2022年2022年计算机网络技术在汽车中的应用 .pdf

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1、1 计算机网络技术在汽车中的应用学生：汪志杰 ( 工学院 09 汽服班级，学号2009406541XX)摘 要：在近几年内， 用户对于汽车的舒适性、安全性以及环保等各种性能的要求不断提高。 为了满足这些日益增加的需求，汽车上计算机控制的电子电器设备急剧增加，使得汽车（特别是小轿车）设计中电器线路的布置越来越困难。此外，由于汽车上各种电子电器的接插点的数量随之剧增，汽车行驶过程中因为接插点的故障造成汽车上电子电器设备的功能失效的问题越来越突出。为了解决上述问题，很多新车型 （特别是高档车型）的开发中开始广泛地应用计算机网络技术。本文介绍了计算机网络技术在汽车中应用的基本原理，并说说一些汽车自动化

2、与网络方面的问题。关键词：网络 , 汽车 , 卫星，便捷（一） 在近十年里， 随着人们对于汽车的舒适性的要求不断提高，各种计算机控制的设备越来越多的应用在汽车上。例如：计算机控制的自动变速系统、主动悬架系统、自动空气调节系统、驾驶员座椅自动调节系统、卫星导航系统、带换碟机的多碟CD 音响系统、密码防盗系统等。汽车上电线束的长度以及接插点数量的急剧增加，使得汽车设计中电器线路的布置越来越困难。第一， 由于空间的限制，汽车（特别是轿车）上有限的空间内难以布置下更长的电线束和更多的接插点。例如，在20 世纪 90 年代末，仅仅在驾驶员座椅前仪表板内的电线束数量就达到300 多根；第二， 随着电线束数

3、量的增加，电线束的设计越来越复杂。其复杂性在于除了需要考虑计算机单元、 传感器以及执行器之间的联接外，还要考虑不同系统之间如何通信，系统之间如何共用接地点，才不会产生电位差，以及如何抗干扰，保证信号不失真；第三，数量巨大的电线束和接插件使得汽车成本不断上升；第四，由于电线束接插点的数量的增加，造成汽车行驶时由于接插点故障导致的汽车上某个甚至整个控制系统的功能失效问题增多。因此，将计算机网络技术应用到汽车上十分必名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 -

4、- - - - - - - - 2 要。（二）众所周知，手机上的GPS 定位系统已经在全球风靡了，它给我们带来的方便之处不能用一言以尽之。除了运用于手机之外，还在军事，经济，甚至农业方面也有运用。当然还有在汽车上的运用，今天我就主要就汽车方面上的运用谈谈。我国研制的某种型号的卫星在发射之前，从安装工厂运输到发射塔架，大约需要数小时的运输时间。 由于卫星携带的电子和光学仪器越来越精密，它们对环境参数的要求也越来越高1 ，因而在运输过程中对装有卫星的整流罩内的空气品质有严格的要求，需在卫星运输车上安装一套特殊的空调装置，以控制其各项参数 温度、 湿度、压力及净化指标，以满足卫星罩内空气的技术要求。

5、一（一）计算机网络技术在汽车上应用的基本原理要在汽车上运用计算机网络技术实现不同控制系统的计算机的控制功能，以及运用计算机网络技术实现不同控制系统的计算机之间的信息通信，其基本原理是运用计算机总线技术，将汽车上各个控制系统的计算机控制单元组成汽车上的局域网络，通过计算机网络传递数据流， 实现不同控制系统之间的信息传递和共享，同时减少传统汽车电器系统设计中的线束和接插件。在将计算机网络技术应用于汽车上的研究开发过程的初始阶段，由于不同国家的各个汽车公司， 对于开发过程的信息和技术都相对独立和相对保密。一般仅仅是一个国家的几个汽车公司共同开发，技术分享，因此，到目前为止，形成了多种互不相同的汽车计

