УДК 629.3.078:681.5(075)
ББК 39.33-048.1я73
С21
Прутчиков И. О. — доктор технических наук, профессор, профессор
Рецензенты:
кафедры электроэнергетики и электротехники Санкт-Петербургского
государственного архитектурно-строительного университета;
Ожегов Н. М. — доктор технических наук, профессор кафедры
автомобилей, тракторов и технического сервиса Санкт-Петербургского
государственного аграрного университета
Сафиуллин, Р. Н.
С21 Управление техническими системами транспортных средств :
учебное пособие / Р. Н. Сафиуллин, Р. Р. Сафиуллин ; под ред. проф.
Р. Н. Сафиуллина. — Москва : Директ-Медиа, 2023. — 348 с.
ISBN 978-5-4499-3401-7
Книга представляет собой учебное издание, в котором с системотехнических позиций
представлены конструктивные решения основных технических систем управления
транспортных средств, закономерности функционирования и особенности их
работы. Целью данного учебного пособия является обобщение, систематизация вопросов
конструкции, диагностирования и обслуживания современных электронных
и микропроцессорных систем управления автомобиля, дать определения основным
понятиям, описание некоторым электронным системам автомобиля. Рассмотрены
основные компоненты автоматических устройств автомобильного транспорта и
условия их функционирования. Изложены особенности построения алгоритмов, оптимального
управления транспортными средствами, а также отдельные аспекты
теории передачи информации систем управления. В рассматриваемой предметной
области анализируются конкретные примеры, направленные на выработку навыков
применения математических методов при управлении техническими системами.
Учебное пособие написано в соответствии с Федеральным государственным образовательным
стандартом высшего образования третьего поколения и предназначено
для бакалавров направления подготовки 23.03.01 — Технология транспортных
процессов; 23.05.02 — Наземные транспортно-технологические средства; 23.03.03 —
Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов, а также магистров
направления подготовки 23.04.01 — Технология транспортных процессов; 23.04.02 —
Наземные транспортно-технологические средства; 23.04.03 — Эксплуатация транспортно-технологических
машин и комплексов. Книга может быть полезна инженерно-техническим
работникам предприятий автомобильной промышленности, а также
специалистам сервисных служб и всем, кто связан с эксплуатацией автотранспортных
средств.
Книга может быть полезна инженерно-техническим работникам предприятий
автомобильной промышленности, а также специалистам сервисных служб и всем,
кто связан с эксплуатацией автотранспортных средств.
УДК 629.3.078:681.5(075)
ББК 39.33-048.1я73
ISBN 978-5-4499-3401-7
© Сафиуллин Р. Н., Р. Р. Сафиуллин, текст, 2023
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2023
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ...................................................................................................................................................... 11
Глава 1. Основные понятия и принципы управления .................................................... 14
1.1. Исходные положения ............................................................................................................ 14
1.2. Принципы управления ......................................................................................................... 17
1.2.1. Принцип программного управления .................................................................. 17
1.2.2. Принцип компенсации ................................................................................................ 17
1.2.3. Принцип обратной связи (управление по отклонению)........................ 18
1.2.4. Принцип комбинированного управления ...................................................... 19
1.3. Структура системы управления ..................................................................................... 19
1.4. Законы управления ................................................................................................................ 21
1.5. Классификация систем управления ............................................................................. 22
Глава 2. Системы управления, применяемых в автомобилях ................................... 24
2.1. Система водитель — автомобиль — дорога — среда ....................................... 24
2.2. Гидроусилитель руля ............................................................................................................ 24
2.2.1. Гидроусилитель руля с золотниковым распределителем
поступательного действия .................................................................................................... 25
2.2.2. Гидроусилитель руля с золотниковым распределителем
тангенциального типа ............................................................................................................. 26
2.3. Система управления двигателем ................................................................................... 27
2.4. Система управления дроссельной заслонкой ........................................................ 29
2.5. Антиблокировочная тормозная система .................................................................. 31
2.6. Система автоматического управления светом фар ............................................ 33
2.7. Система адаптивного круиз-контроля ....................................................................... 35
2.8. Тенденции развития автоматических систем управления в
автомобилестроении ..................................................................................................................... 38
2.9. Теоретические основы управления скоростными и нагрузочными
режимами работы двигателя .................................................................................................... 40
2.9.1. Характеристики оптимального по экономичности
регулирования двигателя ...................................................................................................... 44
2.9.2. Регулирование двигателя при наличии дополнительных
ограничений ................................................................................................................................... 47
2.9.3. Автоматизация управления двигателем ......................................................... 49
2.9.4. Разомкнутые и локально-замкнутые подсистемы
автоматического управления ДВС .................................................................................... 53
2.9.5. Управление опережением зажигания и составом смеси ........................ 56
3
Стр.4
2.9.6. Локально-замкнутый контур подавления детонации ............................ 64
