第十章汽车单片机控制技术简介学习要求熟悉自动控制系统的概念、组成和工作原理,掌握开环控制和闭环控制的特点,了解常用自动控制系统的分类和计算机控制系统的组成,了解汽车单片机控制的特点。熟悉微型计算机和单片机的概念,了解MCS-51单片机的组成、引脚和指令系统,熟悉汽车单片机和汽车电子控制单元的组成与控制原理,了解汽车车载网络基础知识和几种典型的车载网络。自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用。自动控制技术水平的高低也是衡量科学技术先进与否的重要标志之一。现代汽车大多采用以单片机为控制核心的高度自动化的实时自动控制,在优化发动机的动力性、节约能源、行驶安全和减少污染等方面起着重要作用。计算机是一种不需人的直接干预就能高速、自动地进行数据处理的电子装置。存储程序和在程序控制下运行是计算机的基本工作原理。计算机具有自动性、高速性、准确性、逻辑性和通用性。单片微型计算机简称单片机,是微型计算机的一个重要分支。单片机体积小、质量轻、能耗低,广泛应用在家用电器、智能仪表、自动检测、机电设备和汽车等各个方面的自动控制中。车载网络技术可将汽车上的各控制单元,如电控燃油喷射系统、电控点火系统、自动变速器、电控制动防抱死系统、废气再循环控制系统、巡航自动控制系统和空调系统等联网控制,使整车信息资源利用最优化和减轻车身重量。第一节自动控制概述自动控制理论是研究各种自动控制过程共同规律的技术学科。它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节理论。随着科学技术的进步,自动控制原理已发展成为一门独立的学科,它包括工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论。人类在创造和发展各种能源动力机器的同时,即从发明蒸汽机、电动机、内燃机、涡轮喷气发动机、火箭发动机等动力机器的同时,始终伴随着对动力机器控制技术的发明和发展,以便提高动力机器对能源的利用效率,提高对动力机器起动和运行的稳定性控制,提高对动力机器动力输出和环境保护的最佳控制。在人机相对封闭的高速运动载体中,如汽车和飞行舱中,还要提高机器对人的舒适性和安全性的控制等等。动力机器控制技术的发展经历了从手动控制到自动控制的过程,自动控制又经历了从机械控制、电工电子技术控制,到计算机控制及计算机联网控制的发展阶段。计算机控制及计算机联网控制是目前最先进的自动控制技术。现代轿车就是一个以单片微型计算机为核心并联网控制的机电液一体化的以燃油或电力为动力的交通工具。一、自动控制的基本概念所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,利用控制装置对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制,使之按照预定的方案达到要求的指标。自动控制系统性能的优劣,将直接影响到被控设备或系统的工况。1.自动控制的基本方法自动控制系统有两种最基本的形式,即开环控制和闭环控制。复合控制是将开环控制和闭环控制适当结合的控制方式,可用来实现复杂且控制精度较高的控制任务。(1)开环控制开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。即被控量(系统输出)不影响系统控制的控制方式称为开环控制。所以,在开环控制中,不对被控量进行任何检测,在输出端和输入端之间不存在反馈联系。开环控制系统一般由控制器、执行元件和控制对象组成,如图10-1所示。下面以汽油发动机喷油自动控制为例说明。图10-1开环控制系统方框图给定值是要控制被控量的输入信号值。要控制喷油量,首先要把测出的进入气缸的空气量转为相应的数字信号作为给定值输入给控制器。被控量是控制对象按一定规律输出的物理量,通常它是决定控制对象工作状态。如发动机喷油器的喷油量,发动机曲轴的转速等。执行元件起具体执行控制信号或指令的作用,给控制对象施加某种作用,使其改变输出量。如发动机喷油的执行元件是喷油器,给喷油器施加的是脉冲电压,脉冲电压的宽度越宽,喷油量越大。