計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用與發(fā)展

摘要：在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中，汽車領(lǐng)域與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展中的重要方向，而兩項(xiàng)技術(shù)的成熟發(fā)展和融合應(yīng)用更是推動(dòng)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。特別是全新的信息時(shí)代背景下，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)更是融合了社會(huì)生產(chǎn)中的方方面面。汽車工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)業(yè)，更應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)先進(jìn)系統(tǒng)與技術(shù)的融合。在我國(guó)加入世界貿(mào)易組織后，社會(huì)和專業(yè)領(lǐng)域?qū)ζ嚬に嚰夹g(shù)提出了更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)與要求，所以在汽車領(lǐng)域中合理應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已成為主要發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)此，以汽車領(lǐng)域?yàn)橹饕芯炕A(chǔ)，進(jìn)一步分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用與發(fā)展，希望為汽車產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的健全發(fā)展提供有效幫助。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng);汽車領(lǐng)域;應(yīng)用趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2022-06-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.013

在國(guó)際市場(chǎng)汽車保有量不斷增長(zhǎng)背景下，世界范圍內(nèi)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，加之石油危機(jī)不斷爆發(fā)，致使人們對(duì)汽車領(lǐng)域的排放標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能性能提出了更為嚴(yán)格的要求與標(biāo)準(zhǔn)。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為汽車技術(shù)的優(yōu)化提供了重要基礎(chǔ)，特別是車用控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，更是極大程度上保證了汽車運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。因此，為進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化汽車領(lǐng)域的優(yōu)越性能應(yīng)用，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也成為汽車領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理

電子計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的出現(xiàn)是第三次科技革命后計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要產(chǎn)物。計(jì)算機(jī)技術(shù)具備明顯的綜合特性，并且計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子工程機(jī)械工程和現(xiàn)代化技術(shù)融合下，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)手段科學(xué)水平的顯著提升。目前計(jì)算機(jī)控制技術(shù)涵蓋了世界最為先進(jìn)的可編程控制技術(shù)和工作原理，其內(nèi)容存在明顯的系統(tǒng)性與先進(jìn)性，是一種綜合性和復(fù)雜性兼容的現(xiàn)代化技術(shù)[1]。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要是在計(jì)算機(jī)技術(shù)參與下完成控制的專業(yè)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)與控制對(duì)象需時(shí)刻保持連接，從而達(dá)到輔助作用，并達(dá)到對(duì)控制對(duì)象的管理目的。在此期間，計(jì)算機(jī)主要是指數(shù)字計(jì)算機(jī)，基于數(shù)字計(jì)算機(jī)本身具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力，所以在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與監(jiān)控技術(shù)融合過(guò)程中，能實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的全面優(yōu)化[2]。

2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的原理表現(xiàn)

現(xiàn)代汽車的控制系統(tǒng)主要涵蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死控制系統(tǒng)、儀表管理系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、車燈控制系統(tǒng)等多個(gè)環(huán)節(jié)。這些系統(tǒng)看起來(lái)復(fù)雜性極強(qiáng)，但工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)楫?dāng)汽車中的子控制系統(tǒng)完成連接后，能實(shí)時(shí)形成更健全的控制系統(tǒng)[3]。所以，當(dāng)汽車操縱者發(fā)出指令后，汽車控制系統(tǒng)就需要在一定時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)響應(yīng)，否則就意味著汽車運(yùn)行中可能存在重大事故隱患。

因此，汽車上的CAN通信網(wǎng)絡(luò)也要設(shè)置為較高的波特率頻率。同時(shí)在車輛運(yùn)行過(guò)程中，由于涵蓋了大量操作節(jié)點(diǎn)，所以其系統(tǒng)也要實(shí)時(shí)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換。如果在汽車運(yùn)行中，所有節(jié)點(diǎn)都連接在CAN網(wǎng)絡(luò)上，那么節(jié)點(diǎn)就需要利用CAN總線完成通信，這也意味著信息管理配置在安排操作過(guò)程中無(wú)法考慮操作性能的不便，很可能引發(fā)總線負(fù)載增加的問(wèn)題，不利于系統(tǒng)響應(yīng)速度的提升。而這一情況的出現(xiàn)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中也不被允許。

