行程期间输入输出曲线不会重合的程度
重复度：
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度
灵敏度：
指其校准曲线的斜率，输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比
热敏电阻式温度传感器原理：
测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。
电路：
磁电式转速传感器原理：
利用感应原理在线圈的两端产生电压，即当铁磁齿轮在永磁铁附近旋转时，通过线圈的磁力线发生变化，在线圈中就会产生感应电压。
感应电压与磁通的变化率成正比。
UA为感应电压；z为感应线圈匝数；
为磁通量
氧传感器原理：
在一定条件下（高温和铂催化），利用氧化皓内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。
电路：
2.2车用执行器
分类：
1）按实现机械运动的形式：
直行式和旋转式2）按具体的结构：
电磁线圈、微电机和压电元器件3）操纵方式：
液压操纵、电气操纵和气压操纵。
2.3车用微控制器及其接口技术
ECU功用：
根据电子控制器内存储的程序对传感器输入的各种信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，控制有关执行器的动作，达到快速、准确、自动控制被控部件工作的目的。
最小系统：
是指让MCU能够独立运行的基本硬件系统。
由电源、时钟、复位电路、程序存储器、数据存储器组成，没有任何信号线的连接,只有电源到主板的电源连接。
信号处理电路：
输入信号处理电路：
模拟信号处理电路
开关信号处理电路
频率信号
输出接口电路：
为了防止产生干扰，控制电路和驱动电路之间采用了电源隔离。
用光电隔离器件TLP521实现了数字电路同驱动电路之间的电源隔离，有效地防止了外部干扰的引入。
控制喷油器输出电路
3车用总线及协议
车用总线的特点：
1汽车网络系统要求可靠、廉价，提高电子系统的可靠性；
2范围小、节点数少，多数应用要求传输速率要求不高；
3改善车辆设计和配置的灵活性；
4利于车辆的动力性、排放性、操作性、经济性和安全性的改善。
分类：
类别
对象
传输速度kb/s
应用范围
A
面向传感器/执行器控制的低速网络
<10
灯光照明、电动门窗、座椅调节等系统
B
面向独立模块间数据共享的中速网络
10~125
车辆电子信息中心、安全气囊、故障诊断、仪表显示等系统
C
面向高速、实时闭环控制的高速传输网
125~1000
牵引控制、先进发动机控制、悬架控制、ABS控制等系统
CAN分层结构：
遵循OSI参考模型
1传输层：
CAN协议的核心，把接收到的报文提供给对象层，并接受来自对象层的报文
2物理层：
在不同节点间根据所有的电气属性进行位信息的实时传输，同一网络内，物理层对所有节点必须是相同的
3对象层：
功能是报文滤波以及状态和报文的处理
CAN控制器：
CAN控制器的作用：
1）有微处理器接口，易于连接单片机2）完成CAN规范所规定的物理层和数据链路层大部分功能3）结构分两种类型：
独立的IC或者与单片机集成在一起。
CAN收发器：
（也就是协议控制器）的作用1）是CAN协议控制器和物理总线间的接口，主要是为汽车中的高速通信应用而设计的。
2）对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接受能力。
SAEJ1939协议：
SAEJ1939协议是由美国汽车工程师协会——卡车和公共汽车电气电子委员会下的卡车和公共汽车控制和通讯网络分委员会制定的高层CAN网络通讯协议。
各层协议的功能
物理层：
规范包含SAEJ1939-11（物理层，250Kbits/s，屏蔽双绞线）、SAEJ1939-15（简化的物理层，250Kbits/s，非屏蔽双绞线）和SAEJ1939-13（物理层，离线诊断连接器）三部分。
其中SAEJ1939-11和SAEJ1939-15给出了物理层为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线时的网络物理描述、功能描述、电气规范、兼容性测试、总线错误讨论。