2.9.7. Разомкнутые подсистемы управления составом смеси ......................... 66
Глава 3. Система пуска и зажигания ДВС ................................................................................ 72
3.1. Система электростартерного пуска ДВС ................................................................... 72
3.2. Системы электроискрового зажигания бензиновых ДВС .............................. 76
3.2.1. Классификация батарейных систем зажигания .......................................... 78
3.2.2. Требования к системам зажигания, основные параметры
систем зажигания ........................................................................................................................ 79
3.2.3. Классическая контактная система зажигания ............................................. 80
3.2.4. Контактно-транзисторная система зажигания ........................................... 82
3.2.5. Бесконтактно-транзисторная система зажигания .................................... 82
3.2.6. Двухвыводная катушка зажигания ..................................................................... 83
3.2.7 Микроконтроллерная система зажигания ...................................................... 84
Глава 4. Системы диагностики..................................................................................................... 86
4.1. Система освещения и сигнализации ............................................................................ 86
4.2. Информационно-диагностическая система ............................................................ 86
4.2.1. Системы диагностики автомобиля ...................................................................... 88
Глава 5. Автомобильные мультиплексные системы
передачи информации ....................................................................................................................... 96
5.1. Основные понятия .................................................................................................................. 96
5.2. Примеры автомобильных мультиплексных систем ........................................ 100
5.5. Информационные сети ....................................................................................................... 104
5.5.1. Эталонная модель взаимодействия систем ................................................. 105
5.5.2. Протоколы информационных сетей ................................................................. 107
5.5.3. Физическая передающая среда ............................................................................ 108
5.5.4. Топология информационных сетей .................................................................. 109
5.5.4.1. Топология типа шина ....................................................................................... 110
5.5.4.2. Топология типа звезда .................................................................................... 110
5.5.4.3. Топология типа кольцо ................................................................................... 111
5.5.4.4. Ячеистая топология .......................................................................................... 111
5.5.4.5. Смешанная (гибридная) топология ........................................................ 112
5.5.5. Адресация .......................................................................................................................... 113
5.5.6. Методы доступа к среде передачи данных ................................................... 114
Глава 6. Шина CAN ............................................................................................................................... 116
6.1. История развития .................................................................................................................. 116
6.2. Основные свойства шины CAN ...................................................................................... 116
4
Стр.5
6.3. Стандарты CAN ........................................................................................................................ 118
6.4. Состав сетевого узла CAN .................................................................................................. 120
6.5. Кодирование битов .............................................................................................................. 120
6.6. Среда передачи данных ..................................................................................................... 121
6.7. Логические уровни сигналов ......................................................................................... 123
6.8. Синхронизация ........................................................................................................................ 124
6.9. Формат кадров ......................................................................................................................... 124
6.9.1. Форматы кадров данных Standard Data Frame
и Extended Data Frame ............................................................................................................. 125
6.9.2. Формат кадра удаленного запроса данных Remote Frame .................. 127
6.10. Обнаружение ошибок ....................................................................................................... 127
6.11. Обработка ошибок .............................................................................................................. 128
6.12. Локализация ошибок ........................................................................................................ 129
6.13. Обработка переполнений .............................................................................................. 132
6.14. Временные характеристики ......................................................................................... 133
6.15. Дальнейшее развитие протокола CAN — CAN FD ........................................... 134
6.16. Стандарт SAE J1939 ............................................................................................................ 138
6.16.1. SAE J193911, SAE J193915 — протокол физического уровня .......... 139
6.16.2. SAE J193921 — протокол канального уровня ........................................... 139
6.16.3. SAE J193971 — протокол прикладного уровня ....................................... 144
Глава 7. Диагностика шины CAN ................................................................................................ 148
7.1. Системы диагностики автомобиля ............................................................................ 148
7.2. Диагностика автомобиля Соболь 4×4 с двигателем
Cummins ISF 2.8 ................................................................................................................................ 150