6、算机局域网络总线：（1） J1850：美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司联合开发和共用的总线。尽管美国的三大汽车公司共用一种汽车计算机网络总线，但是，由于每个公司汽车产品中所用的计算机通信协议是不相同，因此，其汽车计算机网络控制系统是不尽相同的。（2） A 总线：德国大众公司专用的汽车计算机网络总线。（3） CAN 总线：德国标准化的总线。开始是由德国博世（BOSCH）公司开发，主要用于机器人控制。由于CAN 总线的数据传输速率较高，现在许多汽车公司都将CAN 总线用于汽车计算机网络系统。（4） VAN 总线：法国汽车标准化总线。由法国的雷诺汽车公司和标致集团联合开发的汽车计算机网络总线。同

7、样，法国的雷诺公司和法国标致集团共用VAN 汽车计算机网络总线，但是二个公司计算机网络所用的通信协议不相同，使得它们的汽车计算机网络控制系名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 3 统也不相同。（5） 专门的解决方案：德国的宝马（BMW ）和日本的一些汽车公司采用了自己专门的解决方案，等等。（二）计算机网络系统在汽车上应用的优越性（1） 计算机网络系统运用在汽车上可以减少布置空间、降低成本在传统的汽车计算机控制系统设计

8、中， 仅仅为了实现各个系统（如发动机燃油电子喷射控制系统与自动变速器控制系统等） 控制计算机之间的信息通信，就需要很多的线束和接插件，再加上系统控制计算机与提供信息的传感器、执行计算机指令实现控制过程的执行器之间联接的线束和接插件，线束的长度和接插件的数量达到了惊人的数量，本文的前言中已经予以介绍。以下仅以四个计算机控制系统为例说明。为四个计算机控制系统的传统汽车控制系统设计中，仅仅为了实现各个系统控制计算机之间的一种信息通信功能，至少需要6 对线束。而在计算机网络系统中，只需要1 根总线（2 根线），就能够实现传统设计中至少6 对线束才能完成的系统之间的数据通信功能。仅仅传递一种信息，运用计

9、算机网络系统就可以减少2 对线束和4 对接插件。随着计算机控制系统之间传递信息量的增加，传统汽车控制系统设计中的线束和接插件急剧增加，而运用计算机网络系统则可以在1 根总线中传递多路信息，因此简化了汽车的线束和接插件，即减少汽车的线束长度和接插件的数量。与此同时， 运用计算机网络系统可以减少线束和接插件布置时需要的空间，降低成本。随着汽车上的计算机控制系统的不断增加，如图5 中给出的某车型上的复杂的控制系统，运用计算机网络系统这种优越性就显得更为突出。减少的线束和接插件的布置空间可以使得汽车设计过程中的布置更加容易，同时可以用来增加新的功能，以满足用户的需求。汽车计算机网络系统采用了计算机总线

10、控制技术，通过计算机总线传递的信息是数字化的信息流，发出信息的计算机根据通信协议对本控制系统中的各种信息进行编码后将信息发出，其他需要利用该信息的计算机根据通信协议对信息进行解码后即可获得信息。因此， 计算机网络系统运用在汽车上可以使得汽车上的各个控制计算机单元通过汽车上的局域计算机网络， 从网络上获取所需的信息，或者将本控制系统中的各种信息发送给其它需要该信息的控制系统。 汽车的中央控制计算机可以对所有控制系统的各种信息进行管理，并通过多功能显示屏向驾驶员提供尽可能多的信息，例如汽车的百公里燃油油耗、瞬时燃油消耗、 续航里程、 平均车速等， 此外， 还可以对汽车局域计算机网络内的各个计算机控

11、制系统的工作状况进行监测，记录各个控制系统所发生的故障等。（2） 计算机网络系统运用在汽车上可以提高汽车电器系统的可靠性名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 4 由于传统的汽车计算机控制系统之间的信息传递是通过线束，传递的是模拟量的信息。而模拟量信号在传递过程中容易受到外界的干扰。例如，汽车行驶时由于汽车的振动引起的接插件接触不良、 线束屏蔽不良受到外界电磁辐射、接地不良以及不同控制系统的接地电压存在电压差等， 都会