而SAEJ1939-13（物理层，离线诊断连接器）则定义了离线诊断连接器的通用需求、性能需求和物理需求。
数据链路层：
在物理层之上提供了可靠的数据传输功能。
通过数据链路层的组织，发送的CAN数据帧具有必需的同步、顺序控制、错误控制和流控制等功能。
网络层：
SAEJ1939的网络层定义了网络互联ECU的需求和服务，它们负责不同SAEJ1939网络段之间的互联。
应用层：
详细定义SAEJ1939协议应用层所用到的SPN（可疑参数编号）和PGN（参数组）。
该层包含管理功能和所采用的支持应用的机制。
在应用层技术要求中，对报文格式、ISO拉丁字符集、参数范围、传输重复率、发动机参数的命名规则等方面都有具体的规定和描述。
4车辆电控系统控制理论及软件设计
开环控制：
系统的输出端与输入端之间不存在反馈，也就是控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响。
特点：
优点：
不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制及时。
缺点：
由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差。
闭环控制是控制论的一个基本概念。
指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。
闭环控制，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制，自动控制通常是闭环控制。
特点：
优点：
按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。
缺点：
控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。
PID控制
特点：
经典控制，不需要数学模型，对参数变化敏感。
框图：
比例作用：
迅速反应误差，但不能消除稳态误差，过大容易引起不稳定。
积分作用：
消除静差，但容易引起超调，甚至出现振荡。
微分作用：
减小超调，克服振荡，提高稳定性，改善系统动态特性。
位置式控制算法提供执行机构的位置uk，需要累计ek
增量式控制算法提供执行机构的增量△uk，只需要保持现时以前3个时刻的偏差值即可
增量式算法不需做累加，位置式算法要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累计误差。
增量式算法与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。
PID整定的理论方法
通过调整PID的三个参数KP、TI、TD，将系统的闭环特征根分布在s域的左半平面的某一特定域内，以保证系统具有足够的稳定裕度并满足给定的性能指标。
试凑法
通过观察系统的响应曲线，根据各环节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应.
Kp增大，系统响应加快，静差减小，但系统振荡增强，稳定性下降；
Ti增大，系统超调减小，振荡减弱，但系统静差的消除也随之减慢；
Td增大，调节时间减小，快速性增强，系统振荡减弱，稳定性增强，但系统对扰动的抑制能力减弱。
先比例，后积分，再微分。
临界比例法
对纯比例调节器，形成闭环,逐渐较小比例度δ（δ=1/kr），直到系统发生持续等幅振荡。
纪录发生振荡的临界比例度和周期δr及Tr
阶跃曲线法
①数字控制器不接入控制系统，系统开环，给对象输入阶跃信号
4系统对阶跃信号的响应曲线
5据曲线求得滞后时间τ、被控对象的时间常数Tτ，它们的比值Tτ/τ，
从香农（Shannon）采样定理看，系统采样频率的下限为fs=2fmax
从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短些
从微机的工作量和每个调节回路的计算来看，一般要求采样周期大些
从计算机的精度看，过短的采样周期是不合适的
实际选择采样周期时，必须综合考虑：
—采用周期要比对象的时间常数小得多，否则采样信号无法反映瞬变过程
—采用周期应远小于对象的扰动信号的周期
—考虑执行器的响应速度
—当系统纯滞后占主导地位时，应按纯滞后大小选取，并尽可能使纯滞后时间接近或等于采样周期的整数倍
—考虑对象所要求的控制质量，精度越高，采样周期越短
电动助力转向
电动助力转向系统的组成：
一般由扭矩传感器、电控单元、电动机与电磁离合器、减速器等
与液压动力转向比较的特点：
1能改善汽车的转向助力特性，提高汽车的轻便性和安全性
2只在转向时才提供助力，减少能量消耗
3零件比液压动力转向减少，质量更轻，结构更紧凑，安装位置选择方面也容易，降低噪声
4无液压回路，更容易调整和检测，装配自动化高，缩短开发周期
5不存在渗油，降低保修成本，减少环境污染
6具有更好的低温工作性能
电动助力转向的工作原理：
扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。
扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。
转角-位移变换器是一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移，由刚球、螺旋槽和滑块组成。
滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动，同时滑块通过一个销安装到输出轴上，可以相对于输出轴在垂直方向上移动。
因此，当输入轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂直移动。
当转动方向盘的时候，扭矩被传递到扭力杆，输入轴相对于输出轴方向出现偏差。
该偏差是滑块出现移动，这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变化通过电位计转化为电压。
这样扭矩信号就转化为了电压信号。
CAN性能特点：
传输速率最高可达1Mbps，距离最远可达10km
通信介质选择灵活（双绞线、同轴电缆、光纤）
采用双线差分信号
协议对本身节点的数量没有限制
总线上节点的数量可以改变，组网灵活
短帧结构，传述时间段，受干扰概率低
多主站结构，各节点平等，任一节点可在任一时刻主动发送
非破坏性的基于优先级的总线仲裁
广播发送报文，报文可以被所有节点同事接收
根据需要可进行相关性的报文过滤
保证数据的一致性
3电控悬架
悬架评价的4个指标：
簧上质量加速度、悬架系统动挠度、车轮动载荷、减振器发热功率
悬架按照可控性可分为：
被动悬架、半主动式和主动式
列举主动悬架的控制策略：
天棚阻尼控制、预瞄控制、最优控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制
悬架组成：
弹性元件（弹簧）、阻尼元件（减振器）、导向机构、横行稳定器
主动悬架和半主动悬架的区别：
主动悬架含有动力源，通过作动器对悬架刚度和阻尼实时控制。
半主动悬架只对阻尼进行有限控制，耗能较少。
主动悬架缺点：
结构复杂、可靠性低，能耗大、成本高
悬架刚度大小对悬架性能的影响：
悬架刚度大则动挠度小，从而车体重心变动引起的轮胎负荷变化小，车辆操作稳定性好；但悬架过硬导致汽车对路面干扰敏感，车体加速度大，汽车平顺性差。
悬架刚度小则车辆隔振性好，车体加速度较小，汽车平顺性好；但轮胎负荷变化大，操作稳定性差，悬架击穿概率增大。
采用可控悬架的原因：
传统悬架系统刚度和阻尼式根据经验或优化设计的方法确定的，在汽车行驶过程中无法进行调节，只能满足某种工况最优，不能满足汽车在不同工况和路面下对平顺性和舒适性的要求。
采用可控悬架可根据汽车运动状态和路面状况对悬架刚度和阻尼进行动态调节使悬架系统始终处于最佳减振状态。
独立悬架的类型：
横臂式（单、双）、纵臂式（单、双）、烛式、麦弗逊式、多连杆式、单斜臂式。
4汽油机电控
热线式空气流量计：
该流量计采用等温热线的方式，如图1所示。
图中RH、RK、RA、RB组成惠斯顿电桥的四个臂，将热线RH（通常以铂丝制成）与温度补偿电阻RK（冷线）同置于所测量的通道中，使RH与气流的温差维持在一个水平（通常是100ºC或150ºC）。
当气流加大时，由于散热加快，RH降温阻值变化，电桥失去平衡，这时集成电路会提高桥压使电桥恢复平衡，通常取RA上的压降为测量信号。
燃油供给系统的组成框图：
1、燃油泵：
负责建立起油压、给整个燃油系统供油。
2、燃油滤清器：
负责过滤油泵供给系统的燃油。
3、喷油嘴：
负责给每个气缸供应燃油。
4、燃油油轨：
在恒定压力下，定时定量的喷油，使之雾化，负责分配燃油到每个喷油嘴。
5、油压调节器：
负责将进油管路内的压力保持到一定的范围内，并且将多余的燃油流回油箱。
流量方式的电控燃油喷射系统一般都包括：
空气流量计
检测进入发动机的空气量
水温传感器
检测发动机冷却液的温度
进气温度传感器
检测进气温度
发动机转速、曲轴位置传感器
检测发动机转速和曲轴转角位置
节气门位置传感器
检测发动机节气门开度和怠速状态
启动信号
检测发动机启动状态
氧传感器
检测排气中的氧浓度
大气压力传感器
检测大气压力状态
燃油喷射控制系统的组成：
空气供给系统、燃油供给系统、点火系统、电控系统
ECU组成：
①、电源电路，包括电源过流、过压、极性接反保护，电源滤波、稳压（12V—5V）
②、以微处理器为核心的数字电路
③、信号调理电路（输入电路）
④、输出电路，驱动和一些执行机构故障诊断电路
⑤、A/D转换电路（现代一般集成于微处理器内）输入回路，微处理器，输出回路
ECU功能：
给传感器提供电压，接受传感器和其他装置的输入信号，并转换成数字信号；
储存该车型的特征参数和运算所需的有关数据信号；
确定计算输出指令所需的程序，并根据输入信号和相关程序计算输出指令数值；
将输入信号和输出指令信号与标准值进行比较，确定并存储故障信息。
向执行元件输出指令，或根据指令输出自身已储存的信息；
自我修正功能（学习功能）。
电控系统分类：
按喷射位置分：
A、进气道喷射
B、缸内直喷
按喷射时间分类：
A、同时喷射
B、分组喷射
C、顺序喷射
按空气测量方式分类：
A、质量流量法
B、容积流量法
C、速度-密度法
闭环控制的控制目标是：
A、理论空燃比控制：
优势在于与三肖催化器配合使用，提高净化效果
B、稀薄燃烧控制：
改善燃油经济性的目的。
论述流量方式的电控燃油喷射系统中ECU对燃油量的计算方法
质量流量方式（热线式）:
依据每个工作循环进气量，及给定的目标空燃比所确定的喷射时间：
Tp0=K*（G/n）/（A/F）
式中：
K─与喷油器流量特性、喷射方式及气缸数有关的常数。
论述空燃比反馈控制系统的工作原理以及与三效催化装置的关系
工作原理：
根据传感器测量的混合气“浓”、“稀”状态调节喷油量，使排气中混合气浓度接近理论混合气，使三效催化转换器具有很高的转换效率。
为了使三效催化器对排气净化处理的效果达到最佳，空燃比控制的设定值只能在14.7附近，因此在车辆行驶的绝大部分时间采用闭环控制，对启动、暖机、加速等过渡工况仍采用开环控制，以确保发动机运行的稳定性。
论述空燃比反馈控制和学习控制的目的以及反馈控制实施的条件
目的：
为使废气催化率达到最佳（90％以上），必然在发动机排气管中安装氧传感器并实现闭环控制。
空然比闭环控制安全高效工作的条件：
1）温度条件。
氧传感器和三原催化装置TWC的温度应大于300度，小于900度
2）燃油条件：
无铅，无铜基润滑油添加剂。
铅中毒
3）发动机原始排放要低。
否则，TWC会高温损坏，转化效率低，空然比控制偏差。
4）排气系统无漏气等现象
汽油机电控技术的未来发展方向主要表现在那些方面
汽油机的电子控制逐渐由单独控制向集中控制和管理系统发展；
未来发展主要围绕提高排放和经济性水平进行；
改善排放：
如进一步改进三原催化装置（缩短起燃时间、提高转换效率）、提高空然比的控制精度；
经济性：
如可变进气系统、VVT、缸内直喷GDI
当代汽油机电控系统的主要控制功能
发动机喷油系统控制：
喷油量（喷油脉宽）、喷油定时、空燃比闭环控制；
发动机点火系统控制：
点火提前角、初级回路闭环时间、电子配电控制、爆震控制；
怠速控制系统：
发动机启动、暖机、起步过渡；
排放控制系统：
废气再循环（EGR）控制、燃油蒸发（FPAV），控制三元催化装置（TWC）；
故障自诊断和“跛行”控制（“回家”电路）；
二次空气喷射；
可变进气系统控制：
可变进气管长度（VL）、可变截面（VD）增压系统控制（VGT、VNT、WateGate）；
可变配气系统VVT：
配气正时、气门升程。
电控燃油喷射系统的组成（空气系统、燃料系统及控制系统三个子系统的组成）
一、空气系统
主系统：
空气滤、空气流量计、节流阀（带传感器）、进气管；
辅助系统：
空气阀、怠速控制执行器、强制曲轴箱通风系统（PCV系统）、燃油蒸发控制系统（EPAV）、EGR等。
二、燃油喷射系统
油箱、电动燃油泵、油轨、喷油器（冷启动喷嘴）、燃油压力调节器、油滤、油管等。
三、控制系统
传感器、ECU、执行机构（喷油器、燃油泵、继电器等）。
汽油机中空燃比精确控制面临的技术问题
传感器的响应延迟、进气歧管产生“过冲”现象、空气测量与喷油位置不同、进气管油膜引起的滞后。
5智能车辆技术
智能的三个层次：
智能感知/预警系统、车辆驾驶系统和全自动操作系统
无人驾驶车辆的两大关键技术：
车辆定位和车辆控制技术
车辆定位技术是无人驾驶汽车行驶的基础，目前常用的技术包括磁导航和视觉导航等。
车辆控制技术是无人驾驶汽车的核心,主要包括速度控制和方向控制等几个部分。
无人驾驶其实就是用电子技术控制汽车进行的仿人驾驶。
通过对驾驶员的驾驶行为进行分析可知,车辆的控制是一个典型的预瞄控制行为,驾驶员找到当前道路环境下的预瞄点,根据预瞄点控制车辆的行为。
目前最常用的方法是经典的智能PID算法,例如模糊PID、神经网络PID等。
无人驾驶车辆的控制体系结构：
无人驾驶车辆的控制体系分为三层，包括环境感知层，决策控制层和操作执行层。
环境感知层包括视觉系统，雷达以及各种车载传感器的数据处理和特征提取。
决策控制层包括自动控制和智能决策两部分，产生相应的控制指令给操作执行层。
操作执行层包括调速机构，转向机构，制动机构和安全警报等一系列执行器，最终实现车辆的无人驾驶。
6传动系统电控
自动变速控制的目标：
①动力性——充分发挥发动机功率潜力，以获得最优的加速性、爬坡能力和平均行驶速度；②经济性——发动机百公里燃油消耗最少；③舒适性——冲击度最小。
自动变速控制的主要功能：
自动选择排挡，完成换挡
自动变速控制的换档规律
单参数换档规律：
1）换档点与油门开度无关，无论油门开度如何变化，只有达到规定的车速时才能换档，这样就不能实现驾驶员的干预换档，即它不能按照驾驶员的意图换档。
2）降档速差大小不变，每个档的行驶车速范围固定不变，它只能保证在某些油门开度下行驶时，才能使车辆的某项性能最佳。
一般为保证动力性，把发动机的最高转速作为升档点，而不考虑对车辆的功率需求情况。
其它油门时达不到这样的车速，也不可能使车辆获得最佳动力性。
因此，使车辆的某项性能最佳只是相对一部分油门开度而言。
3）不能兼顾动力性和经济性的要求。
4）由于换档点与油门开度无关，因此可以减少换档次数。
双参数换挡规律：
1）换档点对应的车速随油门开度的增大而增大，这样大油门时有利于提高车辆的动力性，小油门时有利于改善车辆的经济性。
与单参数换档规律相比，更符合实际驾驶时的换档特性。
2）在满足一定条件下，通过驾驶员急速松开或急速踏下油门踏板，可实现人工干预换档，即可提前升档或降档，能够体现驾驶员的部分意图。
3）在车辆稳定行驶的前提下，能够按照预先设定的动力型或经济型换档规律进行换档，能够满足对车辆最佳动力性或最佳经济性的要求。
4）通过组合型换档规律的设计，可使车辆获得所需的性能。
（a）等延迟型（b）收敛型（c）发散型（d）组合型
换档延迟（降档速差）：
保证换档控制的相对稳定性
有利于减少换档循环
驾驶员可干预换档
通过改变换档延迟，可改变换档点，进行提前升档或降档
AT的特点：
液力传动+机械传动，效率偏低但在越野环境或者是频繁起步的情况下优势突出
AMT的特点：
1）将有级机械传动系统变速自动化，不仅操纵简化省力、而且将提高行车安全性、舒适性和车辆动力性能；2）AMT技术提高了车辆使用寿命，降低了燃油消耗；
CVT的特点：
动力输出不间断，节能性较好。
但无法承载大功率输出，维护成本较高。
（1）
（1）燃油经济性好
（2）动力性好
（3）舒适性好
（4）操控性好
（5）终身免维护
（6）有害气体排放少
DCT的特点：
动力传输连贯，效率较高。
结构复杂，现阶段制造成本较高。
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