計算機控制技術在汽車電子系統中的應用

摘要：旨在探討計算機控制技術在汽車電子系統中的應用。首先，介紹了汽車電子系統的基本原理，包括傳感器數據采集、信號處理、控制算法實現、執行機構驅動等環節；其次，簡要介紹了汽車電子控制系統的分類；最后，詳細分析了計算機控制技術在汽車發動機、汽車底盤、汽車電子監控系統等關鍵領域的應用，并總結了這些應用在提高汽車性能方面的顯著效果。

關鍵詞：計算機控制技術；汽車電子系統；發動機管理系統

中圖分類號：TN929.5；TP273 文獻標識碼：A

0 引言

隨著科技飛速發展，計算機控制技術已經成為現代汽車電子系統中不可或缺的部分。汽車電子系統作為汽車智能化的核心，其發展水平直接關系到汽車的使用性能。先進的計算機控制技術能有效提高汽車電子系統控制的精準度，推動汽車工業的進步。但是，計算機控制技術在汽車電子系統中的應用是跨學科研究領域，涉及計算機科學、電子工程、控制理論、通信技術等學科，該領域研究需要深厚的理論基礎支撐，并且緊密結合實際，才能解決汽車電子系統在運行過程中遇到的各種技術難題。因此，深入研究計算機控制技術在汽車電子系統中的應用，對于推動汽車工業的創新發展具有重要意義[1]。

1 汽車電子系統基本原理

近年來，計算機控制技術在汽車電子系統中的應用日益廣泛，其涉及傳感器數據采集、信號處理、控制算法實現、執行機構驅動等環節，如圖1所示。傳感器的主要作用是收集車輛運行過程中的車速、發動機轉速、油壓、溫度等數據，采用模擬信號和數字信號將其輸出，將物理量轉換為電信號，供后續處理使用。而采集的原始信號包含噪聲干擾，需要利用信號處理技術對信號進行濾波、放大、模數轉換等操作，以提高信號的準確性。現代汽車電子系統中通常使用微控制器、數字信號處理器（digital signal processor，DSP）執行這些任務。控制算法是根據處理后的信號計算出控制策略，如發動機管理系統（engine management system，EMS）中的空燃比控制、正時調整等，這些算法基于數學模型和優化理論，旨在提高車輛的使用性能，控制燃油效率。另外，利用執行機構將控制算法輸出結果轉化為實際的物理動作。在汽車電子系統中，執行機構包括噴油器、節氣門、電動機等，這些機構根據控制信號進行精確動作，如噴油量調整、節氣門的開閉等，從而實現對車輛各個子系統的精確控制。

2 汽車電子控制系統的分類

2.1 按控制系統有無反饋環節分類

2.1.1 開環控制系統

在開環控制系統運行過程中，控制器嚴格遵循預設程序向執行機構發出指令，而不考慮實際的輸出結果。例如，早期汽車空調系統的溫度控制完全依賴于用戶設定的溫度值，系統無法根據車內實際溫度進行調整。

2.1.2 閉環控制系統

閉環控制系統中存在反饋環節，輸出結果會被檢測并反饋給控制器，控制器可以根據反饋信息調整控制策略。這種系統能實時響應環境變化，提高控制的準確性。例如，針對現代汽車的防抱死制動系統（antilock brake system，ABS），通過輪速傳感器檢測車輪速度，將信息反饋給控制單元，控制單元根據反饋信息調整制動壓力，防止車輪抱死。

2.2 按系統傳輸信號與時間的關系分類

2.2.1 連續時間控制系統

連續時間控制系統中的信號隨時間連續變化，控制器和執行機構之間的信號傳輸是連續的，有利于工作人員實時響應輸入信號的變化。例如，汽車的電子穩定控制（electronic stability control，ESC）系統通過連續監測車輛的動態參數（如車速、轉向角度等），實時調整車輛的行駛狀態，確保行駛穩定性。

2.2.2 離散控制系統

離散控制系統可以在特定的時間點對信號進行采樣和處理，控制器和執行機構之間的信號傳輸是間斷的。采用汽車巡航控制系統可以定期完成速度檢測，調整發動機的輸出功率，以維持設定的行駛速度[2]。

