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1、汽车电子控制技术第一章 汽车电子控制技术概述第一节 汽车电子控制技术发展情况一、汽车电子控制技术的应用情况汽车技术、建筑技术与环境保护是衡量一个国家工业化水平高低的三大标志。80年代以来，提高汽车性能，节约能源和保护环境，主要取决于电子控制技术。在汽车上，电子控制技术的应用概况如图411所示，主要用于汽车动力性、安全性、舒适性和娱乐通讯信息控制。随着机电一体化汽车和电子化汽车的诞生，汽车汽车电子学和汽车电子控制技术等新科学、新技术正在蓬勃发展。图411 汽车电子控制技术应用概况二、汽车电子控制技术的发展过程汽车控制技术是伴随着汽车法规（油耗法规、排放法规、安全法规）要求的提高和电子控制技术的发
2、展而逐步发展到当今控制水平的，其发展过程经历了机械控制、电子电路控制、模拟计算机控制和数字计算机控制等过程。（一）发动机电子控制技术的发展过程汽车发动机电子控制技术是借鉴飞机发动机汽油喷射技术而诞生，并伴随电子控制技术的发展和汽车油耗法规、排放法规要求的逐步提高而发展到当今水平的。其发展经历大致如下。1934年，德国采用怀特（Wright）兄弟发明的向发动机进气管内连续喷射汽油来配制混合气的技术，研制成功第一架采用燃油喷射式发动机的军用战斗机。1952年，德国博世公司（Bosch）研制成功第一台机械控制汽油喷射式发动机，汽油直接喷入气缸内，空燃比利用气动式混合气调节器调节，配装在戴姆勒奔驰（D
3、aimler-Benz）300L型赛车上。1958年，博世公司研制成功向进气管内喷射汽油的机械控制汽油喷射式发动机，空燃比采用机械式油量分配器进行调节，配装在梅赛德斯奔驰（Mercedes-Benz）220S型轿车上。1967年，博世公司研制成功K-Jetronic机械控制式汽油喷射系统，电动燃油泵提供的360kPa低压燃油，由燃油分配器分配到各缸进气管上的机械式喷油器，汽油连续喷向进气口，空燃比由挡流板式空气流量计操纵油量分配器中的计量槽进行调节。1982年，在K-Jetronic系统的基础上增设了一个压差调节器、部分传感器和电子控制单元ECU，改进研制成功了KE-Jetronic机电结合式
4、汽油连续喷射系统。1993年以前出厂的奔驰轿车和奥迪轿车，大多数采用了KE-Jetronic系统。最早研制汽车电子燃油喷射装置的是美国苯迪克斯（Bendix）公司。该公司于1957年开始试用真空管电子控制系统，根据进气压力、由设在各个节气门前的喷油器与进气行程同步喷油。遗憾的是该专利技术并未付诸实用。1967年，德国博世公司根据美国苯迪克斯公司的专利技术，开始批量生产利用进气歧管绝对压力信号和模拟式计算机来控制发动机空燃比A/F的D型燃油喷射系统（DJetronic），装备在德国大众（Volkswagen）汽车公司生产的VW1600型和奔驰280SE型轿车上。率先达到了当时美国加利福尼亚州的排
5、放法规要求，开创了汽油发动机电子控制燃油喷射技术的新时代。D型燃油喷射系统是用电子电路控制喷油器阀门的开启时刻与开启时间。1973年，随着排放法规的要求逐年提高，要求进一步提高控制精度，进一步完善控制功能。博世Bosch公司便在D型燃油喷射系统（DJetronic）的基础上，改进发展成为L型燃油喷射系统（LJetronic）。L型喷射系统利用了翼片式空气流量传感器直接测量进气管内进入发动机的空气的体积流量，与利用进气歧管绝对压力来间接测量进气量的D型喷射系统相比，检测精度和控制精度大大提高。1973年，美国通用General汽车公司在生产的汽车上，将分立元件式电子点控制器开始改用集成电路IC式
6、点火控制器。1974年，美国通用General汽车公司开始加大火花塞的电极间隙，并采用高能点火装置，并将点火线圈和集成电路式点火控制器安放在分电器壳体内。1976年，美国克莱斯勒Chrysler汽车公司生产的汽车开始研制并在同年装备微机控制点火系统，取名为“电子式稀混合气燃烧系统ELBS”。该系统采用模拟式计算机，根据大气温度、进气温度、发动机冷却液温度、发动机负荷与转速等信号计算出最佳点火时刻，控制200多个参数。1977年，美国通用General汽车公司开始采用微机控制点火系统，取名为MISAR系统。该控制系统由CPU、RAM、ROM、A/D等组成，装备在奥迪斯莫比尔Oldsmobile牌