控制器是一种特殊装置,起综合、分析、比较、判断和运算的作用,并能按一定的规律发出控制信号或指令。不同的控制器构成不同,现代控制器通常以微型计算机为核心。汽车发动机电子控制系统的控制器以单片机为核心,配置输入和输出电路后,简称电控单元,用ECU表示。控制器的作用是使系统的输出量与给定量之间保持设定的函数关系。如发动机空气流量传感器测出进气质量后,转换为相关数值的给定值(输入电信号)送给控制器(ECU),控制器按设定的函数关系,控制执行元件(喷油器)喷油,使空气量与燃油量之间的比值为14.7:1,这一比值称为理想空燃比(空气与燃油的质量比值),此比值可以使汽油获得最佳燃烧。开环控制方式的特点是:在给定输入端到输出端之间的信号传递是单向进行的。当受控对象或控制装置受到干扰,或者在工作过程中元件特性发生变化而影响被控量时,系统不能进行自动补偿,所以控制精度难以保证。但是由于它的结构比较简单,因此在控制精度要求不高或元器件工作特征比较稳定而干扰又很小的场合中应用比较广泛。(2)闭环控制若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分,形成闭合环路,则这样的控制称为闭环控制系,又称为反馈控制。闭环控制的方框图如图10-2所示。闭环控制的特点是在控制器和被控对象之间,不仅存在着正向作用,而且还存在着反馈作用,即系统的输出信号对被控制量有直接影响。在闭环控制中,被控量时刻被检测,并通过反馈通道送回到比较元件,与给定值进行比较。闭环控制从原理上提供了实现高精度控制的可能性。图10-2闭环控制系统方框图在发动机喷油闭环控制中,喷油量的多少是否达到理想空燃比,直接影响发动机的燃烧情况。燃烧是否完全或供氧是否过剩,可以用氧传感器检测从发动机排出废气中的含氧量来判断。氧传感器是一种氧化学电池,其产生的电动势与氧浓度差有关。氧传感器产生的电信号反馈到ECU,ECU用软件方式与内存的标准值比较,判断喷油量的差值,对喷油指令进行修正,改变喷油脉宽,从而改变喷油量,使其达到理想空燃比。闭环控制具有自动修正被控制量出现偏离的能力,因此可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差,其控制精度较高,是常用的控制方式。2.自动控制的分类由于控制技术的广泛应用以及控制理论自身的发展,使得控制系统具有各种各样的形式,从不同的角度出发,分类的方式也不相同。以下简介常见的几种分类。(1)按输入信号特征分类定值控制系统:给定信号(给定值)为一常值的控制系统称为定值控制系统。这类控制系统的任务是保证在扰动作用下使被控变量始终保持在给定值上。汽车发动机的缸温控制是定值即定温控制,一般缸温设定在80OC,当缸温超过设定温时,发动机ECU或温控器将起动冷却液循环和风扇散热。随动控制系统:给定信号是一个未知变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。这类控制系统的任务是保证在各种条件下系统的输出(被控变量)以一定精度跟随给定信号的变化而变化,所以这类控制系统又称为跟踪控制系统。发动机点火提前角的控制是典型的高精度、随动控制。它的给定信号是随机信号,就是发动机的转速信号,发动机转速随喷油量和负荷量等因素的变化而变化;发动机转速越高,点火提前角就越大;这是一个闭环控制,检测反馈元件是发动机曲轴转速传感器。程序控制系统:给定信号是一个按一定时间程序变化的时间函数的闭环控制系统称为程序控制系统。汽车喷漆烤漆房的温度控制是程序,其升温、保温、降温过程都是按照预先设定的规律进行控制的。(2)按变量分类单变量控制系统:如果只有一个被控变量和一个控制作用来控制被控对象,则称该系统为单变量控制系统,又称为单输入——单输出系统。多变量控制系统:如果一个控制系统中的被控变量多于一个,控制作用也多于一个,而且各控制回路相互之间有耦合关系,则称这类控制系统为多变量控制系统,也称为多输入—多输出控制系统。汽车发动机电控系统就是一个多变量控制系统,它有多个输入信号,如发动机转速信号、空气流量信号、缸温信号等;它要输出多个变量,如喷油量、点火提前角等去控制发动机。(3)按控制装置分类常规控制器:一般多指采用模拟电路来实现的控制器。