汽車電子及控制技術(shù)發(fā)展歷程和趨勢

景治瑞　李強(qiáng)　梁快

摘 要：由于全球范圍內(nèi)轎車制造業(yè)的高速增長，轎車的生產(chǎn)以及轎車的保有量急劇增加。車輛在為我們的生活提供很多方便的同時也產(chǎn)生了不少困難。伴隨著人民生活條件的日益改善，他們對車輛的可靠性、舒適度等方面的需求也將日益增加，這就更加促使我們車界的研發(fā)工作者運(yùn)用各類新型科學(xué)技術(shù)，提高車輛各方面的可靠性，以適應(yīng)顧客對車輛技術(shù)方面的需求。

關(guān)鍵詞：汽車 操控性 舒適性 性能

1 引言

近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，汽車技術(shù)和電子技術(shù)不斷的革新，現(xiàn)代轎車為了提升車輛動力性，經(jīng)濟(jì)性，安全性，舒適度，并且降低廢氣排放污染而應(yīng)用了電子控制。汽車電子控制技術(shù)是現(xiàn)代汽車科技發(fā)展的主要趨勢和標(biāo)志，從汽車發(fā)動機(jī)的燃料噴射、點(diǎn)火控制系統(tǒng)、進(jìn)氣控制、排放控制系統(tǒng)、故障自診到底盤的傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)彎和剎車等控制系統(tǒng)，還有車身、輔助設(shè)備等均應(yīng)用了汽車電子控制技術(shù)。本篇將對汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展歷史與發(fā)展趨勢加以闡述與解析。

2 汽車電子控制技術(shù)研究的必要性

近年來，汽車工業(yè)高速發(fā)展，汽車的產(chǎn)量和汽車的保有量大幅增長。汽車在給人們生活帶來巨大好處的同時，也帶來了如下三個方面的問題：

（1）汽車尾氣是大氣污染中最重要的源頭，威脅著人們的身體健康。經(jīng)調(diào)查，目前大氣環(huán)境中百分之三十八點(diǎn)五的一氧化碳（CO）、百分之二十一點(diǎn)七的碳?xì)浠衔铮℉C）、百分之八十七點(diǎn)六的氮氧化物（NOX）、百分之十一點(diǎn)七的二氧化碳（CO2）、百分之六點(diǎn)二的二氧化硫（SO2）、百分之三十二的微粒（PM）都由汽車尾氣中排出。

（2）汽車是一個高耗能的產(chǎn)業(yè)，汽車的大量使用將導(dǎo)致能源緊缺問題。目前汽車消耗的燃料主要是石油。正如目前的國際局勢，歐美在過度依賴石油進(jìn)口后被俄羅斯制裁使得國家陷入能源危機(jī)，由于我國也是能源進(jìn)口大國，尤其是石油，可見過度依賴原油在遇到突發(fā)變故時會對國家經(jīng)濟(jì)造成沖擊。

（3）隨著汽車的大量使用，車輛駕乘人員以及其他道路使用者的安全問題也日益突出。隨著汽車銷售量的增加，交通事故的發(fā)生量也在急劇增加。其中，車輛駕乘人員的死亡率占35%，而其他道路使用者（如行人、汽車人等）的死亡率為65%。近年來，我國對汽車和交通安全持續(xù)進(jìn)行關(guān)注和投入，汽車安全碰撞實(shí)驗(yàn)被廣泛接受和推廣。然而，這些努力大多數(shù)是針對車輛駕乘人員，對于其他道路使用者的安全保護(hù)，至今未引起社會各方的充分重視。

汽車工業(yè)界的研究者針對上述問題都在努力探索解決方案，使汽車工業(yè)能夠走上與人類生存環(huán)境及社會和諧發(fā)展的道路。因此，安全、環(huán)保和節(jié)能以及成為當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的三大主題。這也是促使人們在汽車產(chǎn)品中采用先進(jìn)技術(shù)的主要原因。

