开环控制系统.docx

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开环控制系统

（1）开环控制系统

（2）闭环控制系统

按控制系统有无反馈环节分类

（1）开环控制系统 若系统的输出量对系统的控制作用不产生影响（即无检测反馈单元），则称为开环控制系统。

开环控制系统的控制精度完全取决于各单元的精度，因此，它主要使用在精度要求不高并且不存在内外干扰的场合。

但开环控制系统结构简单，且一般不存在稳定性的问题。

（2）闭环控制系统,,系统的输出通过检测反馈单元返回来作用于控制部分，形成闭合回路，这种控制系统就称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统。

其优点是能够自动纠正外部干扰和系统内参数变化引起的偏差，这样就可以采用精度不太高而成本较低的元件，组成一个较为精确的控制系统。

但是闭环控制系统也有它的缺点。

由于闭环控制系统是以偏差消除偏差的，即系统要工作就必须有偏差存在，因此这类系统不会有很高的精度。

同时，由于组成系统的元件有惯性、传动链的间隙等因素存在，如配合不当，将会引起反馈控制系统的振荡，从而系统不能稳定工作，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。

2．按输入量变化的规律来分类

（1）恒值控制系统 恒值控制系统的特点是，系统的输入量是恒值，并要求系统的输出量相应地保持恒定值。

它是一种最常见的自动控制系统，如自动调速系统、恒温控制系统、恒张力控制系统等，都属于恒值控制系统。

（2）随动控制系统 随动控制系统的特点是，输入量是变化的（有时是随机的），并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化，故随动系统又称为伺服系统或跟踪系统。

它广泛地应用于飞机、舰船、武器（火炮、导弹）和雷达等的运动控制。

   （3）过程控制系统 该系统的输出量是按给定的时间函数实现控制的。

这类系统广泛地应用于化工、冶金、造纸、食品等工业的工艺过程参数控制，如温度、压力、流量、液位、pH值等。

过程控制系统也可称为程序控制系统，往往内含伺服控制系统。

   以上三种控制系统都是闭环控制系统。

   3．按系统传输信号对时间的关系分类

（1）连续控制系统  连续控制系统的特点是，控制作用的信号是连续量或模拟量。

如随动系统就是连续控制系统，因为作用于系统的信号是模拟量。

（2）离散控制系统 又称采样控制系统。

它的特点是，作用于系统的控制信号是连续量、数字量或采样数据量。

通常采样数值计算机控制的系统都是离散系统。

4．按系统输出量和输入量的关系分类

（1）线性系统 线性系统的特点是，系统的输出量和输入量的关系是线性的，它的各个环节或系统都可以用线性微分方程来描述，可以应用叠加原理和拉氏变换解决线性系统中的问题。

（2）非线性系统 非线性系统的特点是，其中的一些环节具有非线性性质（例如出现饱和死区、滞环等）。

它们往往要采用非线性的微分方程来描述。

此外，叠加原理对非线性系统是不适用的。

另外，按系统主要组成元件的物理性质，可将控制系统分为电气控制系统、液压控制系统和电一液控制系统。

5．简化的汽车电子控制系统模型

从控制原理来看，汽车电控系统可以简化为传感器、ECU和执行器三大组成部分。

传感器是感知信息的部件，功用是向ECU提供汽车运行状况和发动机工况等。

ECU接收来自传感器的信息，经信息处理后发出相应的控制指令给执行器。

执行器即执行元件，其功用是执行ECU的专项指令，从而完成控制目的。

传感器、ECU和执行器三部分相互间的工作关系如图4-4所示。

图4-4传感器、ECU和执行器之间的工作关系

三、汽车电子控制系统简介

汽车电子控制系统可以分为以下四个部分：

1）发动机和动力传动集中控制系统。

包括发动机集中控制系统、自动化变速控制系统、制动防抱死和牵引力控制系统等；

2）底盘综合控制和安全系统。

包括车辆稳定控制系统、主动式车身姿态控制系统、巡航控制系统、防撞预警系统、驾驶员智能支持系统等；

3）智能车身电子系统。

自动调节座椅系统、智能前灯系统、汽车夜视系统、电子门锁与防盗系统等；

4）通讯与信息/娱乐系统。

包括智能汽车导航系统、语音识别系统、“ONSTAR”系统（具有自动呼救与查询等功能）、汽车维修数据传输系统、汽车音响系统、实时交通信息咨询系统、动态车辆跟踪与管理系统、信息化服务系统（含网络等）等。