简单的控制常采用这种控制器,线路简单,成本低。计算机控制器:复杂的、多变量的、随动的自动控制系统多采用以计算机为核心的控制器。现代汽车中各电控单元都是采用以单片机为核心的控制器。3.对控制系统的基本要求(1)稳定性:稳定性是指系统被控量偏离给定值而振荡时,系统抑制振荡的能力。对于稳定的系统,随着时间的增长,被控量将趋近于希望值。图10-3(a)所示的系统是稳定的,图10-3(b)所示的系统是不稳定的,可见稳定性是保证系统正常工作的先决条件。图10-3自动控制系统稳定性示意图(a)稳定系统(b)不稳定系统(2)快速性:快速性是指被控量趋近希望值的快慢程度。快速性好的系统,它的过渡过程时间就短。图10-4所示的系统②,其快速性要比系统①好。稳定性和快速性是反映系统动态过程好坏的尺度。图10-4自动控制系统快速性示意图(3)准确性:精确性是指过渡过程结束后被控量与希望值接近的程度。工程上常常从稳、快、准三个方面来评价自动控制系统的总体性能。二、计算机控制技术1.计算机控制技术概念如果把自动控制系统的控制器用计算机来代替,这样就可以构成计算机控制系统。如果计算机是微型计算机,就组成微型计算机控制系统,其基本框图如图10-5所示。在微型计算机控制系统中,只要运用各种指令,就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序,就能实现对被控参数的控制。在计算机控制系统中,由于计算机的输入和输出信号都是数字信号,而大部分被控对象的被控参数和控制量都是模拟信号,因此在这样的控制系统中,需要有将模拟信号转换为数字信号的A/D转换器,以及将数字信号转换为模拟信号的D/A转换器。计算机控制系统的控制过程通常可归结为以下三个步骤:(1)数据采集:对被控参数的瞬时值进行检测、采集,并将数据传送给计算机。(2)实时决策:对采集的数据按程序进行分析,与内存数据比较,决定下一步控制过程。(3)实时控制:并按已定的控制规律,适时地对执行单元发出控制信号。上述过程不断重复,使整个系统能够按照一定的性能指标进行工作,并且对被控参数和设备本身出现的异常状态及时监督并做出迅速处理。应用微型计算机控制是一个实时控制系统,它包括硬件和软件两部分。图10-5微型计算机控制系统基本框图2.计算机控制的特点计算机控制系统有两个类别,一类是通用计算机控制系统,适用于高速、大量的数值计算,系统配置多,体积大。另一类是以单片机为主的嵌入式计算机控制系统,它具有微型、嵌入和专用的特点。它以很小的“微型”体积“嵌入”控制对象的载体中,其配置的硬件和软件以适用控制对象为度,系统是“专用”的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、家用电器、汽车、船舶、航空、航天、军事装备等方面均采用有嵌入式计算机控制技术。现代汽车控制系统均采用单片机控制系统。单片机控制系统具有以下特点。(1)适合多变量控制。汽车发动机电控系统是一多变量控制系统。(2)适合数据比较、查找控制。发动机点火提前角度的确定是根据发动机转速和负荷等工况信息,查找内存中的数据确定的。(3)适合计数控制。发动机点火提前角度的控制执行是靠计数控制实现的。(4)适合实时随动控制。汽车的加速控制是实时随动控制,只有脚踏加速踏板,发动机的转速随即提高,这是实时控制喷油量实现的。(5)改变控制模式容易。通过修改软件或内存数据,可以比较容易改变控制模式。(6)适合网络化控制。现代轿车有发动机电控单元、防抱死制动电控单元、动力转向电控单元、主动悬架电控单元、防碰撞电控单元、导航电控单元等几十种电控单元,可以联网控制。第二节计算机与单片机概述一、计算机的发展概况人类在对客观世界的“数量”认识上,从记数、计数到计算,经历了漫长的历史阶段,即从手工计算阶段、机械计算阶段,一直发展到现今的电子计算机计算阶段。电子计算机的发展常以电子器件为标志划分为四个阶段。第一代计算机(1945年-1958年),以电子管作为逻辑元件。主要用于科学和工程计算;运算速度每秒几千次至几万次。第二代计算机(1958年-1964年),以晶体管作为逻辑元件,用磁芯做主存储器。体积缩小、功耗降低,提高了速度和可靠性;每秒运