另外，人們對汽車的操控性、舒適性等方面的要求不斷提高也在促使著汽車界的研究人員采用各種先進(jìn)技術(shù)，改進(jìn)汽車各方面的性能，以滿足消費(fèi)者對汽車產(chǎn)品性能的要求[1]。

由于上述各種社會需求和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)80年代開始，國際上汽車工業(yè)的微電子化得到了迅猛的發(fā)展。電子控制技術(shù)的應(yīng)用能有效地改善汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、操控性和舒適性，并能降低排放指標(biāo)。目前，在我國汽車電子技術(shù)非常普及，先進(jìn)的電子控制技術(shù)已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

在我國，從事汽車電子控制技術(shù)應(yīng)用性開發(fā)的人員較多，而從事開發(fā)性研究的人員較少，與國外相比存在較大的差距。我國應(yīng)該在引進(jìn)、吸收并消化國外先進(jìn)汽車電子控制技術(shù)成果的同時，加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，發(fā)展并壯大自身的汽車電子控制技術(shù)的科技力量，以盡快趕上世界先進(jìn)發(fā)展水平。這也是我國汽車工業(yè)發(fā)展的必由之路。

2009年2月，國家發(fā)展和改革委員會批準(zhǔn)建立五個研發(fā)平臺以促進(jìn)我國汽車領(lǐng)域的發(fā)展。這表明，我國已經(jīng)充分認(rèn)識到了汽車電子控制技術(shù)在汽車產(chǎn)品中的重要性，必將進(jìn)一步推動汽車電子控制技術(shù)在我國的發(fā)展。

電子技術(shù)是汽車電子及控制技術(shù)的必要基礎(chǔ)，其發(fā)展歷程如圖1所示：

綜上所述，進(jìn)行汽車電子控制技術(shù)的研究對于節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提高汽車動力性、安全性、舒適性、操控性和經(jīng)濟(jì)性等性能指標(biāo)具有重要的意義；同時，也可增強(qiáng)我國的自主研發(fā)能力，提高自主汽車品牌的競爭力，為我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展奠定基礎(chǔ)[2]。

3 汽車電子控制系統(tǒng)

現(xiàn)在，各種汽車電子控制設(shè)備已成為汽車上不可或缺的部分，并且這些電子控制設(shè)備在車輛運(yùn)行過程中擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧絹碓街匾?。各種汽車電子控制技術(shù)均以自動控制理論作為其理論基礎(chǔ)。

汽車電子控制系統(tǒng)的基本概念如圖 2所示。

從是否采用反饋的角度看，控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩類，而閉環(huán)控制系統(tǒng)又被稱為反饋控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)的原理圖如圖 3所示：

在開環(huán)控制系統(tǒng)中，使控制環(huán)境的輸入信息不受輸出信息的干擾。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，在沒有外部擾動（如環(huán)境溫度變換、擾動等）情況下，為了產(chǎn)生穩(wěn)定的參考信號，傳感器根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算形成了一個驅(qū)動信號作用于控制目標(biāo)上，而其輸出功率也維持不變。

閉環(huán)控制系統(tǒng)

隨著車輛的應(yīng)用環(huán)境（如環(huán)境溫度、地面的平順度）及其電子控制元器件參數(shù)的變化，使用開環(huán)控制系統(tǒng)往往無法達(dá)到預(yù)期的精度控制，所以就必須采用閉環(huán)控制技術(shù)。閉環(huán)控制過程的基本原理圖，如圖4所示。

4 汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展簡介

汽車作為機(jī)電一體化產(chǎn)品的典型代表，其發(fā)展過程與機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展過程緊密相連。機(jī)電一體化的新型現(xiàn)代汽車在動力性、 操控性、可靠性、安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性等各方面的性能指標(biāo)都有了大幅度的提高。其中，汽車電子控制技術(shù)發(fā)揮了巨大的作用。