下面简单介绍一下目前较多见且较成熟的部分地区汽车电子控制装置。

（一）发动机控制部分

1．电控点火装置（ESA）

该系统可使发动机在不同转速、进气量等因素下，在最佳点火提前角工况下工作，使发动机输出最大的功率和转矩，而将油耗和排放降低到最低限度。

该系统分为开环和闭环两种控制。

电控点火装置闭环控制系统通过爆震传感器进行反馈控制，其点火时刻的控制精度比开环高，但排气净化差些。

   2．电控汽油喷射（EFI）

  该系统根据各传感器输送来的信号，能有效控制混合气空燃比，使发动机在各种工况下空燃比达到较佳值，从而实现提高功率、降低油耗、减少排气污染等功效。

该系统可分为开环和闭环两种控制。

闭环控制是在开环控制的基础上，在一定条件下，由计算机根据氧传感器输出的含氧浓度信号修正燃油供给量，使混合气空燃比保持在理想状态下。

3．废气再循环控制（EGR）

   该系统是将一部分排气中的废气引入进气侧的新鲜混合气中再次燃烧，以抑制发动机有害气体氮氧化合物的生成。

该系统能根据发动机的工况适时地调节参与废气再循环的废气循环率，以减少排气中的有害气体氮氧化合物。

它是一种排气净化的有效手段。

   4．怠速控制（ISC）

   该系统能根据发动机冷却液温度及其它有关参数，如空调开关信号、动力转向开关信号等，使发动机的怠速处于最佳状态。

   除以上控制装置外，发动机部分的控制内容还有：

发动机输出、冷却风扇、发动机排量、气门正时、二次空气喷射、发动机增压、油气蒸发控制及系统自诊断等。

   另外，随着计算机技术的进一步发展，计算机将会在现代汽车上承担更重要的任务，如控制燃烧室的容积和形状、控制压缩比、检测汽车零件逐渐增加的机械磨损等。

（二）底盘控制部分

1．电控自动变速器（ECT）

   该装置有多种形式。

它能根据发动机节气门开度和车速等行驶条件，按照换档特性精确地控制变速比，使汽车处于最佳档位。

该装置具有提高传动效率、降低油耗、改善换档舒适性、提高汽车行驶平稳性以及延长变速器使用寿命等优点。

   2．防滑控制系统

   防滑控制包括制动防抱死（ABS）、牵引控制（TCS）、驱动防滑（ASR）和车辆横向稳定性控制系统（VSC）。

该系统可以提高制动效能，防止汽车在制动、起步、驱动和转弯时产生侧滑，是保证行车安全和防止事故发生的重要措施。

   3．电子控制动力转向

电子控制动力转向的型式较多，目前汽车动力转向的发展趋势为四轮转向系统。

它们分别显示出不同的优越性，如有的可获得最优化的转向作用力特性、最优化的转向回正特性，改善行驶的稳定性以及发挥节能和降低成本的作用；有的主要是为了提高转向能力和转向响应性；有的主要用来改善高速行驶时的稳定性。

目前电控前轮动力转向较普及，通过控制转向力，保证汽车原地或低速行驶时转向轻便，而高速行驶时又确保安全。

   4．电控悬挂（TEMS）

该系统能根据不同的路面状况，控制车辆高度，调整悬挂的阻尼特性及弹性刚度，改善车辆行驶的稳定性、操纵性和乘坐舒适性。

5．巡航控制系统（CCS）

   该系统又称恒速行驶系统。

汽车在高速公路上长时间行驶时，打开该系统的自动操纵开关后，恒速行驶装置将根据行驶阻力自动增减节气门开度，使汽车行驶速度保持一定。

该系统可以减轻驾驶员长途驾驶之疲劳。

   （三）行驶安全系统

   1．安全气囊（SRS）

   该系统是国外汽车上一种常见的被动安全装置。

在车辆相撞时，由电控元件用电流引爆安置在方向盘中央（有的在仪表盘板杂务箱后边也安装）等处气囊中的渗氮物，迅速燃烧产生氮气，瞬间充满气囊。

气囊的作用是在驾驶员与方向盘之间、前座乘员与仪表板间形成一个缓冲软垫，避免硬性撞击而受伤。

此装置一定要与安全带配合使用，否则效果大为降低。

   2．雷达防撞系统

   该系统有多种形式。

有的在汽车行驶中，当两车的距离小到安全距离时，即自动报警，若继续行驶，则会在即将相撞的瞬间，自动控制汽车制动器将汽车停住；有的是在汽车倒车时，显示车后障碍物的距离，有效地防止倒车事故发生。

