單片機(jī)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(jī)，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(dòng)起來的。 20世紀(jì)50年代到70年代末主要是發(fā)展獨(dú)立性的零部件，利用電子裝置來改善部分機(jī)械部件的性能。1948年晶體管問世；1955年晶體管收音機(jī)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(jī)取代了直流發(fā)電機(jī)；1963年晶體管電壓調(diào)節(jié)器和晶體管點(diǎn)火裝置開始在汽車上安裝使用，逐步實(shí)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(dú)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(diǎn)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(jì)算機(jī)對發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行控制的電子點(diǎn)火系統(tǒng)；1977年美國通用公司開始采用數(shù)字式點(diǎn)火時(shí)刻控制系統(tǒng)；1980年單點(diǎn)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(jī)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(jìn)入了汽車電子化的時(shí)代。,2000年以后汽車電子控制系統(tǒng)進(jìn)入智能化和網(wǎng)絡(luò)化時(shí)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(jìn)行信息的傳遞與交換，汽車技術(shù)更加自動(dòng)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(dòng)機(jī)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(xiàng)性能指標(biāo)都獲得了較大改善，例如燃油消耗降低、動(dòng)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(gè)

4、完整的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，這是采用任何機(jī)械的辦法都無法達(dá)到的。 電子裝置運(yùn)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(yùn)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(diǎn)是不需了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，只需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(jī)PID控制系統(tǒng)原理 PID控制可用微機(jī)實(shí)現(xiàn)，

5、稱做數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。微機(jī)PID控制系統(tǒng)的原理見圖1-1。,圖1-1 微機(jī)PID控制系統(tǒng)基本原理,微機(jī)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(jì)算機(jī)只能處理離散的數(shù)字量，這樣在采集輸入信號時(shí)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(jìn)制數(shù)字量，而在輸出信號時(shí)又必須把離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的連續(xù)的模擬量。圖1-1中的零階保持器實(shí)際上就是D/A轉(zhuǎn)換器。,(1) 為比例控制項(xiàng)，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(dá)式為,(1-1),(2) 為積分控制項(xiàng)，其中為積分時(shí)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(shí)，積分調(diào)節(jié)開始進(jìn)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(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越小，積分作用就越強(qiáng)，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(dòng)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(xiàng)，其中為微分時(shí)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(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)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(shí)，微分作用輸出為零。微分調(diào)節(jié)作用不能單獨(dú)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(shí)的控制量。 另外，如前所述

8、，因計(jì)算機(jī)控制是采樣控制系統(tǒng)，只能由采樣時(shí)刻的偏差值來計(jì)算控制量，故控制規(guī)律只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近，因此式(1-1)的離散化處理的數(shù)學(xué)表達(dá)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(gè)重要組成部分。一個(gè)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(shí)給定目標(biāo)函數(shù)，然后尋找一個(gè)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(dá)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(dá)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(dòng)矩陣；X為狀態(tài)向量；U為控制向量；Y為輸出向量； 為擾動(dòng)向量。 評價(jià)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(xiàng)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(shí)間要短，超調(diào)量要小，但調(diào)整時(shí)間越短，控制量越大，能量也越大；第二項(xiàng)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(jī)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(jī)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)分量都需加以約束，故矩陣Q可取為半正定對稱矩陣。實(shí)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(shí)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(dòng)的動(dòng)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(jī)因素。任何一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時(shí)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(jì)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(dòng)來表示，而這些擾動(dòng)通常是不可預(yù)測的。此外，還有一些測量時(shí)產(chǎn)生的不確定因素進(jìn)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(jì)適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)，使得某一指定的性能指標(biāo)達(dá)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(dòng)的先驗(yàn)知識比較少，需要在系統(tǒng)的運(yùn)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(jìn)行，模型會變得越來越準(zhǔn)確，越來越接近于實(shí)際，這種模型的控制作用也將隨之不斷地改進(jìn)。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(jì)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(yùn)行時(shí)可能性能不理想，但是只要經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，控制系統(tǒng)逐漸適應(yīng)，最終將自身調(diào)整到一個(gè)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(dòng)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(dòng)的變化幅度很大時(shí)，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(dòng)特性變化范圍很大、同時(shí)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(shí)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(dá)不到所期望的性能時(shí)，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(diǎn) 模糊控制實(shí)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(dòng)中人腦的模糊概念和成功的控制策略，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)將人工控制策略用計(jì)算機(jī)來實(shí)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)。模糊控制具有如下一些突出特點(diǎn)：,(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(diǎn)是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計(jì)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(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大的差異；但一個(gè)系統(tǒng)的語言控制規(guī)則卻具有相對的獨(dú)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(jì)的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強(qiáng)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(shí)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?yàn)閤，x，偏差所取的模糊集論域?yàn)?n，n+1，0，1，即可得到精確量模糊化的量化因子 = n / x 。實(shí)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(bǔ)，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(gè)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(yàn)來定，但習(xí)慣上多分成8個(gè)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(gè)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(shí)際上，優(yōu)秀的操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)可歸結(jié)為一系列條件語句,有了控制規(guī)則表，