3 計算機控制技術在汽車電子系統中的應用

3.1 汽車發動機

發動機控制單元（engine control unit，ECU）是計算機控制技術在汽車發動機中的核心應用，其也是微型計算機，負責監控和調節發動機的運行參數，如燃油噴射、發射時機、氣門正時等，優化發動機的使用性能，提高燃油效率，減少排放。目前，傳統化油器式燃油供給系統無法滿足時代要求，電子燃油噴射系統被全面應用到汽車電子系統，其包含ECU裝置，能夠根據傳感器的輸入信號計算每個燃燒循環所需的燃油量，通過噴油嘴將燃油以高壓的形式噴入進氣歧管，提高燃油經濟性，并且有助于減少未燃燒的碳氫化合物和一氧化碳的排放。在計算機控制技術應用方面，ECU通過接收來自曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器的信號，精確計算最佳的控制時機，使燃油在最佳時機燃燒，從而提高發動機的動力輸出和燃油效率，同時減少氮氧化物的排放。可變氣門正時技術是計算機控制技術在發動機中的重要應用，通過ECU控制發動機進氣門和排氣門的開啟和關閉時間，使氣門能夠根據發動機運行條件變化進行調整。這種靈活的氣門控制可以進一步提升發動機的進氣效率，提高低速扭矩和高速功率，在車輛起步時，計算機控制系統調整氣門的開啟時間，使更多的空氣和燃料混合物進入氣缸，從而產生更大的爆發力，提升車輛的加速性能。在高速行駛時，計算機控制系統可以調整氣門的開啟角度和時間，使氣缸內的空氣和燃料混合物更加充分地燃燒，從而產生更大的動力，提升車輛的最高速度和超車能力[3]。

3.2 汽車底盤

在汽車底盤電子控制系統中，驅動防滑控制（acceleration slip regulation，ASR）系統和ABS利用精確的電子控制技術，大幅提高汽車的行駛安全性和操控穩定性。ASR系統主要用于防止汽車在起步、加速過程中出現驅動輪打滑的現象，尤其是在雨雪天氣或路面濕滑的條件下。ASR系統通過傳感器監測車輪的轉速，當檢測到驅動輪打滑時，系統自動減少發動機的輸出扭矩，保持車輪與地面之間的最佳摩擦力，讓車輛穩定加速。ASR系統工作原理主要依賴于ECU綜合控制發動機管理系統和制動系統；ECU接收來自車輪速度傳感器、發動機轉速傳感器等的信息，通過復雜的算法計算最佳控制策略，從而實現對驅動輪的有效控制。

ABS在緊急制動時可以防止車輪抱死，保持車輪的滾動狀態，從而使駕駛員能夠繼續控制車輛的行駛方向。ABS通過輪速傳感器實時監測車輪的轉速，當檢測到某個車輪即將抱死時，ECU會立即發出指令，利用制動壓力調節器減少或釋放該輪的制動壓力，防止車輪抱死。ABS的優勢在于它能夠在緊急制動時保持車輛的操控性，避免因車輪抱死導致車輛失控；且ABS能縮短制動距離，其在車輪滾動狀態下制動效果相比于車輪抱死時更好[4]。

3.3 汽車電子監控系統

在現代汽車中，計算機控制技術通過與服務器的有效結合，使汽車電子監控系統可以實時接收各種數據，包括車速、行車位置等關鍵信息，并且通過車載顯示屏和語音提示系統來輸出相關信息，這有利于駕駛員隨時了解車輛的實時狀態。例如，當車輛超速或偏離預定路線時，系統立即發出警告，幫助駕駛員及時調整駕駛行為。同時，汽車電子監控系統還能根據駕駛員的行駛時間，判斷駕駛員是否存在疲勞駕駛的風險。系統通過分析駕駛員的駕駛習慣和行車時間，一旦檢測到疲勞駕駛的跡象，如頻繁眨眼、打哈欠等，系統能夠自動發出提醒，甚至強制車輛進入休息模式，從而有效避免因疲勞駕駛引發的事故。利用車輛的全球定位系統（global positioning system，GPS），汽車電子監控系統可以實時監測車輛的位置，為駕駛員提供精確的導航服務，在車輛被盜時，也可以協助定位和追蹤。GPS數據還可以用于分析交通流量，優化行車路線，減少擁堵和延誤。在享受計算機控制技術帶來便利的同時，數據安全和隱私保護也是不可忽視的問題。在設計汽車電子監控系統時必須考慮數據加密和用戶隱私保護，確保所有傳輸和存儲的數據都經過嚴格的安全處理，防止數據泄露和濫用[5]。

4 結語

綜上，本文研究了計算機控制技術在汽車電子系統中的應用，深入探討該技術如何提升汽車的智能化水平。通過集成先進的傳感器、高效數據處理算法、實時網絡通信，計算機控制技術為汽車電子系統帶來革命性的變化。隨著技術的不斷發展和完善，計算機控制技術將在汽車電子系統中發揮關鍵作用，進一步提高人們的出行安全和生活質量。

參考文獻

[1] 朱昱林. 探究計算機控制技術在汽車電子系統中的應用[J]. 內燃機與配件，2021（5）：182-183.

[2] 杜康熙. 車載駕駛員狀態監控攝像系統的研究與應用[D]. 天津：天津科技大學，2021.

[3] 黃一飛. 基于物聯網的電子汽車衡計量檢測設備管理系統設計[J]. 衡器，2020，49（4）：39-42.

[4] 方福文. 基于微服務架構的重點區域及人員社會安全風險分析系統[D]. 西安：西安電子科技大學，2022.

[5] 尹子軒. 汽車電子標識中間件系統設計與實現[D]. 西安：西安電子科技大學，2020.