12、引起所传递的信息失真，导致接收信息的计算机控制系统发出错误的执行指令。汽车计算机网络系统传递信息的网络总线一般为双线，二根线上传递的是大小相等、相位相反的数字化信号。当信息在传递过程中受到外界干扰时，二根线上感受到的干扰信号的强度是基本相同的， 接受信息的控制计算机只需要对所接收到的受到外界干扰的信号进行滤波，即可将外界的干扰降低到最低。因此， 计算机网络系统运用在汽车上除了可以减少布置空间、降低成本外， 另外一个最大的优越性就是，可以最大限度的降低外界电磁辐射的影响，抗干扰能力强，而且可以补偿接地不良等问题，从而保证所传递的信息具有较高的可信度。此外，由于汽车计算机网络系统传递信息的总线为双

13、线，当传递信息的总线中的一根线出现故障（如断路、短路）时，信息仍然可以通过剩余的一根总线进行传递，汽车上的各个计算机控制系统仍然可以工作，不会出现传统的汽车电路中由于信号线或地线二者之一短路或者断路时整个系统无法工作的现象。由此可见， 计算机网络系统运用在汽车上的这些优越性使得汽车电器系统的可靠性大幅度提高。二（一） 研制要求及装置特点1.1 研制要求卫星车载空调装置使用地区气候条件恶劣，温度可控范围20 35，相对湿度 15%85%，卫星罩内空气必须处于50Pa以上的正压，并保证其洁净度达到10 万级。车载空调系统在运行过程中必须安全、可靠、温湿度波动小； 卫星罩内的工况应在规定的温度、相对

14、湿度范围内可任意调节；温度控制精度为 0.5，相对湿度控制精度 4；由初始状态调到规定范围内任一状态的时间快速等要求。1.2 空调装置特点由于该系统的特殊性，要求系统工作可靠、节省投资及操作简单，通过大量计算分析和多种方案对比 2 ，确定了如图1 所示的空气处理方案，以确保卫星罩内的空调参数符合技术要求。新风通过设置在车顶的新风口由新风风机吸入新风管道，然后新风通过粗效过滤器进入空调箱内与回风混合后经过蒸发器冷却去湿、加热器和加湿器的加热加湿、中效过滤器和高效过滤器的净化处理，达到所要求的送风状态。对罩内空气洁净度、总挥发性有机物以及非挥发性残留物总量要进行测试。另外，车载空调系统在运行过程中

15、，要补充罩内泄漏的空气，尤其是保证相对湿度最低达到15，所以回风系统采用一次回风和二次回风相结合的方式3 。在风道上设置二次回风管路，加上变频风机调节风量，达到去湿和防结霜的目的，保证工况稳定。空调装置流程见图1 所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 5 图 1 卫星牵引车车载空调系统流程图（二） 测控系统的研制2.1 总体设计方案卫星用空调装置自动监控系统涉及的控制对象有3 个，即回风温度、 回风湿度和罩内压

16、力。由于空调环境控制参数精度要求高，且系统运行绝对可靠，所以设计着重从高精度和可靠性方面考虑。在工况参数测量方面，采用品质优良、 精度高的压力、 压差变送器和温度、湿度传感器，经过信号转换、 隔离后，送入数据采集仪。 数据采集仪通过数据总线与计算机进行数据通讯。在工况调节方面。采用单回路闭环调节方式，把传统的 PID 控制技术引到模糊控制器中4，充分发挥模糊控制鲁棒性较好的特点，构成模糊PID 自动调节控制器。图 2 监控软件流程图另外，为了增加系统的可靠性和加快空调系统参数进入控制范围的速度，增加了一套人工控制系统。在系统设备控制方面，由于用户特殊要求采用继电器控制。本系统软件是基于WIND