7.2.1. Подключение к диагностической шине ......................................................... 150
7.2.2. Коды неисправностей ................................................................................................ 152
7.2.3 Контроль параметров ................................................................................................. 152
7.3. Практическая работа с диагностическим сканером
«АВТОАС-СКАН» ............................................................................................................................... 155
7.3.1. Правила безопасности ............................................................................................... 155
7.3.2. Последовательность работы ................................................................................. 155
Глава 8. Реверс-инжиниринг шины CAN автомобиля .................................................. 157
8.1. Шина CAN .................................................................................................................................... 157
8.1.1. История развития ......................................................................................................... 157
8.1.2. Основные свойства шины CAN ............................................................................. 158
8.1.3. Стандарты CAN ............................................................................................................... 160
5
Стр.6
8.1.4. Состав сетевого узла CAN ......................................................................................... 161
8.1.5. Кодирование битов ...................................................................................................... 162
8.1.6. Среда передачи данных ............................................................................................. 163
8.1.7. Логические уровни сигналов................................................................................. 163
8.1.8. Формат кадров ................................................................................................................ 164
8.1.8.1. Форматы кадров данных Standard Data Frame
и Extended Data Frame....................................................................................................... 165
8.2. Сканер CAN шины PCAN-USB FD ................................................................................... 167
8.3. Практическая работа по анализу сообщений
в шине CAN автомобиля ............................................................................................................. 171
8.3.1. Правила безопасности ............................................................................................... 171
8.3.2. Анализ сообщений в автомобиле ....................................................................... 171
8.3.3. Расшифровка сообщений ......................................................................................... 173
8.3.4. Создание DBC файла .................................................................................................... 173
8.4. Разработка программы для Arduino для индикации
частоты вращения коленвала ................................................................................................ 175
8.4.1. Шилд CANdiy .................................................................................................................... 175
8.4.2. Программа для Arduino ............................................................................................. 176
8.4.3. Отладка программы с использованием MATLAB ...................................... 178
8.4.4. Испытание программы на автомобиле ........................................................... 180
8.5. Оформление отчета .............................................................................................................. 180
Глава 9. Датчики (сенсорные устройства) ........................................................................... 181
9.1. Микромеханика ....................................................................................................................... 183
9.1.1. Процесс APSM................................................................................................................... 186
9.1.2. Датчики положения .................................................................................................... 188
9.1.2.1. Магнитно-индуктивные датчики ............................................................. 190
9.1.2.2. Датчики с закорачивающим кольцом .................................................... 190
9.1.2.3. Полудифференциальные датчики с закорачивающим
кольцом ..................................................................................................................................... 191
9.1.2.4 Датчики с вращающимися переменными полями. ........................ 191
9.1.2.5. Датчик Hella ............................................................................................................ 192
9.1.2.6 Магнитостатические датчики ..................................................................... 193
9.1.2.7. Гальваномагнитный эффект ....................................................................... 194
9.1.2.8. Типы датчиков Холла ....................................................................................... 195
9.1.2.9. Датчики Холла, использующие принцип
вращающихся токов .......................................................................................................... 196
9.1.2.10. Дифференциальные датчики Холла .................................................... 197
6
Стр.7
9.1.2.11. Датчики Холла для измерения угла поворота
(на угол до 180°) .................................................................................................................. 199
9.1.2.12. Датчики Холла для измерения угла поворота
(на угол до 360°) .................................................................................................................. 201
9.1.2.13. Магниторезистивные датчики ................................................................ 204
9.1.2.14. Магниторезистивные NiFe тонкопленочные
датчики (AMR) ...................................................................................................................... 206
9.1.2.15 Датчик углового положения в диапазоне более 360°
(определение нескольких оборотов) ..................................................................... 209
9.1.2.16. GMR-датчики ....................................................................................................... 210
