汽车电子控制系统设计

现代汽车工业极大地受到社会文化、工业水平、经济发展的影响，同时又极大地影响社会文化、工业水平和经济发展。随着我国社会经济文化翻天覆地发展，汽车工业也发生了巨大的变化，整车企业每年推出大量的新车型以满足市场需求。但是随着汽车工业的发展和社会消费水平的提升，人们对于汽车产品的需求也在发生巨大变化。汽车电子系统由于能够极大地提升汽车产品的各项性能、提高产品附加价值、提升产品吸引力，已经成为汽车产品研发的核心内容。新能源汽车技术和自动驾驶技术的核心技术也是汽车电子技术。汽车市场的需求与新技术的发展要求当代汽车电子控制系统的研发技术也必须紧跟技术的发展。这就要求新的电子系统不仅像汽车其他部件那样成本低廉，使用可靠，开发迅速，不同车型的适用性良好，还要求新的技术层出不穷，软件系统更新迭代速度快。
技术的发展对于高等院校车辆工程专业的人才培养提出了新的要求。传统车辆工程专业课程教学主要以介绍汽车电子控制系统的结构和原理为主，主要解决“为什么”和“是什么”的问题。而现代汽车技术的发展，以及构建创新型社会的需求要求我们的学生还必须学会“怎么做”。本书主要介绍从事汽车电子控制系统开发必须具备的基础理论知识、必须了解的软硬件常识、必须符合的行业标准、必须遵循的开发流程以及必须掌握的常用开发工具。本书篇主要介绍汽车电子控制系统开发过程中可能涉及的控制理论基础知识； 第二篇介绍汽车电子控制系统软硬件常识以及通行的标准； 第三篇介绍基于模型的汽车电子控制系统的具体方法、流程和工具，以及如何满足功能安全相关标准。本书力图在有限的篇幅内系统地介绍汽车电子控制系统开发中关键的、核心的内容，帮助车辆工程专业的本科生和研究生具备初步从事汽车电子控制系统开发的知识和能力，为从事汽车电子控制技术教学的教师提供一本适用的教材，为有志于从事汽车电子控制系统开发的工程师提供一本有价值的参考书。
本书使用了几个Simulink的示例，这些示例已获得MathWorks公司的转载批准，这里对 MathWorks公司表示感谢。
本书在撰写过程中还得到了MathWorks公司许悦伊博士、樊朝祥工程师、阮卡佳工程师的大力支持、帮助和指导，他们提出了很多宝贵的意见和建议，也提供了很多有价值的参考资料，在此向他们表示由衷的感谢。感谢我的同事徐哲博士在章节安排上提供的宝贵建议和意见，也感谢我的研究生谭水平、张兴、张龙雨、王侠超、魏福裕、陆益飞、胡燕果和本科生丛皓川在资料收集、例题验算、文字校对等方面所做的工作。
本书是作者多年从事科研、教学工作的总结，先汇编为教案和讲义继而整理成书，从动笔撰写到终成书历时近两年时间。由于作者水平有限，本书必然存在许多不足之处，恳切希望读者和同行不吝指正。
作者
2021年6月于重庆

本书主要介绍控制理论的基础知识，汽车电子控制系统开发的基本理念、基于模型的控制系统开发方法、软件架构、汽车电子系统通行的AUTSAR标准和功能安全性标准以及从事汽车电子控制系统开发必须具体的软硬件知识。通过本书的学习，读者可以了解和掌握汽车电子控制系统开发的知识、技能，结合汽车理论等专业知识能够初步开展汽车电子控制系统相关的研发工作，能够达到“学以致用“的效果。本书适用于车辆工程本科、研究生作为汽车电子及控制技术课程的教材，也适用于有志于从事汽车电子控制系统开发的其他专业人员作为参考书籍使用。

本书主要介绍控制理论的基础知识，汽车电子控制系统开发的基本理念、基于模型的控制系统开发方法、软件架构、汽车电子系统通行的AUTSAR标准和功能安全性标准以及从事汽车电子控制系统开发必须具体的软硬件知识。通过本书的学习，读者可以了解和掌握汽车电子控制系统开发的知识、技能，结合汽车理论等专业知识能够初步开展汽车电子控制系统相关的研发工作，能够达到“学以致用“的效果。本书适用于车辆工程本科、研究生作为汽车电子及控制技术课程的教材，也适用于有志于从事汽车电子控制系统开发的其他专业人员作为参考书籍使用。