7、“特罗纳德”轿车上。1977年，美国福特Ford汽车公司与日本东之TOSHIBA公司合作开发出了同时控制点火时刻、废气再循环、二次空气的发动机电子控制EEC系统，并于同年装备在林肯Lincoln牌“凡尔赛”轿车上。1978年，福特公司在EEC微机控制系统的基础上，增加了空燃比反馈控制和怠速转速控制等控制内容，控制系统取名为EEC系统。1979年又进一步完善控制功能，发展成为EEC系统，80年代又改进发展成为EEC系统。1978年，美国通用General汽车公也研制成功了同时控制点火时刻、空燃比、废气再循环和怠速转速的微机控制系统，取名为C4系统。该系统还具有自诊断功能和备用电路。1979年，德
8、国博世Bosch公司在L型燃油喷射系统的基础上，将点火控制与燃油喷射控制组合在一起，并采用数字式计算机进行控制，从而构成当今广泛采用的Motronic控制系统。1979年，日本日产Nissan汽车公司也开发研制成功了能综合控制点火时刻、空燃比、废气再循环和怠速转速的发动机集中控制系统ECCS，该系统具有自诊断功能，装备在公子Cedric牌和光荣Gloria牌轿车上。1980年，丰田TOYOTA汽车公司开发成功了能综合控制点火时刻、爆震、空燃比、怠速转速，且具有自诊断功能的丰田计算机控制系统TCCS。三菱MITSUBISHI汽车公司也在1980年研制成功了采用卡尔曼旋涡式空气流量传感器的电子控制
9、喷射ECI系统。1981年，德国博世Bosch公司又在L型燃油喷射系统LJetronic的基础上，用新颖的热线式空气流量传感器直接测量进气管内进入发动机的空气的质量流量，从而取代翼片式空气流量传感器，该系统取名为LH型燃油喷射系统LHJetronic。（二）变速器电子控制技术的发展过程自动变速器是在机械式变速器、液力变矩器等液力传动技术和电子控制技术的基础上发展而成的。液力传动技术于19世纪初发明于欧洲，最早于1912年将液力变矩器应用在船舶上。由于液力变矩器不仅具有防止发动机过载的作用，而且还能无级地改变转速比和扭矩比，因此迅速在其他领域得到应用，主要用于公共汽车。1930年，英国研制生产了
10、一种三级变矩器应用于公共汽车，1932年，美国通用General也在公共汽车上采用了这种变矩器，1937年又用于内燃机车。第二次世界大战期间，液力变矩器又用于军用汽车和专用汽车。与此同时，美国开始自行研制液力传动技术。最早生产自动变速器的是美国通用公司，于1938年推出了将行星齿轮变速器与液力偶合器组合而成液力自动变速器，采用液压控制自动变速，是现代轿车自动变速器的雏形。1942年，研制成功一种两挡液力机械变速器，其变速器采用了“阿里逊”型双导轮、可闭锁的综合式变矩器。1947年，该公司将液力传动装置用于批量生产的小客车上，并在第二年作为小客车用的标准部件，并逐步应用到该公司生产的其他车型上。
11、1948年，在别克Buick轿车上装备了著名的NYNAFLOW型变速器，这种变速器由单级多相五元件变矩器（一个泵轮、一个涡轮、三个导轮）和具有两个前进挡、一个倒挡的行星齿轮变速器组成，采用液压控制，在结构上已接近现代汽车用液力自动变速器。带锁止离合器的锁止式液力变矩器出现于20世纪70年代末期。美国克莱斯勒Chrysler公司1978年投放市场的A-413等型自动变速驱动桥中，就装备有锁止式液力变矩器。早期自动变速器的控制系统均为液压控制。1969年雷诺16AT型汽车装备了液力自动变速器，采用了电子计算机控制自动变速，从而成为电子控制液力自动变速器的先驱。目前，液力自动变速器的变速齿轮机构已由
12、单行星排发展到多行星排，使变速器的挡位数量由两个前进挡增加到三个或四个前进挡。由于液力自动变速器具有许多优点，因此在汽车上应用越来越广泛。美国三大汽车公司液力自动变速器的装车率1982年分别为通用公司：91.7%、福特公司：71.5%、克莱斯勒公司：83.%；1983年分别为通用公司：93.9%、福特公司：74.4%、克莱斯勒公司：86.4%。美国轿车1992年装车率为80%（其中城市轿车为100%）。日本生产轿车上液力自动变速器的装车率1982年为26%、1986年为41%、1992年为60%、1993年为75%。（三）防抱死制动电子控制技术的发展过程最早应用ABS技术的交通工具是铁路机车。