9.1.3. Датчики скорости и частоты вращения ......................................................... 210
9.1.3.1. Формы датчиков ................................................................................................. 211
9.1.3.2. Роторы ....................................................................................................................... 211
9.1.3.3. Градиентные датчики ...................................................................................... 212
9.1.3.4. Тангенциальные датчики .............................................................................. 212
9.1.3.5. Датчики ускорения и вибрации ................................................................. 212
9.1.3.6. Принципы измерения ...................................................................................... 212
9.1.3.7. Пьезоэлектрические датчики ..................................................................... 213
9.1.3.8. Емкостные кремниевые датчики ускорения .................................... 213
9.1.4. Датчики давления ........................................................................................................ 215
9.1.4.1. Прямое измерение давления ....................................................................... 215
9.1.4.2. Емкостные датчики давления .................................................................... 215
9.1.4.3. Диафрагменные датчики ............................................................................... 216
9.1.4.4 Применение полупроводниковых датчиков давления. .............. 216
9.1.4.5. Датчики высокого давления с металлической
диафрагмой............................................................................................................................. 216
9.1.5. Расходомеры .................................................................................................................... 217
9.1.5.1. Датчики массового расхода воздуха ....................................................... 217
9.1.6. Газовые датчики, датчики концентрации .................................................... 218
9.1.6.1. Датчик концентрации кислорода (лямбда-зонд) ........................... 218
9.1.6.2. Датчик качества воздуха ................................................................................ 219
9.1.6.3. Измерение влажности ..................................................................................... 220
9.1.7. Датчики температуры. Косвенно измеряемые переменные ............. 220
9.1.8. Конструктивные особенности .............................................................................. 221
9.1.9. Датчики силы и момента ......................................................................................... 222
9.1.10. Датчики измерения механической нагрузки ........................................... 223
9.1.10. Датчики для измерения углов (торсионное измерение) .................. 224
9.1.11. Датчики вихревых токов ....................................................................................... 226
9.1.12. Датчик загрязнения фар ........................................................................................ 226
7
Стр.8
9.1.13. Датчик дождя ................................................................................................................ 227
9.1.14. Датчики для систем повышения безопасности
при движении (DAS) ................................................................................................................ 227
9.1.14.1. Принцип работы ультразвукового датчика .................................... 228
9.1.14.2 Радарная технология ...................................................................................... 228
9.1.14.3. Радар малой дальности (24 ГГц) ............................................................ 231
9.1.14.4. Радар большой дальности .......................................................................... 231
9.1.14.5. Лидар ....................................................................................................................... 231
9.1.15. Видеотехнология ........................................................................................................ 233
9.1.15.1. Основные принципы фотосчитывания .............................................. 233
9.1.15.2 ПЗС-матрицы ....................................................................................................... 235
9.1.15.3. КМОП-матрицы ................................................................................................. 236
9.1.16. Технология определения дальности ............................................................. 237
Глава 10. Математическое описание систем управления .......................................... 239
10.1. Уравнения динамики и статики ................................................................................ 239
10.2. Линеаризация уравнений .............................................................................................. 241
10.3. Символическая форма записи дифференциальных уравнений ............ 243
10.4. Преобразование Лапласа ................................................................................................ 243
10.4.1. Основные свойства преобразования Лапласа .......................................... 244
10.4.2. Изображения Лапласа распространенных функций ............................ 245
10.5. Передаточные функции .................................................................................................. 247
10.6. Временные функции ......................................................................................................... 250
10.7. Связь между передаточной функцией и временны́ ми
функциями .......................................................................................................................................... 251
10.8. Описание передаточных и временны́ х функций в MATLAB ..................... 252
Глава 11. Частотные функции и характеристики ........................................................... 254
11.1. Понятие частотных функций и характеристик ............................................... 254
11.2. Различные типы звеньев и их характеристики ............................................... 257
11.3. Асимптотические ЛАЧХ ................................................................................................... 262
11.4. Построение частотных характеристик в MATLAB .......................................... 263
Глава 12. Структурные схемы систем управления ......................................................... 264
12.1. Структурные схемы ........................................................................................................... 264