所以汽車設(shè)計(jì)師在對(duì)汽車節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)分析后，也要嚴(yán)格按照節(jié)點(diǎn)性能和實(shí)時(shí)要求，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)不同頻率要求的CAN通信網(wǎng)絡(luò)。比如高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是由高實(shí)時(shí)性要求的節(jié)點(diǎn)組成，而對(duì)其他領(lǐng)域的實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低[4]。而中速CAN通信網(wǎng)絡(luò)相對(duì)低速通信網(wǎng)絡(luò)而言，其實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)的性能要求更低，故此，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，將多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)以不同速率完成連接，可有效實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)共享。

3 汽車檢測(cè)中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研究概述

3.1 常見的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

a.可編程序控制器PLC控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)是數(shù)字計(jì)算機(jī)與繼電器控制技術(shù)融合的重要產(chǎn)物，是以控制器和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展的全新方案。在此系統(tǒng)中其控制手法可以對(duì)被控對(duì)象產(chǎn)生直接影響，并且對(duì)于具體應(yīng)用對(duì)象而言，操控人員還能有效地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)或二次開發(fā)。在系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，PLC主要蘊(yùn)含兩個(gè)發(fā)展內(nèi)容，分別是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組件開發(fā)與應(yīng)用軟件的開發(fā)。和其他系統(tǒng)手段相比，該系統(tǒng)具備顯著的針對(duì)性特點(diǎn)，不僅能完成對(duì)開發(fā)成本的控制，同時(shí)還推動(dòng)了電子控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)的集成發(fā)展。

b.DCS控制系統(tǒng)。DCS控制系統(tǒng)也被稱之為集散控制系統(tǒng)，是目前汽車自動(dòng)化發(fā)展中的主要控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可發(fā)揮可靠性顯著且分散控制的性能優(yōu)勢(shì)[5]。

c.模塊化控制系統(tǒng)。在近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，控制模塊與模塊化控制系統(tǒng)不斷發(fā)展，因此在高度配置過(guò)程中，能完成對(duì)采集控制系統(tǒng)的分布式管理。若系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生故障或操作失誤，只需要對(duì)發(fā)生模塊的故障位置予以更換即可，不需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行更換。因此和其他系統(tǒng)相比，模塊化控制系統(tǒng)的組織靈活性能顯著提高，有著強(qiáng)大的擴(kuò)展性優(yōu)勢(shì)。

上述系統(tǒng)中技術(shù)的發(fā)展都以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，所以這些新型系統(tǒng)的發(fā)展也在一定程度上推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。因此計(jì)算機(jī)技術(shù)與汽車行業(yè)的融合發(fā)展不僅帶動(dòng)了汽車領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，同時(shí)也為汽車監(jiān)控和檢測(cè)技術(shù)的推進(jìn)提供了重要基礎(chǔ)[6]。

3.2 汽車監(jiān)控中對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸滲透在生活生產(chǎn)的方方面面，特別是近年來(lái)電子信息技術(shù)在交通部門中的發(fā)展，使得交通部門的工作逐漸形成了全新的工作方式。比如智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)的主要目的就是有效緩解車輛與人之間的矛盾，是一種現(xiàn)代化綜合技術(shù)手段。該系統(tǒng)全面融合了信息技術(shù)和通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)交通管理方式的優(yōu)化，是一種符合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的全新交通系統(tǒng)，其應(yīng)用大大推動(dòng)了現(xiàn)代社會(huì)的智能化與信息化發(fā)展。在汽車監(jiān)管過(guò)程中，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也發(fā)揮著更為顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。比如常見的車載控制系統(tǒng)中主要涵蓋了幾個(gè)功能及系統(tǒng)：

a.準(zhǔn)確定位。在車輛上完成監(jiān)控系統(tǒng)的安裝后，系統(tǒng)能在最短時(shí)間內(nèi)接收對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星信號(hào)，從而全面提升了車輛檢測(cè)的速度與效率。通常系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的誤差可控制在100 cm以內(nèi)[7]。