13、早在20世纪初，由于铁路机车制动时车轮抱死在铁轨上滑行使车轮外圆磨损出一些小平面，因此车轮不能平稳旋转而产生振动和噪声。为了减小振动和噪声，1908年，J.E.Francis设计了一种装置，安装在机车上之后，意外地发现制动距离也缩短了，这就是ABS的雏形。1920年，英国人霍纳摩尔研制成功了ABS技术，并于1932年申请了第一个防滑专利U.K382241。1936年，德国罗伯特博世Robert Bosch公司获得了ABS专利权。该专利技术由安装在车轮上的电磁式车轮速度传感器和控制制动液压力的电磁阀组成。40年代末期，为了缩短飞机着陆时的滑行距离、防止机轮在制动时跑偏、甩尾和轮胎剧烈摩耗，飞机制
14、动系统开始采用ABS，并很快成为飞机的标准装备。汽车上最早采用ABS的是美国福特（Ford）汽车公司。1954年，该公司率先把法国生产的民航飞机用ABS应用在林肯Lincoln牌轿车上。1958年，杜尔Dunlop公司利用飞机用ABS原理，开发成功了目前称为四轮两通道低选控制式Maxa-ret ABS，安装在载货汽车上。该ABS的前轮速度传感器采用机械式，后轮速度传感器采用电磁式。1960年，哈理福格森雷斯Harry Ferguson Reserch公司将Maxa-ret ABS改造成四通道控制式ABS，并装车试验。1965年该公司向英国杰森Jensen公司提供四通道四轮控制式ABS样机。19
15、66年，该公司将其四轮控制ABS安装于野马V-8型汽车上，并在美国著名的汽车城底特律举行了试车仪式，试坐人员无不为其制动性能良好而惊叹。1960年至1970年间，梅赛德斯奔驰Mercedes-Benz公司与由德律丰根Telefunken公司和苯迪克斯Bendix公司合并而成的德律克斯Teldix公司联合开发四轮控制式ABS。1970年，罗伯特博世Robert Bosch公司购买了苯迪克斯Bendix公司在德律克斯Teldix公司的股份，并继续开发ABS。1978年，Mercedes-Benz公司生产的450SEL型轿车开始批量选装Robert Bosch公司生产的四轮控制式ABS。与此同时，宝
16、马BMW公司生产的BMW7系列轿车也开始批量选装Robert Bosch公司生产的四轮控制式ABS。Bosch公司一直在进行ABS技术的研制工作，并获得多项专利，是目前世界上最大的ABS生产公司。该公司不仅给本国的奔驰Benz、宝马BMW、奥迪Audi轿车配套安装ABS,而且还为国外30多个汽车厂的50余种汽车提供ABS，到1995年底，安装Bosch ABS的汽车已达300多万辆。德国生产ABS的公司还有瓦布克WABCO公司（该公司从1986年开始在北京设立办事处向我国推广ABS）、戴维斯Teves公司（目前国产桑塔纳2000GSi型轿车采用的MK20型ABS就是上海汽车制动系统有限公司引进
17、戴维斯公司技术合资生产的）。日本在ABS技术方面不甘落后。1971年，日本化油器机械公司开发研制成功后轮控制式ABS，称为电子滑移控制系统ESC（Electronic Skid Controlled System），装备在丰田TOYOTA公司1971款皇冠Crown、科罗纳Corona、马克Mark型轿车和日产Nissan公司1971年款总统President、光荣Gloria、地平线Skyline轿车上。1976年，日本三菱Mitsubishi公司与日本纳布克NABCO公司联合开发成功后轮控制式ABS，安装在三菱公司生产的快乐Debonair牌轿车上。1983年，日本本田公司开发成功两通道四
18、轮控制式ABS，安装在本田序曲Prelude牌轿车上。1984年，日本纳布克NABCO公司获得德国Robert Bosch公司四轮控制式ABS的生产许可证，生产的ABS安装在1984年款华丽Galant、马自达RX-7和贵夫人Fairlady牌轿车上。1984年后，Robert Bosch公司和阿尔福雷德Alfred公司开始开发将电子控制器、液压调节器以及制动总泵组合成一体的ABS。1985年Robert Bosch公司正式生产这种综合系统，其突出优点是缩小了占用空间。美国生产ABS的公司主要有德尔科Delco公司、本迪克斯Bendix公司。Delco公司1991年后研制的Delco Mora