杨新桦，工学博士，重庆理工大学车辆工程学院副教授，硕士生导师，获得过德国手工业协会颁发的专业技工资格证书（机动车机电工种），德国培训师资格证书。长期从事本科《汽车电子及控制技术》和研究生《汽车电子控制系统工程》的教学工作，关注汽车电子控制技术的发展，擅长基于模型的控制系统开发以其应用，发表论文20余篇，主持和参与相关科研课题多项，主编《汽车新技术》、《汽车服务企业管理》等书。

绪论

0.1控制系统基本概念

0.1.1什么是系统

0.1.2什么是控制

0.1.3什么是控制系统

0.1.4什么是控制系统工程

0.1.5什么是车辆电子控制系统工程

0.1.6汽车电子控制系统设计的基本原则

0.2控制系统的一般要求

0.3控制系统设计的一般步骤

0.4汽车电子控制系统设计的一般方法和步骤

0.4.1整车电子系统的开发

0.4.2V形开发流程

0.4.3汽车电子控制系统开发平台

习题

本章参考文献

篇控制理论基础

第1章经典控制理论

1.1控制系统的微分方程

1.2使用传递函数描述系统

1.2.1传递函数的定义

1.2.2系统的时域性能指标

1.2.3典型环节的传递函数

1.2.4系统的方块图

1.3系统的零极点模型

1.4系统的稳定性

1.5经典控制理论的控制系统设计方法

1.5.1时域分析法

1.5.2根轨迹法

1.5.3频率分析法

1.6非线性系统分析

1.6.1非线性系统的特点

1.6.2非线性系统的分析方法

1.7z变换与离散时间系统

1.7.1z变换

1.7.2离散时间系统的系统函数

1.8基本控制规律

1.8.1双位控制规律

1.8.2比例控制规律

1.8.3积分控制规律

1.8.4微分控制规律

1.8.5PI控制规律

1.8.6PD控制规律

1.8.7PID控制规律

1.8.8控制规律的选用

习题

第2章现代控制理论

2.1基本概念

2.1.1系统的状态、状态变量和状态空间

2.1.2状态空间模型

2.1.3状态空间的线性变换与标准型

2.1.4传递函数模型与状态空间模型的关系

2.2李雅普诺夫稳定性分析

2.2.1基本概念

2.2.2李雅普诺夫稳定性定义

2.2.3李雅普诺夫稳定性基本定理

2.3系统的能控性与能观性

2.3.1线性系统的能控性及其判别

2.3.2线性系统的能观测性及其判别

2.3.3能控性、能观测性与传递函数的关系

2.4控制系统的状态空间综合

2.4.1反馈控制系统的基本结构与特点

2.4.2状态观测器

2.5控制理论

2.5.1控制问题的数学描写

2.5.2控制问题的求解

2.5.3控制理论在汽车悬架中的应用

习题

第3章智能控制

3.1智能控制理论的基本内容

3.2专家控制

3.2.1专家系统

3.2.2专家控制

3.3模糊控制

3.3.1模糊逻辑基础 

3.3.2模糊控制器设计

3.3.3发动机怠速的模糊控制实例

3.4人工神经网络控制

3.4.1神经网络系统基础

3.4.2控制中的常用神经网络——BP神经网络

3.4.3基于神经网络的智能控制

3.5机器学习

3.6深度学习
本篇参考文献

第二篇汽车电子学

第4章汽车电子控制系统的硬件

4.1控制器

4.1.1控制器的硬件结构

4.1.2核心运算器

4.1.3使用硬件替代软件

4.2传感器

4.2.1传感器的分类

4.2.2传感器的信号处理

4.3执行器

4.3.1执行器的类型

4.3.2执行器的控制

习题

第5章汽车电子控制系统的软件

5.1软件的控制和调节功能

5.2软件的诊断功能

5.2.1故障的识别

5.2.2故障信号的去抖和自愈

5.2.3故障存储

5.2.4故障诊断仪读取故障信息

5.3软件的程序开发与测试

5.3.1汽车电子控制系统软件的编程语言

5.3.2软件的测试

5.3.3旁路技术