b.記憶功能。車輛監(jiān)控終端具備顯著的存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)。如果模擬車輛在運(yùn)行中發(fā)出異常信息的報(bào)告，終端就能及時(shí)完成對(duì)信息的記錄，并將車輛獲取的定位信息完成必要存儲(chǔ)。通常其存儲(chǔ)時(shí)間可達(dá)150天以上。

c.控制系統(tǒng)。當(dāng)車輛監(jiān)控終端接收到相應(yīng)控制指令后，能遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的控制操作[8]。所以在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，車輛控制終端能隨時(shí)與監(jiān)控中心完成信息傳輸與交換。

d.防搶劫預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)車輛在運(yùn)行中報(bào)告危險(xiǎn)信息，乘車人員或操作人員就能使用隱藏報(bào)警器完成報(bào)警，當(dāng)執(zhí)法人員獲取報(bào)警信息后，能準(zhǔn)確提供執(zhí)法幫助。

當(dāng)前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要涵蓋以下作用：

a.數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)完成對(duì)車輛信息的獲取后，通信服務(wù)器可以完成對(duì)具體內(nèi)容的初始化與驗(yàn)證記錄，并將處理后的信息數(shù)據(jù)分配給其他監(jiān)控終端。

b.數(shù)據(jù)跟蹤。在車輛實(shí)時(shí)移動(dòng)過(guò)程中，其定位系統(tǒng)能始終呈現(xiàn)在運(yùn)行列表中，同時(shí)服務(wù)器終端也能完成對(duì)多個(gè)終端系統(tǒng)的跟蹤和監(jiān)控。在協(xié)議基礎(chǔ)上，該技術(shù)手段的應(yīng)用能確保數(shù)據(jù)整體的可靠性與實(shí)時(shí)性。

c.報(bào)警功能。服務(wù)器終端設(shè)備中運(yùn)載的報(bào)警系統(tǒng)，分別為預(yù)警報(bào)警、實(shí)際報(bào)警和警報(bào)解除三個(gè)狀態(tài)。在報(bào)警狀態(tài)運(yùn)行下，此三種狀態(tài)的出現(xiàn)可以有效避免誤發(fā)警報(bào)的情況發(fā)生。當(dāng)服務(wù)器終端完成報(bào)警信息的獲取后，報(bào)警對(duì)話框?qū)⒓皶r(shí)彈出，并將警車號(hào)碼標(biāo)注在報(bào)警信息中。在此期間，車輛的數(shù)量可以通過(guò)雙擊車輛號(hào)進(jìn)行車輛定位，同時(shí)警告系統(tǒng)中也不會(huì)對(duì)車輛號(hào)碼的終端進(jìn)行自動(dòng)定位[9]。

3.3 電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)

電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)，主要是借助直流電機(jī)完成動(dòng)力傳輸，此種助力系統(tǒng)能有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓助力鋼的作用。因此，此種微型控制轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的零部件組成更少，占地面積有限，并且能為車輛運(yùn)行提供充足的轉(zhuǎn)向作用力，在有效提升汽車轉(zhuǎn)向能力和響應(yīng)能力的基礎(chǔ)上，提升了汽車低速運(yùn)算期間的穩(wěn)定性特點(diǎn)。

3.4 常速巡航自動(dòng)控制系統(tǒng)

常速巡航自動(dòng)控制系統(tǒng)是指在高速長(zhǎng)途運(yùn)行期間，車輛能夠借助常速巡航自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)車輛行駛阻力對(duì)節(jié)氣門開度進(jìn)行恒定設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，駕駛員不需要踩踏油門就能完成對(duì)車速的調(diào)整。如果在爬坡過(guò)程中，車輛速度呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，微機(jī)控制系統(tǒng)就能在運(yùn)行過(guò)程中自主完成節(jié)氣門開度的加大調(diào)節(jié)。而下坡過(guò)程中，微機(jī)控制系統(tǒng)則需要自動(dòng)關(guān)小節(jié)氣門開度，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率始終滿足調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速需求。如果駕駛員需要進(jìn)行制動(dòng)或換擋操作，此種控制系統(tǒng)將自動(dòng)彈開，并轉(zhuǎn)變?yōu)轳{駛員自主操作[10]。