12.2. Вычисление передаточной функции одноконтурной системы ............ 268
12.3. Вычисление передаточной функции многоконтурной системы .......... 270
8
Стр.9
12.4. Функции MATLAB, используемые для преобразования
структурных схем ........................................................................................................................... 272
Глава 13. Устойчивость линейных непрерывных САУ ................................................. 274
13.1. Понятие устойчивости САУ ........................................................................................... 274
13.2. Основное условие устойчивости САУ ..................................................................... 276
13.3. Необходимое условие устойчивости ...................................................................... 277
13.4. Алгебраические критерии устойчивости ............................................................ 277
13.4.1. Характеристическое уравнение ........................................................................ 278
13.4.2. Критерий Гурвица ..................................................................................................... 279
13.4.3. Критерий Льенара — Шипара ............................................................................ 279
13.4.4. Критерий Рауса ............................................................................................................ 280
13.5. Частотные критерии устойчивости ........................................................................ 281
13.5.1. Критерий устойчивости Михайлова .............................................................. 281
13.5.2. Критерий Найквиста ................................................................................................ 282
13.5.3. Запасы устойчивости системы по модулю и фазе ................................. 284
13.5.4. Устойчивость систем управления с запаздыванием ........................... 285
13.6. Теоремы Ляпунова об устойчивости по линейному
приближению ................................................................................................................................... 287
13.7. Робастная устойчивость ................................................................................................. 287
13.7.1. Полиномы Харитонова. Теорема Харитонова .......................................... 288
13.8. Оценка устойчивости САУ в MATLAB ...................................................................... 290
Глава 14. Метод переменных состояния ............................................................................... 299
14.1. Уравнение системы в нормальной форме ........................................................... 299
14.2. Уравнения линейных САУ в переменных состояния .................................... 301
14.3. Матричная передаточная функция ......................................................................... 302
14.4. Управляемость и наблюдаемость объекта управления ............................. 302
14.4.1. Управляемость объекта управления ............................................................. 303
14.4.2. Управляемость линейных стационарных объектов ............................ 303
14.4.3. Наблюдаемость объекта управления ............................................................ 304
14.5. Описание и анализ в MATLAB САУ в пространстве состояний ............... 304
Глава 15. Анализ качества линейных непрерывных систем
автоматического регулирования .............................................................................................. 308
15.1. Понятие качества регулирования ............................................................................ 308
15.2. Показатели качества в переходном режиме ...................................................... 310
15.2.1. Прямые показатели качества ............................................................................. 310
9
Стр.10
15.2.2. Корневые показатели качества ......................................................................... 312
15.2.3. Интегральные показатели качества .............................................................. 314
15.2.4. Частотные показатели качества ....................................................................... 314
15.3. Показатели качества в установившемся режиме ........................................... 315
15.3.1. Коэффициенты ошибок ......................................................................................... 315
15.3.2. Статические и астатические системы ........................................................... 316
15.4. Структура астатической системы управления ................................................. 317
Глава 16. Синтез ПИД-регуляторов систем автоматического управления ..... 320
16.1. Введение ................................................................................................................................... 320
16.2. Исследование типовых законов управления .................................................... 321
16.3. Настройка параметров ПИД-регулятора .............................................................. 326
16.3.1. Метод Циглера — Никольса, основанный
на переходной функции объекта..................................................................................... 327
16.3.2. Метод Циглера — Никольса, основанный на частотных
характеристиках объекта ..................................................................................................... 329
16.4. Реализация ПИД-регулятора в MATLAB/Simulink .......................................... 331
16.5. Ограничения, накладываемые на техническую
реализацию ПИД-регулятора .................................................................................................. 334
16.6. ПИД-регулятор с фильтром .......................................................................................... 334
16.7. Проблема интегрального насыщения ПИД-регулятора ............................. 337
16.8. Программная реализация ПИД-регулятора ....................................................... 339
Заключение ............................................................................................................................................. 341
Список литературы ............................................................................................................................ 342
Приложение А. Шилд CANdiy ........................................................................................................ 344
Приложение Б. Плата индикации .............................................................................................. 347
Стр.11