   3．驱动防滑控制系统（ASR）

   该系统是在制动防抱死系统的基础上开发的，两系统有许多共同组件。

该系统装置利用驱动轮上的转速传感器，当感受到驱动轮打滑时，控制元件便通过制动或通过油门降低转速，使之不再打滑。

它实质上是一种速度调节器，可以在起步和弯道中速度发生急剧变化时，改善车轮与地面间的附着力，提高其安全性。

该系统装置在雪地或湿滑路面上，较能发挥其特性。

4．安全带控制系统

   该系统在汽车发生任何撞击的情况下，可瞬间束紧安全带。

有的汽车上只有当计算机确认驾驶员和乘客安全带使用正确无误时，发动机才能被起动。

   5．前照灯控制系统

   该系统可在前照灯照明范围内，随着方向盘的转动而转动，并能在会车时自动启闭和防眩。

   除上述装置外，已经开发出各种各样的安全装置，如自动门窗装置、车门自动闭锁装置、防盗装置、车钥匙忘拔报警装置和语言开门（无钥匙）装置等。

   （四）信息系统

随着电子化的发展，汽车信息系统越来越庞大，远远超出如车速、里程、冷却液温度、油压等相关范围，逐渐向全面反映车辆工况和行驶动态等功能发展。

科目繁多的信息装置正在源源不断地进入汽车领域。

1．信息显示与报警系统

该系统可将发动机的工况和其它信息参数，通过微处理机处理后，输出对驾驶员更有用的信息，并用数字显示、线条显示或声光报警。

   显示的信息除冷却液温度、油压、车速、发动机转速等常见的内容外，还有瞬时耗油量、平均耗油量、平均车速、行驶里程、车外温度等。

根据驾驶员的需要，可随时调出显示这些信息。

   监视和报警的信息主要有：

燃油温度、冷却液温度、油压、充电、尾灯、前照灯、排气温度、制动液量、手制动、车门未关严等。

当出现不正常现象或自诊断系统测出有故障时，立即由声光报警。

   2．语言信息系统

   过去一般信息显示都是靠驾驶员查看仪表，用视觉感知，这样容易造成遗漏。

现在出现了语言信息，包括语音报警和语音控制两类。

   语音报警是在汽车出现不正常情况，如冷却液温度、水位、油位不正常，制动液不足和蓄电池充电值偏低等情况时，计算机经过逻辑判断，输出信息至扬声器，发出模拟人的声音向驾驶员报警，如“水位不正常”、“请加油”等，多数还同时用灯光报警。

   语音控制是用驾驶员的声音来指挥和控制汽车的某个部件、设备进行动作。

   3．车用导航系统与定位系统

   该系统是近几年研究的新课题。

它可在城市或公路网范围内，定向选择最佳行驶路线，并能在屏幕上显示地图，表示汽车行驶中的位置，以及到达目的地的方向和距离。

这实质是汽车行驶向智能化发展的方向，再进一步就可成为无人驾驶汽车。

   4．通信系统

   这方面真正使用且采用最多的是汽车电话，在美国、日本、欧洲等发达国家较普及。

目前的水平在不断地提高，除车与路之间，车与车之间，车与飞机等交通工具之间的通话外，还可通过卫星与国际电话网相联，实现行驶过程中的国际间电话通信，实现网络信息交换，图像传输等。

   （五）附属装置

   1．全自动空调（EA/C）

   该装置突破单一的空气温度调节功能，根据设计在车内的各种温度传感器（车内温度、大气温度、日照强度、蒸发器温度、发动机冷却液温度等）输入的信号，由计算机进行平衡温度演算，对进气转换风门、混合风门、水阀、加热断电器、压缩机、鼓风机等进行控制；根据乘客要求，保持车内的温度等小气候处于最佳值（人体感觉最舒适的状态）。