17、OWS 操作平台开发的计算机测控软件，其功能不仅限于单纯的数据采集， 更增加了管理与数据分析等后处理功能；可进行数据采集通道参数设置、系统管理名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 6 和试验历史记录查询、测试结果趋势曲线分析、打印试验记录数据及曲线等多种工作。测控系统硬件结构为现场传感器、变送器和执行器、智能数字指示调节仪，计算机集中采集、处理。其结构流程图如图2 所示。2.2 受控对象动态特性分析空调系统的受控对象

18、是卫星罩，相关的被调量是罩内的温度、相对湿度以及压力。总的来说， 受控对象有两个通道：控制通道和扰动通道，也可称为内扰通道和外扰通道。当温度作为被调量时，受控对象如图3，扰动通道有两个，一是卫星罩内的热量输出N1（S），主要是空气处理箱内风机的功率转化的热量、罩内和风管的漏热以及卫星本身的热量，其动态特性为 W1（S）；二是制冷机组的冷量输出N2（S），其动态特性为W2（S）。受控对象还有一个控制通道，就是电加热器的热量输出U（S），其大小是由控制器根据被调量与设定值之间的偏差按其内置算法决定，其动态特性为W0（S）。对于卫星罩内温度被调量，可以通过对U（ S）的调节，平衡N1（S）、N2（S

19、），以得到设定的温度。同理相对湿度、压力作为被调量时, 也如图 3 温度被调节时的受控对象进行分析。图 3 温度被调解时的受控对象2.3 PID 模糊控制器的工程自整定从上面的系统受控对象分析可知，本系统的控制对象是卫星罩内空气的温度、湿度以及压力， 并且整个空气调节系统是一个大惯性、大滞后环节，存在严重的非线性特性，需要建立起空气调节的精确模型，这就给用PID 控制的空气环境系统带来困难，使得对PID 参数的整定在很大程度上依赖于具有丰富经验的工程技术人员，导致调试困难和控制效果不理想。针对这种情况，采用参数自调整Fuzzy-PID 的方法来弥补这种空调系统没有精确模型，难以整定 PID 参

20、数的问题。由于使用模糊控制器,可以不依赖于系统精确的数学模型，特别适宜这种复杂系统（或过程）与模糊性对象的采用;同时又具有智能性和自学习性，将模糊控制中的知识表示、模糊规则与合成推理通过专家知识或成熟经验,不断学习更新 ;控制系统鲁棒性强、 能够很好地克服动态系统中模型参数变化和非线性等不确定因素。考虑到装置涉及的实际情况，只针对单回路调节系统作出讨论。这里利用数字调节器固化的寻优方法对PID 参数进行自寻优化整定，以达到优化目标函数之目的。图 4 给出了工程整定方法中一种自寻最优控制的模式。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

21、- - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 7 图 4 数字 PID 参数自寻最优控制系统2.4 执行器和控制回路执行器是构成自动控制系统中不可缺少的重要部分。它由执行机构和调节机构组成。本装置中罩内温度和相对湿度控制的执行器均为三相调功器，三相调功器根据PID 调节器输出的控制信号分别调节控制电加热器和电加湿器的功率，使罩内温度和相对湿度控制在设定值。罩内压力控制的执行器为变频器，变频器根据PID 调节器输出的控制信号调节风机的频率。 前面分析中提到， 在罩内环境处于稳定工况情况时，所有外部扰动输入都可近似认为是不变的常

22、量， 且实际控制中外部扰动与控制通道的作用相比确实比较小，因而可用单输入单输出（ SISO）的控制回路来实现。卫星罩内温度控制回路由温度传感器、PID 调节器、三相调功器和电加热器组成见图5；相对湿度控制回路由湿度传感器、PID 调节器、三相调功器和加湿器组成；压力控制系统由压力变送器、PID 调节器、变频器和风机组成。图 5 温度控制方框图三 测控系统的调试与分析在进行调节器调试之前，先要对 PID 调节器初始参数设置，包括信号I/O 类型、 响应时间、允许输入的最大值和最小值、温度超温和低温报警限制以及通讯地址等。在以上参数设置完毕后，要对PID 调节器参数进行自整定的功能调试，即对控制器