5.4汽车电子控制系统软件架构

5.5汽车电子控制系统的实时操作系统

5.5.1实时操作系统的任务

5.5.2OSEK/VDX

5.6数据与应用程序的标定

5.6.1标定的概述

5.6.2标定协议

习题

第6章AUTOSAR标准

6.1AUTOSAR标准概述

6.2开发符合AUTOSAR标准的系统

6.2.1使用AUTOSAR开发环境开发系统

6.2.2使用MATLAB/Simulink开发符合AUTOSAR标准的系统

习题

第7章汽车软件开发能力评定标准

7.1SPICE项目背景

7.2Automotive SPICE

7.2.1Automotive SPICE简介

7.2.2过程参考模型

7.2.3度量框架

7.2.4过程评估模型
本篇参考文献

第三篇汽车电子控制系统设计

第8章计算机辅助控制系统设计概述

8.1计算机辅助控制系统设计的概念

8.1.1计算机辅助控制系统设计的发展

8.1.2计算机辅助控制系统设计的要素及步骤

8.2计算机辅助控制系统设计的发展趋势

第9章基于MATLAB的控制系统设计工具

9.1控制系统的表达

9.1.1线性系统的模型表达

9.1.2控制系统的典型连接

9.2控制系统的分析

9.2.1时域分析

9.2.2频域分析

9.3Simulink的建模与仿真

9.3.1Simulink模块库与建模方法

9.3.2机电液的物理联合建模与仿真——Simscape

9.3.3基于有限状态机原理的建模工具——Stateflow

习题

第10章基于模型的控制系统设计

10.1概述

10.2基于模型的控制系统设计工作流程

10.3模型在环仿真

10.3.1直流电机转速控制系统的模型在环仿真

10.3.2时间步长对控制效果的影响

10.3.3控制器采样周期的影响

10.3.4模型参数的估计与验证

10.4代码生成

10.5软件在环仿真与处理器在环仿真

10.5.1软件在环仿真

10.5.2处理器在环仿真

10.6硬件在环仿真

习题

第11章汽车电子控制系统的功能安全

11.1功能安全标准

11.2危害分析与风险评估

11.2.1危害分析与风险评估的概念

11.2.2危害分析与风险评估的步骤

11.2.3ASIL分解

11.3预期功能安全

11.4开发符合功能安全标准的系统

11.4.1开发流程、方法、工具

11.4.2需求管理与需求模型

11.4.3软件架构设计

11.4.4单元开发与验证

习题
本篇参考文献

附录A上机实验指导

上机实验一MATLAB控制工具箱的使用

上机实验二Simulink系统建模方法

上机实验三Stateflow的使用

上机实验四SimScape的建模方法及参数估计工具箱

上机实验五电驱小车速度控制器设计

上机实验六需求管理与电驱小车控制器测试

上机实验七电驱小车控制器的软件在环仿真

本书主要介绍控制理论的基础知识，汽车电子控制系统开发的基本理念、基于模型的控制系统开发方法、软件架构、汽车电子系统通行的AUTSAR标准和功能安全性标准以及从事汽车电子控制系统开发必须具体的软硬件知识。通过本书的学习，读者可以了解和掌握汽车电子控制系统开发的知识、技能，结合汽车理论等专业知识能够初步开展汽车电子控制系统相关的研发工作，能够达到“学以致用“的效果。本书适用于车辆工程本科、研究生作为汽车电子及控制技术课程的教材，也适用于有志于从事汽车电子控制系统开发的其他专业人员作为参考书籍使用。

杨新桦，工学博士，重庆理工大学车辆工程学院副教授，硕士生导师，获得过德国手工业协会颁发的专业技工资格证书（机动车机电工种），德国培训师资格证书。长期从事本科《汽车电子及控制技术》和研究生《汽车电子控制系统工程》的教学工作，关注汽车电子控制技术的发展，擅长基于模型的控制系统开发以其应用，发表论文20余篇，主持和参与相关科研课题多项，主编《汽车新技术》、《汽车服务企业管理》等书。