   2．自动座椅

   该装置是人体工程技术与电子控制技术相结合的产物，它能使座椅适应乘客的不同体型，满足乘客的舒适性的要求。

   3．音响／音像

   车内装有立体音响、CD等。

放音系统可实现立体声补偿、立体声音响自动选台，显示器实现数码选台。

四、ECU的功能与组成

1．ECU的功能 

ECU是一种电子综合控制装置，它所具备的基本功能如下：

1）接受传感器或其他装置输入的信息，给传感器提供参考（基准）电压：

2V、5V、9V、12V；将输入的信息转变为微机所能接受的信号。

2）存储、计算、分析处理信息；计算出输出值所用的程序；存储该车型的特点参数；存储运算中的数据（随存随取），存储故障信息。

3）运算分析。

根据信息参数求出执行命令数值；将输出的信息与标准值对比，查出故障。

4）输出执行命令。

把弱信号变为强的执行命令数值；输出故障信息。

5）自我修正功能（自适应功能）。

 在发动机控制系统中，ECU不仅用来控制汽油喷射系统，同时还具有点火提前角控制、怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制、自诊断、失效保护和备用控制系统等多项控制功用。

在发动机控制系统中，由于使用微机，与以往的模拟电路控制相比，信号处理的速度和容量大大提高，因此，就可以实现多功能的高精度集中控制。

2．ECU的组成

发动机集中控制系统ECU的组成如图4-5所示。

ECU主要由输入回路、A/D转换器（模/数转换器）、微型计算机和输出回路四部分组成。

图4-5 ECU的组成

1-传感器2—模拟信号3—输入回路4—A/D转换器5—输出回路

6—执行元件7—微机8—数字信号9—ROM/RAM记忆装置

（1）输入回路 输入ECU的传感器信号有两种：

一种是模拟信号（图4-6a），如：

热线式空气流量计的输出信号和冷却液温度传感器的输出信号等；另一种是数字信号（图4-6b），如卡门涡流式空气流量计的输出信号和转速传感器的输出信号等。

信号的类型不同，输入ECU后的处理方法也不一样。

从传感器输出的信号输入ECU后，首先通过输入回路，其中数字信号直接输入微机，模拟信号则由A/D转换器转换成数字信号之后再输入微机。

图4-6 传感器输入信号的种类

a）模拟信号        b）数字信号

输入回路的作用是将传感器输入的信号，在除去杂波和把正弦波转变为矩形波后，再转换成输入电平（图4-7）。

图4-7 输入回路的作用

1-除去杂波  2—输入回路

（2）A/D转换器（模拟/数字转换器） 由传感器输入的模拟信号，微机不能直接处理，故要用A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，再输入微机。

图4-8所示为空气流量计输出模拟信号由A/D转换器处理示意图。

图4-8 模拟信号转换处理

1-空气流量计  2—输入回路  3—转换器  4—微机

（3）微型计算机 微机的功用是根据发动机工作的需要，把各种传感器送来的信号用内存的程序（微机处理的顺序）和数据进行运算处理，并把处理结果如汽油喷射控制信号、点火控制信号等送往输出回路。

微机的内部结构如图4-9所示，是由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出装置等组成。

图4-9 微型电子计算机的构成

1-存储器 2—信息转送通路  3—输入/输出

1）中央处理器（CPU）。

中央处理器的功用是读出命令并执行数据处理任务。

CPU是由进行数据算术运算和逻辑运算的运算器、暂时存储数据的寄存器、按照程序进行各装置之间信号传送及控制任务的控制器等组成（图4-10）。

图4-10  CPU的组成

1-控制信号2—数据3—信息传达通道4—控制器

5—寄存器6—运算器

2）存储器。

存储器的功用是记忆存储程序和数据，一般由几个只读存储器ROM和随机存取存储器RAM组成。

ROM是读出专用存储器，存储内容一次写入后就不能改变，但可以调出使用。

ROM存储器存储的内容，即使切断电源，其记忆的内容也不丢失，故适用于对各种程序和数据的长期保留。

近年可编程只读存储器（EPROM）已在汽车微机中得到应用，该存储器可由紫外线将其记忆内容消去，并可改写存储内容。

随机存储器RAM既能读出也能写入数据记忆在任意地址上。

但是如果切断电源，存储的数据就丢失。

所以RAM只适用于暂时保留过程中的处理数据。

3）输入/输出装置。

输入/输出装置的功用是根据CPU的命令，在外部传感器和执行器之间执行数据传送任务，一般称之为I/O接口。

4）输出回路。

由微机输出的是电压很低的数字信号，用这种信号一般是不能直接驱动执行元件的。

输出回路的功用就是将微机输出的数字信号转换成可以驱动执行元件的输出信号。

输出回路多采用大功率三极管，由微机输出的信号控制其导通和截止，从而控制执行元件的搭铁回路