计算机控制系统在汽车上的应用_李小青.docx

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1、 计算机控制系统在汽车上的应用 宁 波 浙 江 万 里 学 院 !#$#%& 摘 要 ： 简 述 目 前 国 内 外 汽 车 上 应 用 计 算 机 指 令 实 行 控 制 的 主 要 系 统 和 内 容 ， 介 绍 电 控 汽 车 的 发 展 现 状 与 主 要 成 果 及 汽 车 技 术 的 发 展 趋 向 。 关 键 词 ： 计 算 机 汽 车 系 统 控 制 随 着 世 界 汽 车 保 有 量 的 迅 猛 增 长 ，环 境 污 染 日 趋 严 重 ， 石 油 危 机 不 断 发 生 ， 从而 迫 使 人 们 对 汽 车 进 行 严 格 的 排 放 控 制 和 提 出 更 高 的 节 能

2、 要 求 。世 界 各 地 频 频 发 生 的 交 通 肇 事 ， 给 人 们 的 生 命 和 财 产 带 来 极 大 的 威 胁 。 这 不 但 要 求 人 们 提 高 自 身 的 安 全 意 识 ， 更 对 汽 车 行 驶 的 安 全 性 能 提 出 了 高 要 求 。 计 算 机 技 术 的 迅 速 发 展 为 汽 车 技 术 的 改 善 提 供 了 条 件 ， 各 种 车 用 电 控 系 统 应 运 而 生 ， 并 逐 步 发 展 成 为 微 机 集 中 控 制 系 统 。 ! 汽 车 计 算 机 控 制 系 统 原 理 现 代 汽 车 微 机 控 制 技 术 的 理 论 基 础 是

3、现 代 控 制 理 论 。 从 早 期 的 经 典 控 制 到 目 前 的 智 能 控 制 ， 控 制 理 论 在 汽 车 电 控 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 其 中 主 要 有 !# 控 制 、 最 优 控 制 、 自 适 应 控 制 、 滑 模 控 制 、 模 糊 控 制 、 神 经 网 络 控 制 以 及 预 测 控 制 等 。 现 代 控 制 理 论 的 发 展 使 得 电 控 系 统 更 能 适 应 复 杂 的 多 变 量 系 统 、 时 变 系 统 和 非 线 性 系 统 ， 甚 至 对 于 数 学 模 型 不 甚 精 确 的 系 统 也 能 实 施 精 确 有 效 的

4、 控 制 ， 而 这 正 是 汽 车 电 控 得 以 实 现 的 前 提 。 就 其 结 构 而 言 ， 微 机 控 制 系 统 主 要 由 传 感 器 、 电 子 控 制 组 件 $%&( 、 执 行 器 ) 个 部 分 组 成 ， 如 图 * 所 示 。 传 感 器 作 为 输 入 部 分 ， 用 于 测 量 物 理 信 号 ， 包 括 温 度 、 压 力 等 ， 将 其 转 换 为 电 信 号 ； %& 的 作 用 是 接 收 传 感 器 的 输 入 信 号 ， 并 按 设 定 的 程 序 进 行 计 算 处 理 ， 输 出 处 理 结 果 ； 执 行 器 则 根 据 %& 输 出 的

5、电 信 号 驱 动 执 行 机 构 ， 使 之 按 要 求 变 化 。 ! 电 子 控 制 组 件 #$%& %& 以 微 机 为 中 心 ， 包 括 前 置 的 + , # 转 换 器 、 数 字 信 号 缓 冲 器 以 及 后 置 的 信 号 放 大 器 等 。微 机 运 算 速 度 快 、 精 度 高 、 能 实 时 控 制 ， 并 具 备 多 中 断 响 应 等 功 能 。 目 前 除 了 - 位 、 *. 位 微 机 外 ， )/ 位 特 别 是 .0 位 微 机 已 逐 步 开 始 微型机与应用 !# 年 第 $ 期 使 用 。 而 且 ， 不 仅 有 通 用 型 微 机 和 单

6、片 机 ， 专 用 的 汽 车 微 机 也 已 研 制 出 来 。 正 是 微 机 技 术 突 飞 猛 进 的 发 展 促 进 了 汽 车 电 控 技 术 的 不 断 完 善 。 可 以 说 ， 当 前 %& 发 展的 总 趋 势 是 从 单 系 统 单 机 控 制 向 多 系 统 集 中 控 制 过 渡 。不 久 ， 汽 车 电 控 系 统 将 采 用 计 算 机 网 络 技 术 ， 把 发 动 机 电 控 系 统 、 车 身 电 控 系 统 、 底 盘 电 控 系 统 及 信 息 与 通 信 系 统 等 各 系 统 的 %& 相 联 结 ， 形 成 机 内 分 布 式 计 算 机 网 络

7、， 实 现 汽 车 电 子 综 合 控 制 。 !( 传 感 器 汽 车 传 感 器 的 工 作 条 件 极 为 恶 劣 。 因 此 ， 传 感 器 能 否 精 确 可 靠 地 工 作 至 关 重 要 。 近 年 来 ， 在 该 领 域 中 ， 理 论 研 究 及 材 料 应 用 发 展 较 为 迅 速 ， 半 导 体 和 金 属 膜 技 术 、 陶 瓷 烧 结 技 术 等 迅 猛 发 展 。 毋 庸 置 疑 ， 智 能 化 、 集 成 化 和 数 字 化 将 是 传 感 器 的 未 来 发 展 趋 势 。 !) 执 行 器 执 行 器 用 来 精 确 无 误 地 执 行 %& 发 出 的 命

8、 令 信 号 。 因 此 ， 执 行 器 工 作 的 精 确 与 否 将 最 终 影 响 电 控 的 成 败 。 正 因 如 此 ， 其 工 作 可 靠 性 和 精 确 性 一 直 作 为 研 究 重 点 而 倍 受 关 注 。 目 前 ， 汽 车 电 控 系 统 的 执 行 器 类 型 繁 多 ， 有 电 磁 阀 、 电 动 机 、 压 电 元 件 、 点 火 器 、 电 磁 继 电 器 、 热 电 偶 等 ， 结 构 与 功 能 不 尽 相 同 。 执 行 器 的 发 展 方 向 是 智 能 化 执 行 器 和 固 态 智 能 动 力 装 置 。 ( 汽 车 计 算 机 控 制 系 统 技

9、 术 及 其 应 用 随 着 汽 车 工 业 与 电 子 工 业 的 不 断 发 展 ， 现 代 汽 车 上 的 电 子 技 术 应 用 也 越 来 越 广 泛 。 如今 的 汽 车 已 经 逐 步 进 入 了 电 脑 控 制 的 时 代 。 国 外 专 家 预 测 ， 未 来 )12 年 内 汽 车 上 装 备 的 电 子 装 置 成 本 将 占 汽 车 整 车 成 本 的 /23 以 上 ， 汽 车 将 由 单 纯 的 机 械 产 品 向 高 级 的 机 电 一 体 化 产 品 方 向 发 展 ， 成 为 所 谓 的 电 子 汽 车 。 在 现 代 汽 车 中 ， 汽 车 微 机 控 制

10、系 统 可 分 为 4 部 分 ， 如 图 / 所 示 。 (! 电 控 燃 油 喷 射 系 统 #$*+, 电 控 燃 料 喷 射 系 统 $%56( 实 现 燃料 完 全 燃 烧 ， 是 汽 车 发 动 机 高 经 济 性 及 低 排 放 的 关 键 所 在 。 中 国 目 前 生 产 的 各 07 发动机控制 汽油机控制 柴油机控制 电控燃油喷射 （ %34） 电控点火装置 （ %/） 怠速控制 （ 4/&） 排放控制 进气控制 增压控制 自我诊断 喷油量控制 喷油正时控制 怠速控制 进气控制 增压控制 排气再循环控制 起动预热控制 故障自诊断及故障 保护功能 !( 电 控 自 动 变

11、速 器 #$)&* 如 图 $ 所 示 ， %&( 可 以 根 据 发 动 机 的 载 荷 、 转 速 、 车 速 、 制 动 器 工 作 状 态 及 驾 驶 员 所 控 制 的 各 种 参 数 ， 经 过 计 算 机 的 计 算 、 判 断 后 自 动 地 改 变 变 速 杆 的 位 置 ， 从 而 实 现 变 速 器 换 挡 的 最 佳 控 制 ， 即 可 得 到 最 佳 挡 位 和 最 佳 换 挡 时 间 。 它 的 优 点 是 加 速 性 能 好 、 灵 敏 度 高 、 能 准 确 地 反 映 行 驶 负 荷 和 道 路 条 件 等 。 传 动 系 统 的 电 子 控 制 装 置 ，

12、能 自 动 适 应 瞬 时 工 况 变 化 ， 保 持 发 动 机 以 尽 可 能 低 的 转 速 工 作 。 电 子 气 动 换 挡 装 置 是 利 用 电 子 装 置 取 代 机 械 换 挡 杆 及 其 与 变 速 机 构 间 的 连 接 ， 并 通 过 电 磁 阀 及 气 动 伺 服 阀 汽 缸 来 执 行 。 它 不 仅 能 明 显 地 简 化 汽 车 操 纵 ， 而 且 能 实 现 最 佳 的 行 驶 动 力 性 和 安 全 性 。 传动系控制 汽车 微 机 行驶 、 制动 、 控制 转向系统 系统 安全保证及 仪表警告 电源系统 舒适性 娱乐通信 自动变速控制 （ %&(） 防滑差

13、速器与加速防滑系统 牵引力控制 （ (0&） 防抱死装置 （ 1/） 电控悬架装置 （ (%5/） 电控定速 6 加速 6 怠速控制 动力转向车速感应稳定系统 电子仪表 、 雷达防撞装 置 安全气囊 、 防盗装 置 安全带 、 照明系统监 控 发电机电压调节 、 过压保 护 空调系统 、 门窗自动开 闭 座椅调节 、 门锁控 制 汽车通信系统 、 自动导航系 统 汽车音响系统 !+ 防 抱 死 制 动 系 统 #&,% 该 系 统 是 一 种 开 发 时 间 最 长 、 推 广 应 用 最 为 迅 速 的 重 要 的 安 全 性 部 件 。 如 图 ) 所 示 ， 它 通 过 控 制 防 止

14、汽 车 制 图 , 汽 车 微 机 控 制 系 统 种 轿 车 也 在 紧 跟 时 代 的 步 伐 ， 自 己 研 制 开 发 的 电 喷 系 统 已 进 入 市 场 。 电 控 燃 油 喷 射 系 统 可 以 自 动 地 保 证 发 动 机 始 终 工 作 在 最 佳 状 态 ， 使 其 在 输 出 一 定 功 率 的 条 件 下 最 大 限 度 地 节 油 和 净 化 空 气 。 经 过 实 验 并 修 正 得 到 发 动 机 最 佳 工 况 时 的 供 油 控 制 规 律 ， 事 先 把 这 些 客 观 规 律 编 成 程 序 存 在 微 机 的 存 储 器 中 ， 当 发 动 机 工

15、作 时 ， 根 据 各 传 感 器 测 得 的 空 气 流 量 、 排 气 管 中 含 氧 量 、 进 气 温 度 、 发 动 机 转 速 及 工 作 温 度 等 参 数 ， 按 预 先 编 好 的 运 算 程 序 进 行 运 算 ， 然 后 和 内 存 中 的 最 佳 工 况 的 参 数 进 行 比 较 和 判 断 ， 再 调 整 供 油 量 。 这 样 就 能 够 使 发 动 机 一 直 处 于 最 优 工 作 状 态 ， 从 而 使 发 动 机 的 综 合 性 能 得 到 提 高 。 ! 电 子 点 火 装 置 #$%& 它 由 微 机 、 传 感 器 及 其 接 口 、 执 行 机 构

16、 等 几 部 分 构 成 。 该 装 置 可 根 据 传 感 器 送 来 的 发 动 机 各 种 参 数 进 行 运 算 、 判 断 ， 然 后 进 行 点 火 时 刻 的 调 节 。 这 样 可 以 节 约 燃 料 ， 减 少 空 气 污 染 。 此 外 ， 新 型 发 动 机 电 子 控 制 装 置 还 有 自 适 应 控 制 、 智 能 控制及自诊断操作等 。 一般认为 ， 发动机电子控制装置的 节 能效果在 !#以上 ， 而效果更明显的则是在环境保护方面 。 - 动 时 车 轮 的 抱 死 ， 以 保 证 车 轮 与 地 面 达 到 最 佳 滑 动 率 *!#+,-#. ， 从 而 使

17、 汽 车 在 各 种 路 面 上 制 动 时 ， 车 轮 与 地 面 都 能 达 到 纵 向 的 峰 值 附 着 系 数 和 较 大 的 侧 向 附 着 系 数 ， 确保 车 辆 制 动 时 不 发 生 抱 死 拖 滑 、 失 去 转 向 能 力 等 不 安 全 的 工 况 ， 提 高 汽 车 的 操 纵 稳 定 性 和 安 全 性 ， 减 小 制 动 距 离 。 驱 动 防 滑 系 统 */0.即牵 引 力 控 制 系 统 *(&/ 或 (0&. ， 是 1/ 的 完 善 和 补 充 。它 可 以 防 止 起 动 和 加 速 时 的 驱 动 轮 打 滑 ， 既 有 助 于 提 高 汽 车 加

18、 速 时 的 牵 引 性 能 ， 又 能 改 善 其 操 作 稳 定 性 。 （ 下转 第 2 页 ） 微型机与应用 !# 年 第 $ 期 据 库 技 术 是 -*& 系 统 进 行 集 成 的 核 心 技 术 ， 而 网 络 环 境 下 的 : ; ?-*& 也 已 具 备 较 强 的 数 据 库 链 接 能 力 ， 完 全 可 以 作 为 - * & 系 统 的 图 形 系 统 ， 也 可 融 入 基 于 高 端 图 形 系 统 % 如 A: B 或 CD ) 的 -*& 系 统 中 。 参 考 文 献 / 曾 隆 杰 7 船 舶 -*&7 北 京 ： 人 民 交 通 出 版 社 ， /E

19、E0 # 马 哲 树 ， 陈 宁 7 船 舶 管 段 物 性 数 据 库 的 开 发 与 应 用 7 江 苏 船 舶 ， # ； % #) 1 童 辛 7 管 路 实 用 手 册 7 北 京 ： 国 防 工 业 出 版 社 ， /E0E 8 清 源 计 算 机 工 作 室 7FG643H +36GI .7 开 发 宝 典 7 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， /EEE ! 赵 致 铭 ， 殷 人 昆 7 实 用 工 程 数 据 库 技 术7 北 京 ： 机 械 工 业 出版 社 ， /EE$ . 罗 晓 沛 7 数 据 库 技 术 % 中 级 )7 北 京 ： 清 华 大 学 出 版

20、 社 ， /EEE $ JG IK3LH 7*IIL66 M ?5 NG OP?N6E! 实 用 教 程 7 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， /EE. % 收 稿 日 期 ： #19#9#!) ! （ 上接 第 ! 页 ） !# 电 子 转 向 助 力 系 统 电 子 转 向 助 力 系 统 是 用 一 部 直 流 电 机 代 替 传 统 的 液 压 助 力 缸 ， 用 蓄 电 池 和 电 动 机 提 供 动 力 。 这 种 微 机 控 制 的 转 向 助 力 系 统 和 传 统 的 液 压 助 力 系 统 相 比 具 有 部 件 少 、 体 积 小 、 重 量 轻 的 特 点 ，

21、 以 及 最 优 化 的 转 向 作 用 力 、 转 向 回 正 特 性 ， 提 高 了 汽 车 的 转 向 能 力 和 转 向 响 应 特 性 ， 增 加 了 汽 车 低 速 时 的 机 动 性 以 及 调 整 行 驶 时 的 稳 定 性 。 !$ 适 时 调 节 的 自 适 应 悬 挂 系 统 自 适 应 悬 挂 系 统 能 根 据 悬 挂 装 置 的 瞬 时 负 荷 ， 自 动 地 适 时 调 节 悬 架 弹 簧 的 刚 度 和 减 震 器 的 阻 尼 特 性 ， 以 适 应 当 时 的 负 荷 ， 保 持 悬 挂 的 既 定 高 度 。 这 样 就 能 够 极 大 地 改 进 车 辆

22、行 驶 的 稳 定 性 、 操 纵 性 和 乘 坐 的 舒 适 性 。 !% 常 速 巡 行 自 动 控 制 系 统 &() 在 高 速 长 途 行 驶 时 ， 可 采 用 常 速 巡 行 自 动 控 制 系 统 ， 恒 速 行 驶 装 置 将 根 据 行 车 阻 力 自 动 调 整 节 气 门 开 度 ， 驾 驶 员 不 必 经 常 踏 油 门 以 调 整 车 速 。 若 遇 爬 坡 ， 车 速 有 下 降 趋 势 ， 微 机 控 制 系 统 则 自 动 加 大 节 气 门 开 度 。 在 下 坡 时 ， 又 自 动 关 小 节 气 门 开 度 ， 以 调 节 发 动 机 功 率 达 到 一

23、 定 的 转 速 。 当 驾 驶 员 换 低 速 挡 或 制 动 时 ， 这 种 控 制 系 统 则 会 自 动 断 开 。 * 未 来 汽 车 计 算 机 控 制 技 术 展 望 伴 随 着 数 字 技 术 、 信 息 产 业 及 许 多 新 兴 学 科 的 出 现 和 发 展 ， 汽 车 事 业 的 发 展 和 变 化 也 将 会 令 人 目 不 暇 接 。 自 从 # 世 纪 $ 年 代 中 期 汽 车 引 入 微 处 理 系 统 以 来 ， 汽 车 的 微 机 控 制 已 由 发 动 机 排 放 与 油 耗 控 制 发 展 到 提 高 安 全 性 、 机 动 性 和 舒 适 性 整 车

24、 控 制 。 燃 料 电 池 将 使 电 动 汽 车 具 有 更 大 的 生 命 力 。 高 能 电 子 系 统 将 促 进 汽 车 进 一 步 电 动 化 ， 各 种 电 动 汽 车 的 使 用 以 及 新 的 发 动 机 技 术 % 如 &(、 无 凸 轮 发 动 机 ) 、 超 洁 净 柴 油 机 等 ， 可 能 在 达 到 新 的 节 油 和 排 放 目 标 中 起 重 要 的 作 用 。 *+( 与 ,-( 已 是 屡 见 不 鲜 的 !0 汽 车 交 互 控 制 系 统 。 而 先 进 的 汽 车 稳 定 性 系 统 将 对 汽 车 . 个 自 由 度 运 动 进 行 全 面 控

25、制 ， 以 便 在 各 种 驾 驶 条 件 下 提 高 汽 车 的 可 控 性 与 安 全 性 。 智 能 汽 车 装 置 与 ,( 与 交 通 信 息 技 术 的 相 结 合 组 成 主 动 安 全 系 统 将 使 汽 车 能 够 感 知 环 境 的 变 化 、 延 伸 驾 驶 员 的 能 力 ， 以 避 免 交 通 事 故 。 随 着 汽 车 电 子 控 制 系 统 复 杂 化 与 多 样 化 ， 其 故 障 所 造 成 的 后 果 严 重 性 也 在 增 加 。 因 此 ， 冗 余 测 控 系 统 以 及 系 统 监 测 与 故 障 诊 断 技 术 已 有 巨 大 进 步 。 各 种 容

26、 错 的 “ 导 线 驾 驶 ” 系 统 正 在 发 展 中 ， 不 同 的 基 于 模 型 的 车 载 诊 断 系 统 也 在 开 发 与 应 用 中 。 计 算 机 硅 芯 片 的 处 理 能 力 一 直 在 按 摩 尔 法 则 发 展 ， 即 数 据 处 理 能 力 每 /0 个 月 翻 一 番 ， 而 价 格 以 每 年 1!2 的 速 度 下 降 。 今 天 ， 一 辆 中 档 的 福 特 ,34546 汽 车 上 的 计 算 能 力 比 当 年 用 于 阿 波 罗 航 天 计 划 的 价 值 几 百 万 美 元 的 大 型 计 算 机 还 要 强 。 据 预测 ， 摩 尔 法 则

27、还 将 在 相 当 长 的 时 间 内 起 作 用 。 到 #/ 年 计 算 机 的计算 速 度 将 比 现在 的 计算 速 度 高 出 几 百 倍 ， 而 汽 车 将 成 为 计 算 机 和 信 息 技 术 的 最 重 要 用 户 ， 智 能 化 的 汽 车 将 为 用 户 所 欢 迎 ， 并 进 一 步 促 进 汽 车 产 业 和 信 息 产 业 乃 至 整 个 社 会 的 可 持 续 发 展 。 参 考 文 献 / 边 明 远 7 汽 车 电 子 技 术 的 应 用 现 状 及 发 展 趋 势 7 汽 车 维 护 与 保 养 ， # ； % /) # 李 华 7 戴 姆 勒 未 来 客

28、车 技 术 7 世 界 汽 车 ， # ； % 1) 1 庚 晋 ， 子 荫 7 安 全 行 车 智 能 技 术 一 览 7 世 界 汽 车 ， # ； % #) 8 王 锦 俞 7 英 汉 汽 车 工 程 词 典 7 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， # ! 王 太 成 ， 郭 传 福 7 汽 车 电 子 点 火 系 统 结 构 与 维 修 7 北 京 ： 国防 工 业 出 版 社 ， # . 李 宏 才 7 现 代 汽 车 制 动 控 制 系 统 的 发 展 与 展 望 7 世 界 汽 车 ， #/ ； % #) $ 顾 立 文 7 世 界 汽 车 工 业 发 展 趋 势 综 览 7 世 界 汽 车 ， #/ ； % /) % 收 稿 日 期 ： #19/9#) 微型机与应用 !# 年 第 $ 期