現(xiàn)在普遍認(rèn)為，汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：

第一階段，從20世紀(jì)60年代中期到70年代末期。在第一階段中，人們開始研究在汽車產(chǎn)品上應(yīng)用電子技術(shù)，并在汽車上采用一些電子控制裝置，以改善部分機(jī)械部件的性能。在此階段中，典型的汽車電子控制裝置有電子點(diǎn)火控制裝置和燃油噴射電子控制裝置。

第二階段，從20世紀(jì)70年代末期到90年代中期。第二階段是汽車電子控制技術(shù)蓬勃發(fā)展的階段。在此階段中，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)有了長足的發(fā)展，為汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)?；谏鲜黾夹g(shù)基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)，在汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)過程中，形成了“機(jī)電一體化”的思想和技術(shù)。在此期間，汽車產(chǎn)品上開始大量使用微處理器和集成電路（IC）。采用閉環(huán)控制的汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)研制成功，顯著地降低了汽車的排放污染，使汽車的性能大大提高，這也標(biāo)志著汽車系統(tǒng)控制技術(shù)微電子化的開端。隨后，相繼出現(xiàn)了電子控制自動變速器、電子控制制動裝置、電子控制防抱死制動系統(tǒng)、自動巡航控制系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)故障診斷系統(tǒng)、車輛導(dǎo)航系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、電子組合儀表等。在此階段中，各種汽車電子控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是各系統(tǒng)相互獨(dú)立。

第三階段，從20世紀(jì)90年代中期至今。汽車電子控制技術(shù)的第三階段處于高科技迅速發(fā)展的時期，進(jìn)入汽車電子控制技術(shù)的縱深發(fā)展階段。此階段的主要工作是使用功能更加強(qiáng)大的微處理器，以增強(qiáng)汽車電子控制系統(tǒng)的功能，進(jìn)一步提高汽車的性能。同時，對汽車電子控制系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成測試等方面的研究也更加深入。在此階段中，電子控制技術(shù)在汽車上得到了越來越廣泛的應(yīng)用控制功能和控制范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，電子控制單元（ECU）從普通的八位單片機(jī)發(fā)展到十六位甚至三十二位單片機(jī)，同時，單片機(jī)的主頻也由6MHz發(fā)展到12MHz、18MHz，甚至更高，因此，ECU控制的智能化程度越來越高，控制的實(shí)時性和精確度大幅度提高。并且，為實(shí)現(xiàn)各汽車電控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、綜合控制，各ECU通過通信接口形成了車載分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以滿足各種不同控制目標(biāo)的要求。在此階段中，汽車電子控制系統(tǒng)的功能更加明確地劃分為五大部分，即發(fā)動機(jī)控制、底盤控制、主動或被動安全控制、車身電子控制和信息與通信控制，使得汽車各方面的性能都有了很大的提高[3]。

同時，隨著汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展，其復(fù)雜程度越來越高，采用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足應(yīng)用的要求。為此，基于模型的建模設(shè)計(jì)方法和基于各種在環(huán)境仿真測試技術(shù)的方法被廣泛地應(yīng)用于汽車電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，大大提高了汽車電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，加速了汽車電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，降低了汽車電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。

5 汽車電子控制系統(tǒng)的基本要求和一般設(shè)計(jì)方法

汽車電子控制器是一個主動控制器，其目的是將受控物體的控制變量按照特定的規(guī)則加以改變，所以需要具有相應(yīng)的特性。主要分為穩(wěn)定性、快速性和精確性。

（1）穩(wěn)定性。一個控制系統(tǒng)能夠使用的首要條件是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。這也是對汽車子控制系統(tǒng)的一個基本要求。

（2）快速性。在實(shí)際的汽車電子控制系統(tǒng)中，不僅要求系統(tǒng)穩(wěn)定，而且要求被控變量迅速地按照輸入信號所規(guī)定的趨勢變化，即要求系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度。

（3）精確性。在汽車電子控制系統(tǒng)中，除了要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好和響應(yīng)速度快以外，還要求控制系統(tǒng)的控制精度高。

汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟如圖5所示：

（1）基礎(chǔ)階段。在該階段，針對控制的目標(biāo)展開原理研究和概念抽象，確定受控目標(biāo)性質(zhì)和條件；規(guī)定系統(tǒng)的運(yùn)行要求和條件，設(shè)定安全防護(hù)及等級；確定質(zhì)量控制措施的特殊要求；制定主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；提出試驗(yàn)計(jì)劃或要求。

（2）理論設(shè)計(jì)。此階段，將構(gòu)建被控對象的數(shù)學(xué)模型，將被控對象的控制特征用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行說明，從而成為控制器方法選用與控制器方案設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)；確定電子控制算法和電氣控制系統(tǒng)單元（ECU）的基本構(gòu)造，選定主要微處理器、確定總內(nèi)存尺寸等，進(jìn)行主要軟、硬件設(shè)計(jì)和各類接口設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)；確定控制器的初始構(gòu)成和主要基本參數(shù)。進(jìn)行控制系統(tǒng)特性的分析與優(yōu)化。但鑒于汽車電氣控制器的應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，在保證系統(tǒng)主要功能和性能的前提條件下，還應(yīng)對系統(tǒng)的安全性、可靠性和耐久性等給予足夠的重視[4]。

（3）實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。在此階段，應(yīng)完成系統(tǒng)仿真和各種測試工作，最后進(jìn)行各模塊的組裝。

（4）設(shè)計(jì)定型。在此階段，應(yīng)形成各種技術(shù)文件，包括設(shè)計(jì)圖樣、電子元器件明細(xì)表、系統(tǒng)操作程序及說明書、維修及故障診斷說明書及使用說明書等。

6 汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展趨勢

汽車的電子化涉及機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)等多學(xué)科，它的發(fā)展和進(jìn)步與上述相關(guān)學(xué)科的發(fā)展息息相關(guān)，同時也會促進(jìn)上述學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步。因此，汽車電子控制技術(shù)的主要發(fā)展方向概括如下：

（1）智能化。各種汽車電子控制設(shè)備的智能化是汽車電子控制技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。無人駕駛汽車的成功研制，展示了汽車電子控制設(shè)備智能化的最新發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

（2）模塊化。由于汽車電子控制產(chǎn)品的種類和生產(chǎn)廠家繁多，因此研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)電氣接口、動力接口的標(biāo)準(zhǔn)汽車電子控制單元（ECU）是一項(xiàng)十分復(fù)雜和非常重要的任務(wù)。為此，需要制定各種標(biāo)準(zhǔn)，以便各汽車部件、電子控制單元（ECU）的匹配和連接。因此，無論對于汽車電子控制單元（ECU）的生產(chǎn)企業(yè)，還是對于汽車整車生產(chǎn)廠商，汽車電子控制設(shè)備的模塊化都將為汽車生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈帶來巨大的好處。

（3）網(wǎng)絡(luò)化。隨著汽車電子控制設(shè)備的不斷增加。為實(shí)現(xiàn)各種信號數(shù)據(jù)在不同控制子系統(tǒng)中的共享和實(shí)時交換，提高信號的利用率，汽車電子控制系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家和汽車整車生產(chǎn)廠家聯(lián)合開發(fā)了以CAN總線為代表的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并在各汽車廠家的中高端產(chǎn)品中應(yīng)用。現(xiàn)在，為適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，還出現(xiàn)了LIN總線、MOST總線等。車載網(wǎng)絡(luò)總線的應(yīng)用，極大地提高了汽車產(chǎn)品的技術(shù)水平。因此，車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將是今后汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展方向之一。

（4）人性化。未來的汽車產(chǎn)品開發(fā)會更加注重與駕駛操控者及乘坐者的關(guān)系。汽車產(chǎn)品的人性化是指在絕大多數(shù)情況下，汽車產(chǎn)品的最終使用者是人，如何賦予汽車產(chǎn)品一定的人的智能、情感和人性顯得越來越重要。而汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能。個性化的汽車產(chǎn)品將為汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展提供更加廣闊的空間。

參考文獻(xiàn)：

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