3.5 汽車安全保障系統(tǒng)

隨著社會(huì)車輛保有量不斷增加，交通事故的發(fā)生概率也明顯提升，所以汽車運(yùn)行的安全性就變得尤為關(guān)鍵。目前汽車安全性主要分為主動(dòng)安全和被動(dòng)安全兩個(gè)環(huán)節(jié)。主動(dòng)安全主要是指汽車預(yù)防事故發(fā)生的能力，比如制動(dòng)安全性、行駛平穩(wěn)性和操縱穩(wěn)定性等。被動(dòng)安全是指一旦發(fā)生交通事故，汽車對(duì)駕駛?cè)藛T和乘車人員的保障能力。

目前在被動(dòng)安全中主要有安全帶、防撞車身、安全氣囊等防護(hù)系統(tǒng)。由于車輛事故的發(fā)生具備較大的意外性和不確定性，所以發(fā)生時(shí)間較短，駕駛?cè)藛T很難有充足的時(shí)間進(jìn)行自我保護(hù)，因此只能借助被動(dòng)裝置減少車輛事故對(duì)人體造成的安全損傷。比如在車輛系統(tǒng)中，安全氣囊防護(hù)系統(tǒng)就是最為典型的被動(dòng)安全防護(hù)體系，在車輛碰撞事故中，這一系統(tǒng)的應(yīng)用能對(duì)駕駛員或乘車人員進(jìn)行有效保障，能完成對(duì)人體頭部和頸部的有效保護(hù)，并且安全氣囊防護(hù)系統(tǒng)的效果顯著，所以技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就得到了迅速發(fā)展。在系統(tǒng)研究中可知，安全氣囊防護(hù)主要是由碰撞傳感器、氣囊、電子控制單元等多個(gè)環(huán)節(jié)組成。

4 汽車計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

在數(shù)字技術(shù)與新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展幫助下，汽車領(lǐng)域的發(fā)展和變化也呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展趨勢(shì)。在上世紀(jì)70年代中期開始，汽車領(lǐng)域逐漸引入了微處理系統(tǒng)，極大程度上提高了汽車運(yùn)行的安全性與舒適性，特別是燃料電池的出現(xiàn)，使得電動(dòng)汽車領(lǐng)域的發(fā)展呈現(xiàn)出了顯著的生命力優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，高能電子系統(tǒng)的運(yùn)行也極大程度上帶動(dòng)了汽車領(lǐng)域的電動(dòng)化發(fā)展，并且全新的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也在節(jié)能降耗發(fā)展中發(fā)揮了重要的優(yōu)勢(shì)作用。比如ABS和TCS系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車交互控制系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)。目前先進(jìn)的汽車穩(wěn)定性系統(tǒng)主要從多個(gè)角度完成對(duì)汽車運(yùn)行的控制，所以在多種駕駛條件下，仍然能保障汽車的安全性與可控性發(fā)展，并且智能汽車裝置和ATS等技術(shù)的融合，也實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)安全性的優(yōu)勢(shì)，確保汽車運(yùn)行能夠精準(zhǔn)感知環(huán)境變化，是延伸駕駛員操作能力的重要基礎(chǔ)，大大降低了交通事故的發(fā)生概率。換言之，今后汽車行業(yè)必然會(huì)向著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，為順應(yīng)現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展要求，汽車領(lǐng)域也不斷探索和創(chuàng)新計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子控制技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

在近幾十年發(fā)展中，我國(guó)汽車領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展，在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展中，更應(yīng)該發(fā)揮其對(duì)汽車工業(yè)發(fā)展的動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，從而在智能化與科學(xué)化技術(shù)影響下推動(dòng)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，最終在降低汽車研發(fā)成本的同時(shí)，在顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與作用下，不斷開發(fā)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，為我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的飛速與健康發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：

宋磊，男，1982年生，副教授，研究方向?yàn)檐浖_發(fā)、職業(yè)教育。