19、ine型低成本ABS，在通用公司的别克（Buick）、雪佛莱（Chevrolet）、旁蒂克（Pontiac）等车系上得到广泛应用。到1995年，美国汽车ABS的装车率已经达到90。在安全法规的推动下，ABS已成为汽车的标准装备。目前ABS技术的发展与更新很快，型式与牌号也很多，比较流行的有博世2（Bosch2）型、戴维斯马克4（Teves MK）型和德尔科6（Delco Moraine）型，美国汽车大多采用戴维斯、德尔科以及本迪克斯ABS，欧洲和日本大多采用博世2型的改进型ABS。我国研究ABS始于80年代初，国家“九五”科技攻关计划也列入了ABS研究项目，目前仅有个别厂家投入小批量生产。装备
20、ABS的国产车型有一汽奥迪、捷达、上海别克、桑塔纳、广州本田和神龙富康等轿车。国内从事ABS研究与生产的单位有上海汽车制动系统有限公司、东风汽车公司、重庆公路研究所、重庆宏安ABS有限公司、陕西兴平514厂、清华大学、西安公路交通大学和吉林工业大学等。（四）安全气囊电子控制技术的发展过程汽车安全气囊是美国机械工程师约翰赫缀克（John W.Hertrick）1953年发明的。约翰赫缀克在发明安全气囊的专利得到批准之后，曾分别致函美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司，介绍自己的发明。在60年代，由于汽车行业认为所有被动安全装置都形同虚设、在任何车速下都不能起到保险作用，因此三大汽车公司对约翰赫缀
21、克的发明反应都不积极。与此同时，航空公司着眼于保证飞机和宇宙飞船等碰撞事故中乘员的安全，对安全气囊技术较为重视，并进行了一些试验。其中，在DC-7型客机上的试验结果十分令人振奋，当以接近260km/h的速度进行碰撞试验时，试验结果表明：装备气囊的模拟人都完好无损，而未装气囊的模拟人都毁坏了。随后，日本本田、美国福特与通用等汽车公司开始组织力量，改进研制和完善安全气囊系统。1971年，日本本田汽车公司开始引进气囊技术进行开发研制和实车应用。1973年，美国通用汽车公司在1000辆雪佛莱非洲羚羊（Impalas）牌轿车上安装了气囊，并以销售价格低于成本价格的优惠条件，将气囊系统作为1974年所有高
22、级轿车的选装件。到1977年的三年内，总共销售了10 321套。虽然因成本高、质量大、可靠性低和充气噪声大等原因而停止生产，但是，这一举措为安全气囊在汽车上推广和发展起到了不可估量的作用。1984年，戴姆勒奔驰公司在其1984年款梅赛德斯奔驰（Mercedes-Benz）190型和S级轿车上安装了气囊系统。从此气囊系统逐步被汽车消费者认可和接受，制造商也尽力改进和发展气囊技术，用以满足消费者的要求。同年美国联邦车辆安全标准（FMVSS）208款规定：1987年开始逐步采用气囊系统。其实施时间和配装率1987年为10；1988年为25；1989年为40；1990年为100。1987年，日本本田汽
23、车公司经过16年艰苦努力，终于开发研制成功了当今普遍采用的价格低、质量小、可靠性高、充气噪声小的燃药式气囊系统。同年9月开始作为本田传奇（Legend）牌轿车的选装件。从此开辟了大量使用气囊系统的新局面。1992年美国联邦政府法律规定，1994年以后出厂的新车必须配装驾驶席气囊或安全带收紧系统。到1994年，美国拥有配装气囊的汽车约3 300万辆。根据实际应用情况，FMVSS208款又修改规定，要求从1997年9月1日起，美国所有客车都必须装备保护驾驶员和前排乘员（副驾驶员）的双气囊系统。美国是世界上最大的汽车消费市场，这一法规促使世界各国汽车公司出口美国的汽车必须将气囊系统作为汽车的标准装备
24、，从而大大促进了气囊技术的发展和提高。从70年代开始采用座椅安全带和驾驶员正面气囊以来，已经挽救了成千上万人的生命。据专家估计，汽车普及气囊技术以后，仅在美国每年就可挽救15 000人的生命；另据德国敏感法律研究中心CSRL（Center for Study of Responsive Law）1995年提供的资料表明，如果气囊系统与安全带一起装备德国所有汽车，那么每年能够挽救12 000人的生命。正面气囊只能避免或减轻来自前方的伤害，即只有在汽车遭受正面碰撞时才能起到保护作用，对侧面碰撞无能为力。据美国国家公路交通安全管理局统计，在美国1993年的车祸中，由于迎面碰撞而死亡和受伤的人数分别为
25、11 524人和1 011 000人，由于侧面碰撞而死亡和受伤的人数分别为6922人和666 000人，侧面碰撞导致死亡和受伤的人数分别为迎面碰撞导致死亡和受伤人数的60和66。由此可见，加强侧面碰撞的防护能力是不容忽视的重要问题。实践证明，装备侧面辅助防护安全气囊（Side Supplemental Restraint Safe Air BagSSRS气囊）是行之有效的措施之一。瑞典沃尔沃（VOLVO）汽车集体公司是侧面气囊系统的先导者。该公司将侧面气囊安装在座椅靠背边缘上，并装备在1995新款VOLVO850型轿车上，1996年秋季开始在VOLVO960型轿车上装备，1997年推出的新款沃
26、尔沃S70型轿车在前排驾驶席与乘员席均安装了侧面SRS气囊。丰田汽车公司开发研制的侧面气囊的体积比沃尔沃公司侧面气囊的体积大一些。由于气囊体积较大，因此既能保护头部、颈部，也能保护腰部，并将其安装在车门上而不是安装在座椅上。德国宝马（BMW）公司1995年在宝马BMW5系列轿车上采用了侧面气囊，并将其安装在车门上。随着气囊技术的发展，该公司认为采用两个气囊防止侧面碰撞比采用一个可靠，为此从1997年开始，便在宝马BMW7系列轿车上采用两个气囊。其中一个安装在车门上，用以保护汽车乘员的腰部；另一个设制成香肠状，安装在车门支柱的上部，用以保护乘员的头部与颈部。目前，侧面SRS气囊开发研制工作方兴未
27、艾，欧洲汽车公司处于领先地位，其主要原因有两个方面：一是欧洲汽车价格等级相对较高，增加气囊成本影响不大；二是欧洲侧面碰撞试验标准比美国严格，因为美国是欧洲汽车的主要市场之一，欧洲汽车公司倾向于通过严格的标准和试验来达到扩大市场之目的。综上所述，汽车电子技术的发展过程大致可分为四个阶段。1974年以前为第一阶段，是汽车电子控制技术发展的初级阶段。主要产品有交流发电机、电子式电压调节器、电子式闪光器、电子控制式喇叭、电子式间歇刮水控制器、汽车收音机、电子点火控制器、数字时钟等等。1974年至1982年为第二阶段，是汽车电子控制技术迅速发展阶段，在此期间，汽车上广泛应用集成电路和16位以下的微处理器
28、。主要产品有电子燃油喷射系统（EFI）、空燃比反馈控制系统、防抱死制动系统（ABS）、安全气囊系统（SRS）、电子控制自动变速系统（ECT）、巡航控制系统、电子控制门锁系统、程控驾驶系统、超速报警系统、前照灯灯光自动控制系统、自动除霜系统、车辆导航系统、座椅安全带收紧系统、车辆防盗系统、故障自诊断系统、车身高度自动控制系统、数字式组合仪表盘（包括数字式车速表、里程表、转速计、燃油表、水温表）等等。1982年至1990年为第三阶段，也是微型计算机在汽车上应用日趋成熟并向智能化发展阶段。主要产品有牵引力控制系统、四轮转向控制系统、轮胎气压控制系统、声音合成与识别系统、数字式油压表、蜂窝式电话、可热
29、式挡风玻璃、倒车示警器、超速限制器、自动后视镜系统、道路状态指示器等等。1990年以后为第四阶段，是汽车电子控制技术向智能化发展的高级阶段。主要产品有微波系统、多路传输系统、32位微处理器、动力最优化控制系统、通信与导航协调系统、安全驾驶监测与警告系统、自动防追尾碰撞系统、自动驾驶系统和电子地图等等。三、汽车电子控制系统的类型根据汽车的总体结构，汽车电子控制系统可分为发动机电子控制系统、变速器电子控制系统、底盘电子控制系统和车身电子控制系统四大类。根据控制功能，汽车电子控制系统可分为动力性、安全性、舒适性和娱乐通讯信息控制四种类型，其控制系统和主要控制项目如表411所示。每一个控制系统可以由各
30、自的电子控制单元（ECU）单独控制，也可由几个系统组合起来用一个ECU进行控制。在不同车型上，其组合形式和控制功能不尽相同。如丰田凌志（LEXUS）LS400型和皇冠（CROWN）3.0等型轿车将发动机控制系统与自动变速控制系统共用一个ECU控制，而尼桑风度（CEFIRO）和瑞典沃尔沃（VOLVO）等轿车则各自用一个ECU控制。在所有汽车电子控制系统中，发动机控制系统的结构组成最复杂、控制项目最多、控制功能最强，因此通常将发动机ECU称为主ECU。表411 汽车电子控制系统类型及其主要控制项目类型控制功能系 统 名 称控 制 项 目汽车电子控制系统动力性控制电子控制燃油喷射（EFI）喷油量（喷
31、油时间）；喷油时刻；燃油泵；燃油停供电子控制点火（ESA）点火时刻；通电时间；爆震防止怠速转速控制（ISC）空调接通与切断；变速器挂档；动力转向泵接通与切断排放控制废气再循环（EGR）；空燃比反馈控制；活性炭罐电磁阀控制；CO控制（VAF）；二次空气喷射进气控制进气引导通路切换；涡流控制阀增压控制泄压阀；废气涡轮增压器自诊断测试与失效保护控制故障警告；存储故障代码；部件功能测试；传感器与执行器失效保护电子控制变速（ECT）发动机输出扭矩；液力变矩器锁止时机；变速器换档时机；电磁阀和传感器失效保护安全性控制防抱死制动控制（ABS）车轮制动力、滑移率驱动防滑控制（ASR）发动机输出扭矩；驱动轮制动
32、力；差速器锁止安全气囊控制（SRS）气囊点火器点火时机座椅安全带收紧控制收紧器点火器点火时机动力转向控制ECPS控制助力油压、气压或电动机电流雷达车距控制车距；报警；制动前照灯灯光控制焦距；光线角度安全驾驶监控驾驶时间；方向盘状态；驾驶员脑电图、体温和心率防盗控制报警；遥控门锁；数字密码点火开关；数字编码门锁；方向盘自锁电子仪表汽车状态显示中央门锁控制门锁遥控；行驶自锁；玻璃升降舒适性控制悬架控制（EMS）车身高度；悬架刚度；悬架阻力；车身姿势（点头、侧倾、俯仰）巡航控制（CCS）车速；安全（解除巡航状态）空调控制制冷；取暖电动座椅控制方向（向前、向后）；高低（向上、向下）CD音响娱乐娱乐信息
33、控制交通信息显示交通信息；电子地图车载电话通讯联络车载计算机车内办公第二节 汽车电子控制系统的控制方式电子控制系统是由传感器、信息处理器和执行器三部分组成，如图412所示。传感器所得功用是采集各种信息，信息处理器（即电子控制器ECU）的功用是分析处理传感器采集得到的各种信号，并向受控装置（即执行器）发出控制指令，执行器的功用是根据控制器的指令完成具体操作动作。图412 电子控制系统的组成在汽车电子控制系统中，虽然实现相同控制目标或达到相同控制目的所设计的传感器和执行器并无实质性区别，但是电子控制器ECU（Electronic Control Unit）的设计却千差万别，各汽车公司都竭尽全力，各
34、显神通。因为设计人员都清楚，在硬件条件大致相同的下，谁能构想出更好的控制方法，设计出更好的控制程序，谁就能在激烈地竞争中占有更多的市场份额。一、开环控制在控制系统中，如果输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，该系统就称为开环控制系统。在汽车电子控制系统中，燃油喷射式发动机的启动工况和加速工况以及汽车前照灯光束的控制就采用了开环控制方式。图13所示为一开环速度控制系统，它是根据控制信号的大小和方向来控制负载转速的高低和方向。其原理是控制信号经电子放大器放大后，向电液控制阀输出一定大小的电流，控制阀就控制一定流量的传动液供给液压泵带动负载以一定的转速运转。这个系统对被控
35、制量（负载转速）不进行任何检测，仅仅根据控制信号来对负载进行控制。图413 开环速度控制系统（a） 系统原理图；（b） 系统方框图在任何开环控制系统中，既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。对应于每一个输入量，相应的就有一种工作状态与之对应。因此，开环控制系统的精度主要取决于系统的校淮精度、工作过程中保持校淮值的程度以及系统组成元件性能参数的稳定程度。在系统不存在内部扰动和外界扰动、元件性能参数又比较稳定的条件下，开环控制系统是比较简单并可保证足够的控制精度的。为了满足实际应用需要，开环控制系统必须精确校准，并在工作过程中设法保持该校准值不发生变化。在系统
36、存在扰动的情况下，当被控制的输出量偏离给定量时，开环系统就没有纠正的能力了，即控制精度就会降低。例如在图413所示的系统中，当负载力矩增加时，由于控制阀的流量随负载压力的增加而减小以及液压系统内部泄漏增加等原因，就会导致液压泵转速降低，加之没有反馈比较，无法自动校正输出量到给定值，因此系统的控制精度降低。二、闭环控制在控制系统中，凡是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统，就称为闭环控制系统。换句话说，反馈控制系统就是闭环控制系统。“闭环”的含意就是应用反馈调节作用来减小系统的误差。在图413所示的开环控制系统中，如果引入反馈回路，即用测速发电机直接检测被控制
37、量（负载转速），然后反馈到输入端，则就构成一个闭环控制系统，如图414所示。控制信号（输入信号）和反馈信号之差，称为偏差信号。偏差信号输入控制器后，通过控制和调节作用来减小系统的误差，使系统的输出量趋于所希望的给定值，即通过反馈作用来减小系统误差。图414 闭环速度控制系统（a） 系统原理图；（b） 系统方框图闭环控制系统的突出优点是精度较高。无论什么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值，由于采用了反馈，对外界扰动和系统内部参数变化引起的偏差，系统就会产生调节作用来减少这一偏差，因此，可以采用精度不太高而成本比较低的元件组成一个比较精确的控制系统。闭环控制系统的缺点是由于闭环系统是以偏差消除偏
38、差，即系统要工作就必须有偏差存在，因此闭环系统不会有很高的精度。同时，由于系统组成元件的惯性，传动链的间隙等因素存在，如果配合不当就可能导致系统产生振荡（等幅振荡或变幅振荡），从而使系统不能稳定工作。因此精度和稳定性之间的矛盾始终是闭环控制系统存在的主要矛盾。在汽车电子控制系统中，空燃比反馈控制、发动机爆震控制、排气再循环（EGR）控制、防抱死制动控制等等都采用了闭环控制方式。空燃比（A/F）和点火提前角反馈控制，所采用的传感器分别是氧传感器和爆震传感器。氧传感器安装在发动机排气管上，用来检测排气中氧离子的浓度；爆震传感器安装在发动机缸体上，用来检测发动机是否产生爆震。排气中氧离子的浓度取决于
39、混合气的空燃比，当空燃比小于理论空燃比（14.7:1）时，混合气偏浓，燃烧过程中氧气较少，排气中氧离子很少或没有氧离子；当空燃比大于理论空燃比（14.7:1）时，混合气偏稀，燃烧过程中氧气富裕，排气中氧离子含量较多。混合气越稀，排气中氧离子浓度越大。空燃比反馈控制系统由氧传感器测量排气中剩余氧离子的含量，间接测量出每一瞬间进入发动机的混合气的浓度，并检测结果转变为电信号输入电控单元ECU与设定的目标空燃比进行比较，电控单元再根据比较结果控制喷油量增加或减少，从而将空燃比（A/F）控制在设定的目标值附近。当混合气过稀时，排气中氧离子含量多，电控单元就控制喷油器增加喷油量；反之，当混合气过浓时，排
40、气中氧离子含量少，电控单元就控制喷油器减少喷油量，如此不断循环进行控制。为使三元催化装置对排气净化处理达到最佳效果，闭环控制的空燃比应当控制在理论空燃比（A/F14.7）附近的狭窄范围内。因此对启动、加速及全负荷等需要加浓混合气的工况，则需采用开环控制。三、自适应控制“适应”是生物的基本特征之一。一切生物总是企图在不断变化的环境条件下维持生理上的平衡，生物具有的这种能力称为适应能力。在控制系统中，当系统元件老化以及参数、环境变化时，都会造成系统的动态特性发生变化。虽然大多数反馈控制系统参数值的微小变化对系统的正常工作不会产生任何影响，但是，如果系统参数值随着环境变化而发生较大的变化，系统就可能
41、出现在某一种环境条件下有满意的性能，在其它环境条件下就不可能有满意的性能，甚至出现不稳定现象。自适应控制系统就是随着环境条件或结构参数产生不可预计的变化时，系统本身能够自行调整或修改系统的参数值，使系统在任何环境条件下都保持有满意的性能的控制系统。换句话说，自适应控制系统是一种“自身具有适应能力”的控制系统。在汽车电子控制系统中，自适应控制得到了广泛地应用，海拔高度、工作温度、点火时刻、喷油时间以及空燃比等等的控制，都采用了自适应控制方式。例如，如在发动机燃油喷射控制系统中，氧传感器设在排气管上，其工作温度较高，而废气中的颗粒物质很容易将其污染堵塞，因此氧传感器的老化会引起空燃比的测量误差。采
42、用自适应控制可将氧传感器的输出电压与预先储存在电控单元中的过量空气系统表进行比较，从而确定氧传感器是否老化及其老化程度，通过选择适当的修正系数对氧传感器的输出参数值进行校准，使其输出参数值接近器件老化前的正常状态，从而提高了控制系统的工作可靠性。根据参数值的调节方式不同，自适应控制可分为前馈自适应控制和反馈自适应控制两种基本形式。（一）前馈自适应控制在自适应控制系统中，如果通过可测信号能够观测到过程特性的改变，并且预先知道如何根据这些信号来调整控制器，这种系统就称为前馈自适应控制系统，又称为开环自适应控制系统，如图415所示。该系统的显著特点是没有从闭环内部引出信号反馈到控制器中。在汽车电子控
43、制系统中，为了适应海拔高度、工作温度等参数的变化，控制系统通常采用前馈自适应控制，因为利用气压计和温度计等测量仪表即可测量出这些参数的变化量，并且可在控制器中预先设定好系统随之所作的改变。（二）反馈自适应控制在自适应控制系统中，如果过程特性的变化不能直接观测到，然而根据系统的输入、输出信号等参数能够计算出输入控制器的参数，使之适应过程变化的系统，称为反馈自适应控制系统，如图l6所示。图415 前馈自适应控制系统框图图416 反馈自适应控制系统框图反馈自适应控制系统又可分为自寻最优自适应控制系统和模型参考自适应控制系统两大类。一类是自寻最优自适应控制系统，控制框图如图417所示。其显著特点是能够
44、连续自动地测量对象的动态特性（如传递函数），并将其与希望的动态特性进行比较，并利用差值来不断修正系统的可调参数（通常是控制器的特性参数）或产生一个控制信号，从而保证无论环境条件如何变化，系统都能保证最佳性能。另一类是模型参考自适应控制系统，控制框图如图418所示，模型参考自适应系统是自己决定一个动态模型，希望系统也能符合这个标准，若不符合就改变参数，使闭环响应接近于参考模型的响应。这个模型可以是一个物理模型，也可以是计算机中的模拟系统。显然，模型参考自适应系统不是测量对象或环境的特性变化，而是比较本系统的输出和模型输出的差异，并以此为依据改变系统参数。图417 自寻最优自适应控制系统框图 图4
45、18 模型参考自适应控制系统框图四、学习控制一个熟练的操作人员与自适应控制系统之间的差别主要是：操作人员认识熟悉的输入，而且能够运用过去学习到的经验按最佳的状态进行操作。自适应控制系统在任何环境变化时改变信号，使系统性能保持最佳。如果一个系统能够认识一些熟悉的情况和特点，而且能够运用过去学习到的经验按最佳方式进行动作，这种系统就称为学习控制系统。在发动机电子控制系统中，为了改善爆震和空燃比控制时的响应特性，从80年代中期开始，研究人员便开始将学习控制用于控制系统。设计的系统能将反馈值（如氧传感器的输出电压）与参考值的偏差存入存储变换表的一个特定区域中，该区域与执行反馈时的发动机工作条件相对应。
46、当发动机进入与该工作条件相同的工况时，则使用已存储的偏差去修正控制值，从而将被控参数控制在一个最佳值。五、模糊控制1965年，美国伯克利加州大学（University of California at Berkeley）教授扎德（L.A.Zadeh）发表了著名论文Fuzzy Sets，提出了模糊性问题，给出了问题的定量描述方法，模糊数学从此诞生了。1974年，英国学者E.H.Mamdani率先用模糊控制语句组成了模糊控制器，并将其成功的运用于蒸汽机和锅炉的控制。这一开拓性的工作，标志着模糊控制理论和技术的诞生。控制理论（特别是现代控制理论）的发展与数学有着密切的关系。无论是采用经典控制理论还是
47、采用现代控制理论去设计一个自动控制系统，都需要建立被控对象的数学模型，要知道模型的结构、阶次、参数等等。在此基础上合理地选择控制方式、进行控制器的设计。然而大量的实践告诉我们，在许多情况下，由于被控对象的控制过程复杂，控制机理有不明之处，缺乏必要的检测手段或测试装置不能进入被测试区域等种种原因，致使无法建立被控过程的数学模型。例如，制药和食品工业生产中的发酵过程（青霉素发酵过程是青霉素菌二次代谢的生化过程），化工生产过程中的聚合反应过程，建材工业生产中的水泥窑、玻璃窑及各种窑炉的燃烧过程等等。这类过程的变量多，过程往往具有非线性等特点，各种参数也往往存在时变性。因此，要建立这类过程的数学模型非
48、常困难，甚至是不可能。用经典控制理论和现代控制理论来解决这类对象的控制往往难以奏效，得不到满意的控制效果。与此相反，对这类常规办法难以控制的对象，有经验的操作人员进行手动控制，往往可以收到较为满意的控制效果。模糊数学创始人、控制论专家扎德（Zadeh）教授曾举过一个很有说服力的例子，即汽车停车过程控制的例子。假若停车场上已经停满了很多汽车，现在要把一辆汽车停到刚好可以放下它的两辆汽车之间的空隙中去。用控制理论论的方法解决这个问题，首先应建立停车过程的数学模型即汽车的状态方程，它涉及到多个变量，包括汽车的位置，汽车车身的方向，汽车的速度，前轮的角度等。汽车在拥挤的停车场运行或移动，又不能与其它汽车碰撞，因此汽车与周围汽车之间的距离又构成一组约束。由于约束