23、自动检测系统的过程特性要充分认识，并自动地计算出最佳PID 参数进行调试。3.1 温度 PID 控制器参数自整定设置温度 20、湿度38%的工况，当罩内温湿度接近设定工况时，将湿度PID 控制器切换至手动，保持恒定输出，以免对系统产生干扰，再启动温度PID 控制器参数自整定功能，它将强制系统产生扰动，在系统参数到达第三次波峰时参数自整定结束并自动转入自控状态， 系统的惯性越大， 自整定时间将越长。整定后必须进行其它工况稳定性实验检验其整定效果，图6 即为 PID 参数自整定后温度设为40，湿度设为38工况时罩内温度随时间的变化图。由图6 可以看出，虽然温度PID 控制器参数的自整定是在温度20

24、的工况温度时进行的，但其整定结果的调节效果在温度为40时同样很好，曲线非常平稳，最大波动幅度不超过0.2。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 8 图 6 自整定后温度为40温度随时间变化图3.2 湿度 PID 控制器参数自整定与温度 PID 控制器相似，可以对湿度PID 控制器进行参数自整定试验，选取自整定时的设定湿度工况为38%，然后对湿度PID 控制器参数自整定后的控制效果在不同的湿度工况下进行检验， 可以看出

25、在其它工况（设置工况为20）见图 7，其湿度波动最大幅度都不超过 2%，能满足技术要求。图 7 自整定后湿度为20% 时湿度随时间变化图五、结束语（一）本文介绍了计算机网络技术在汽车中应用的基本原理，并说说一些汽车自动化与网络方面的问题。计算机网络系统在汽车上应用优点很多：可以使得汽车设计中线束和接插件的数量大幅度减少， 汽车设计时电线束和接插件的布置更加容易；在同样数量电线束的条件下（与传统的汽车电路系统设计相比）可以增加汽车的功能；可以管理的公用信息以及可以提供给驾驶人员的信息大幅度增加；而且可以提高汽车各种控制系统的可靠性等。计算机网络系统在汽车上应用，对于汽车 （特别是轿车） 的设计无

26、疑会带来一次汽车设计上的变革， 使汽车的设计人员可以开发出功能更全、更加舒适， 并且可靠性更高的令用户满意的汽车。（二）从空调装置测控系统的温度、湿度以及压力调试分析及参数自整定结果看出：1.温度、湿度及压力进入工况稳定时，在远低于规定的范围内波动，设计的模糊PID 控制效果良好，既解决了车载卫星运输过程中气候瞬变而造成新风进入罩内，引起空气扰动的问题，又合理地使用了有限的电量，满足罩内空气环境控制的要求，达到了系统最大限度地节能。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8

27、页，共 10 页 - - - - - - - - - 9 2.卫星车载空调装置系统自动化程度高、运行稳定、操作方便、系统工况稳定时间短、测量精度高， 在多次卫星发射过程中受到使用单位的好评。该项目的成功研制为同类产品的设计以及应用提供了重要的参考价值。参考文献1 李兆坚 , 万才大 . 卫星电池舱空调净化系统设计J. 暖通空调 ,2003,33 （ 2）：62-643.2 雷新塘 , 徐烈 , 李兆慈 . 卫星热管传热测试台的制冷与真空系统的设计J.上海交通大学学报 ,2003,22 （2）： 102-104. 3 李兆坚 . 西昌卫星发射塔空调净化设计. 暖通空调 J,2000,30（5）： 56-58.4 李金川 , 郑智慧 . 空调制冷自控系统运行与管理M. 北京：中国建材工业出版社,2002,32 （4）： 54-541. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 10 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -