單片機車載網(wǎng)絡(luò)第1章.ppt

1、第1章 汽車電子控制系統(tǒng)發(fā)展概述,1.1 汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展歷程 1.2 汽車電子控制系統(tǒng)的優(yōu)越性 1.3 控制理論基礎(chǔ),1.1 汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展歷程,20世紀(jì)中期，微電子技術(shù)發(fā)展迅猛，這給汽車工業(yè)的發(fā)展帶來了蓬勃的生機，可以說汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展是由電子技術(shù)的發(fā)展而帶動起來的。 20世紀(jì)50年代到70年代末主要是發(fā)展獨立性的零部件，利用電子裝置來改善部分機械部件的性能。1948年晶體管問世；1955年晶體管收音機開始在汽車上投入使用；1960年硅二極管整流式交流發(fā)電機取代了直流發(fā)電機；1963年晶體管電壓調(diào)節(jié)器和晶體管點火裝置開始在汽車上安裝使用，逐步實現(xiàn)集成化；1970年變速器

2、的電子控制裝置在汽車上投入使用。,20世紀(jì)70年代末到80年代中期主要是發(fā)展一些獨立系統(tǒng)，汽車電子控制技術(shù)開始形成，大規(guī)模集成電路得到廣泛的應(yīng)用。1973年美國通用汽車公司采用IC點火裝置并逐漸普及；1976年美國克萊斯勒公司首先研制出由模擬計算機對發(fā)動機點火時刻進行控制的電子點火系統(tǒng)；1977年美國通用公司開始采用數(shù)字式點火時刻控制系統(tǒng)；1980年單點噴射式電子控制燃油噴射裝置應(yīng)用在汽車上，之后電噴技術(shù)逐漸成熟，并開始大規(guī)模使用。 20世紀(jì)80年代中期到90年代末主要是開發(fā)各種車輛整體的電子控制系統(tǒng)，以微處理器為核心的微機控制系統(tǒng)在汽車上開始大規(guī)模地使用，其技術(shù)逐漸成熟完善，并向智能化發(fā)展，

3、進入了汽車電子化的時代。,2000年以后汽車電子控制系統(tǒng)進入智能化和網(wǎng)絡(luò)化時代。汽車產(chǎn)品大量采用人工智能技術(shù)，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行信息的傳遞與交換，汽車技術(shù)更加自動化、智能化。 隨著汽車電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車電子設(shè)備的成本占汽車總成本的比重約來越大，其具體應(yīng)用見表1-1。,表1-1 汽車電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用,1.2 汽車電子控制系統(tǒng)的優(yōu)越性,電子技術(shù)在汽車發(fā)動機及整車上的廣泛應(yīng)用，使得汽車在各種工況下始終處于最佳的工作狀態(tài)，各項性能指標(biāo)都獲得了較大改善，例如燃油消耗降低、動力性提高、排氣污染減少，并大大提高了汽車工作的可靠性、安全性和乘員舒適性。電子技術(shù)可使汽車、道路、環(huán)境和乘員之間形成一個

4、完整的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，這是采用任何機械的辦法都無法達到的。 電子裝置運行極為精確，并且本身不會磨損。若把電子技術(shù)應(yīng)用于汽車控制與監(jiān)測，利用其自學(xué)習(xí)功能和一些閉環(huán)控制，使生產(chǎn)中、運行中產(chǎn)生的一些誤差受到嚴(yán)格控制，這將改善汽車的功能效用，并能延長汽車的維修周期和使用壽命。,1.3 控制理論基礎(chǔ),1.3.1 PID控制 PID控制即比例-積分-微分控制，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)較成熟、應(yīng)用最廣泛的一種控制方式。PID控制最大的優(yōu)點是不需了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，只需根據(jù)經(jīng)驗進行調(diào)節(jié)器參數(shù)的在線整定，即可獲得滿意的結(jié)果；它的不足之處是對被控對象參數(shù)的變化比較敏感。,1微機PID控制系統(tǒng)原理 PID控制可用微機實現(xiàn)，

5、稱做數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。微機PID控制系統(tǒng)的原理見圖1-1。,圖1-1 微機PID控制系統(tǒng)基本原理,微機PID控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)方案由反饋原理組成，其輸出被反饋到輸入端，輸入信號與反饋信號比較后的偏差送到數(shù)字PID控制器，控制器得到調(diào)節(jié)控制量，再經(jīng)過被控對象輸出，即根據(jù)偏差的變化來調(diào)節(jié)控制量。另外，計算機只能處理離散的數(shù)字量，這樣在采集輸入信號時就必須通過采樣器把傳感器提供的模擬量先轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字量，而在輸出信號時又必須把離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構(gòu)所需要的連續(xù)的模擬量。圖1-1中的零階保持器實際上就是D/A轉(zhuǎn)換器。,(1) 為比例控制項，其中為比例系數(shù)。比

6、例的調(diào)節(jié)作用就是按比例來控制系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例控制立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。加大比例，可以加快調(diào)節(jié)、減少誤差，但是過大的比例會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。,2PID控制規(guī)律及調(diào)節(jié)作用 PID控制規(guī)律的連續(xù)形式表達式為,(1-1),(2) 為積分控制項，其中為積分時間常數(shù)。積分的調(diào)節(jié)作用使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。當(dāng)存在誤差時，積分調(diào)節(jié)開始進行，直至誤差消失，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出為常數(shù)。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越小，積分作用就越強，反之則積分作用越弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分調(diào)節(jié)作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI(

7、比例-積分)調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。,(3) 為微分控制項，其中為微分時間常數(shù)。微分的調(diào)節(jié)作用反映了系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，微分的調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的微分調(diào)節(jié)對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反映的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分調(diào)節(jié)作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD(比例-微分)或PID調(diào)節(jié)器。,(4) 為控制量的基準(zhǔn)值，即偏差時的控制量。 另外，如前所述

8、，因計算機控制是采樣控制系統(tǒng)，只能由采樣時刻的偏差值來計算控制量，故控制規(guī)律只能用數(shù)值計算的方法逼近，因此式(1-1)的離散化處理的數(shù)學(xué)表達式為,(1-2),式中，為本次和上次的采樣偏差值；T為采樣周期，如果T取得足夠小，這種逼近會相當(dāng)準(zhǔn)確。,1.3.2 最優(yōu)控制 1概述 最優(yōu)控制是現(xiàn)代控制理論的一個重要組成部分。一個典型的最優(yōu)控制問題描述如下：被控系統(tǒng)的狀態(tài)方程和初始條件給定，同時給定目標(biāo)函數(shù)，然后尋找一個可行的控制方法使系統(tǒng)從輸出狀態(tài)過渡到目標(biāo)狀態(tài)，并達到最優(yōu)的性能指標(biāo)。,2最優(yōu)控制法的基本原理 設(shè)狀態(tài)方程的規(guī)范表達形式為,(1-3),式中：A為系統(tǒng)矩陣；B為控制矩陣；C為輸出矩陣；D為擾

9、動矩陣；X為狀態(tài)向量；U為控制向量；Y為輸出向量； 為擾動向量。 評價控制系統(tǒng)性能的二次型目標(biāo)函數(shù)為,JV,(1-4),式中：為狀態(tài)變量的加權(quán)矩陣；為控制變量的加權(quán)矩陣。第一項是要使系統(tǒng)盡快從非零狀態(tài)轉(zhuǎn)移到零狀態(tài)，即系統(tǒng)的調(diào)整時間要短，超調(diào)量要小，但調(diào)整時間越短，控制量越大，能量也越大；第二項就是要抑制調(diào)節(jié)過程中的控制量，使控制量在執(zhí)行機構(gòu)允許的范圍內(nèi)并且節(jié)能。、都是加權(quán)矩陣，可用隨機的方法來決定。Q、R取不同的值表示對不同的分量加不同的權(quán)系數(shù)，如果認(rèn)為某一個分量特別需要約束，則對它所加的權(quán)系數(shù)較大；如果認(rèn)為某一個分量無關(guān)緊要，可以不加約束，則對它所加的權(quán)系數(shù)為零。由于對控制向量U的每一個分量

10、都需約束，因此矩陣R為正定對稱矩陣。對狀態(tài)向量X，則不一定每個分量都需加以約束，故矩陣Q可取為半正定對稱矩陣。實踐證明，正確選取加權(quán)矩陣的值十分重要，不同的加權(quán)矩陣得到不同的系統(tǒng)性能。,最優(yōu)控制算法實質(zhì)上是在約束條件下求解極值的問題。 應(yīng)用極值原理，求解最優(yōu)控制問題，使JV為最小，可得到著名的Riccati方程：,(1-5),由此可求出矩陣P，繼而求出反饋控制矩陣K為,這樣可解出控制向量U為,1.3.3 自適應(yīng)控制 在日常生活中，所謂自適應(yīng)是指生物能改變自己的習(xí)性以適應(yīng)新環(huán)境的一種特征。因此，自適應(yīng)控制器是這樣一種控制器，它能不斷地修正自己的特性以適應(yīng)對象和擾動的動態(tài)特性的變化。,自適應(yīng)控制的

11、研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機因素。任何一個實際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時表現(xiàn)在系統(tǒng)外部。從系統(tǒng)內(nèi)部來講，描述被控對象的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計者事先并不一定能準(zhǔn)確知道；從系統(tǒng)外部來講，外部環(huán)境對系統(tǒng)的影響可以等效地用許多擾動來表示，而這些擾動通常是不可預(yù)測的。此外，還有一些測量時產(chǎn)生的不確定因素進入系統(tǒng)。面對這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設(shè)計適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)，使得某一指定的性能指標(biāo)達到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究并解決的

12、問題。,自適應(yīng)控制也是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，它和常規(guī)的反饋控制和最優(yōu)控制不同的只是自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動的先驗知識比較少，需要在系統(tǒng)的運行過程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐步完善。具體地說，就是依據(jù)系統(tǒng)的輸入/輸出數(shù)據(jù)，不斷地優(yōu)化模型參數(shù)，隨著控制過程的不斷進行，模型會變得越來越準(zhǔn)確，越來越接近于實際，這種模型的控制作用也將隨之不斷地改進。也就是說，控制系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力。例如，當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)計階段，由于對象特性的初始信息比較缺乏，系統(tǒng)在剛開始投入運行時可能性能不理想，但是只要經(jīng)過一段時間的運行，控制系統(tǒng)逐漸適應(yīng)，最終將自身調(diào)整到一個滿意的工作狀態(tài)。,常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)對

13、于系統(tǒng)內(nèi)部特性的變化和外部擾動的影響都具有一定的抑制能力，但是由于控制器參數(shù)是固定的，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部特性的變化或者外部擾動的變化幅度很大時，系統(tǒng)的性能常常會大幅度下降，甚至不穩(wěn)定。因此對那些對象特性或擾動特性變化范圍很大、同時又要求經(jīng)常保持高性能指標(biāo)的系統(tǒng)，采取自適應(yīng)控制是合適的。同時也應(yīng)當(dāng)指出，自適應(yīng)控制比常規(guī)反饋控制要復(fù)雜得多，成本也高得多，因此只是當(dāng)用常規(guī)反饋控制達不到所期望的性能時，才會考慮采用自適應(yīng)控制 。,1.3.4 模糊控制 1模糊現(xiàn)象 人們在日常生活中碰到的大量事物都具有模糊性，如“大與小”、“高與矮”、“胖與瘦”等，很難在它們之間劃分出一條截然分明的界限，這類現(xiàn)象稱為模糊現(xiàn)象。研

14、究這一類模糊現(xiàn)象的數(shù)學(xué)稱為模糊數(shù)學(xué)。,2模糊控制的特點 模糊控制實質(zhì)上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的基本思想是模仿人工控制活動中人腦的模糊概念和成功的控制策略，運用模糊數(shù)學(xué)將人工控制策略用計算機來實現(xiàn)。模糊控制不依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，因而對系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感。另外，它的控制算法是基于若干條控制規(guī)則，算法非常簡捷，適合于像汽車這一類快動態(tài)系統(tǒng)。模糊控制具有如下一些突出特點：,(1) 模糊控制是一種基于規(guī)則的控制。它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設(shè)計簡

15、單，便于應(yīng)用。 (2) 由工業(yè)過程的定性認(rèn)識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。,(3) 基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計方法，由于出發(fā)點和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大的差異；但一個系統(tǒng)的語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規(guī)則間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。 (4) 模糊控制算法是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則而設(shè)計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。,3模糊控制的工作原理 模糊控制系統(tǒng)的框圖如圖1-2所示。,圖1-2 模糊控制系統(tǒng)框

16、圖,模糊控制的基本方法如下。 1) 將精確的量模糊化 此處的精確量是指模糊控制器的輸入量和控制量的基本論域(研究某一具體問題時總是把議題限制在某一范圍內(nèi)，稱為論域)。常用的論域是系統(tǒng)的偏差e、偏差變化率 和控制量u。 精確量模糊化的規(guī)則是一樣的，現(xiàn)以偏差e為例。設(shè)偏差的基本論域為x，x，偏差所取的模糊集論域為 n，n+1，0，1，即可得到精確量模糊化的量化因子 = n / x 。實際一般做法是將值設(shè)定為6，若偏差的變化不在6，+6內(nèi)， 而在a，b內(nèi)，則可通過變換公式，把a，b間變化的變量轉(zhuǎn)化為在6，+6之間變化的變量。,2) 將模糊量分解成模糊子集 精確量模糊化后的模糊變量繼續(xù)劃分成幾個不同的

17、模糊子集。模糊子集的劃分方法有一定的主觀性，一般根據(jù)經(jīng)驗來定，但習(xí)慣上多分成8個子集，即相應(yīng)地為 正大(PL)，正中(PM)，正小(PS)，正零(PO) 負(fù)零(NO)，負(fù)小(NS)，負(fù)中(NM)，負(fù)大(NL) 模糊子集劃分完成以后，模糊隸屬函數(shù)也就構(gòu)成了，模糊隸屬函數(shù)將01之間的變數(shù)值分配給每一個模糊子集，如表1-2所示。,表1-2 精確量離散化所得模糊子集的隸屬函數(shù),3) 構(gòu)造模糊控制規(guī)則集 設(shè) 、 、 分別表示偏差e、偏差變化率 和控制量u的模糊量，那么典型的模糊控制規(guī)則集如表1-3所示。,表1-3 典型控制規(guī)則集,控制規(guī)則集是實踐經(jīng)驗的總結(jié)，它由若干模糊條件語句組成，若 =NL，則不論 為何值，都應(yīng)使e迅速下降，故取 =PL；若 =NO， =PS，則取 =NS以消除偏差。這些規(guī)則是既要迅速消除偏差，又要防止超調(diào)和振蕩。,4) 確定系統(tǒng)的模糊輸出量 根據(jù)上述模糊控制規(guī)則集中每一條語句，即,If and , then,確定模糊關(guān)系為,=( ) ,定義為,(1-6),(1-7),實際上，優(yōu)秀的操作人員的控制經(jīng)驗可歸結(jié)為一系列條件語句,有了控制規(guī)則表，