整车数据采集：车联网实践

整车数据的采集主要是指对汽车电子系统数据的采集。汽车电子系统包括动力系统、底盘系统、车身安全系统及车载信息系统四大部分。这四大部分统一由电子控制单元（ECU）控制及调度，因此，整车数据的采集，必须从ECU采集这四大系统所有的传感器数据及开关信号开始。从ECU采集数据，就涉及汽车的总线技术，如CAN总线、LIN（local interconnect network，局域互联网络）总线、MOST（media oriented system transport，面向媒体的系统传输）总线及大众车系用于检测系统的K-Line总线技术。例如，通过OBD接口，从CAN总线或K线读取车辆的故障码，对车辆进行诊断，并获取车辆的冷却液温度数据、排放数据、油耗数据、里程数据及驾驶员急加速、急减速等驾驶行为数据，通过对这些数据进行加工处理，为驾驶员提供安全的驾乘环境。对于车门未关提醒，可从低速CAN总线或LIN总线获取落锁信号，通过分析这些数据，及时地给驾驶员发送车门未关提醒。通过检测ACC（adaptive cruise control，自适应巡航控制）电源的状态，可以判断车辆是否非法开启，从而实现车辆远程防盗功能。车载终端可通过胎压传感器采集车辆的胎压数据，对胎压的检测有利于驾驶员的行车安全。

汽车感知技术是车联网最关键的技术，车用传感器是车联网的末梢神经。汽车内的重要部位上安装很多不同用途的车用传感器（见图3-1），专门监测这些重要部位的工作状况，及时以电信号方式向车用微机传输关于车的实时状况信息，以供驾驶员分析判断车的状况。车内感知技术涉及的关键技术主要包括汽车传感器技术、CAN总线技术和模糊控制技术等。车内感知示意图如图3-2所示。

1.常见汽车传感器

汽车传感器技术是促进汽车高档化、电子化、自动化发展的关键技术之一。汽车行业已经成为传感器的最大“用户”。由于汽车传感器技术相对于汽车行业传统的机械和电气技术发展得较晚，因此世界各国对汽车传感器的研究、开发、性能、尺寸与价格都非常重视，其技术进步非常迅速。衡量现代高级轿车控制系统水平的关键就在于其传感器的数量和水平。

图3-1 车用传感器

图3-2 车内感知示意图

汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。汽车传感器对温度、压力、位置、转速、加速度和振动等各种信息进行实时、准确地测量和控制。

近年来，从半导体集成电路技术发展而来的微电子机械系统（micro-electro mechanical system，MEMS）技术日渐成熟，利用这一技术可以制作各种能敏感检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器。这些传感器的体积和能耗小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，非常适合在汽车上应用。

1）发动机控制传感器

在以汽油机为动力的现代汽车上，发动机管理系统以其低排放、低油耗和高功率等特点得到迅速发展且日益完善。传感器在其中发挥着举足轻重的作用，下面介绍汽车发动机上几种主要的传感器。

（1）温度传感器。

温度是反映发动机热负荷状态的重要参数。为了保证控制系统能够精确控制发动机的工作参数，必须随时监测发动机冷却液温度、进气温度和排气温度，以便修正控制参数，计算吸入气缸空气的质量、流量，并进行净化处理。

冷却液温度传感器（coolant temperature sensor，CTS）通常称为水温传感器，其主要功能是检测发动机冷却液的温度，并将温度信号变换为电信号传给ECU。ECU根据发动机温度修正喷油时间和点火时间，使发动机工作于最佳状态。

进气温度传感器（intake air temperature sensor，IATS）的主要功能是检测进气温度，并将温度信号变换为电信号传给ECU。ECU根据发动机进气温度和压力信号（来自进气歧管绝对压力传感器）修正喷油量，使发动机自动适应外部环境温度和压力的变化。

常见的温度传感器有热敏电阻式温度传感器、热敏铁氧体温度传感器、扩散电阻式温度传感器、晶体管式温度传感器、双金属片式温度传感器等。

（2）空气流量传感器。

空气流量传感器用于测量发动机的进气量，将发动机的进气量转换为电信号输入ECU，以便ECU根据预定的空燃比计算燃油喷射量。进气量信号是ECU计算喷油时间和点火时间的主要依据。根据检测进气量的方式，空气流量传感器分为D型（压力型）和L型（空气流量型）两种。D型利用压力传感器检测进气歧管内的绝对压力，控制系统利用该绝对压力和发动机转速计算吸入气缸的空气量，来控制燃油喷射，其特点是测量精度不高，控制系统成本低。L型利用流量传感器直接测量吸入进气歧管的空气流量，测量精度高，控制效果优于D型燃油喷射系统的控制效果。L型空气流量传感器分为体积流量型（如翼片式、量芯式和涡流式）传感器和质量型（如热丝式和热膜式）传感器，其中热膜式流量传感器内部没有运动部件，因此没有运动阻力，使用寿命远远长于热丝式流量传感器。

（3）压力传感器。

在用进气歧管绝对压力来计量进气量的电控喷油系统中，进气歧管压力传感器是最重要的传感器，相当于采用直接测量空气流量的电控喷油系统中的空气流量传感器。它依据发动机的负荷状态检测进气歧管内绝对压力的变化，并将其转换成电压信号，与转速一起输送到ECU，作为决定喷油器基本喷油量的依据。进气歧管压力传感器根据其信号原理可分为压敏式、电容式、膜盒传动的差动变压器式和声表面波式等。其中，电容式和压敏式进气歧管压力传感器在当今发动机电子控制系统中应用较为广泛；声表面波（surface acoustic wave，SAW）式进气歧管压力传感器是在一块压电基片上用超声波加工出一薄膜敏感区，上面刻制换能器（压敏SAW延时线），换能器与电路组合成振荡器。

大气压力传感器主要以压敏式为主，安装位置各有不同。

机油压力传感器，通常通过螺纹拧入气缸体的油道内，其内有一个可变电阻，根据机油压力的大小，滑动触笔移动，改变桥式电路输出电流，以达到检测的目的。

（4）位置传感器。

曲轴位置传感器（crankshaft position sensor，CPS）是发动机电控系统中最主要的传感器，其功能是传递控制点火时刻、喷油时刻和确认曲轴位置。其检测并输入发动机ECU的信号包括曲轴转角、活塞上止点和第一缸判定信号，同时也是供测量发动机转速的信号源。曲轴位置传感器主要分为光电式、磁感应式和霍尔式等类型。节气门位置传感器的功能是把节气门打开的角度（即发动机负荷）大小转变为电信号后输入ECU，ECU根据节气门位置信号或全负荷开关信号判断发动机的工况，根据不同工况对混合气浓度的需求来控制喷油时间，以提高发动机的功率和效率。节气门位置传感器主要有触点开关式、可变电阻式、触点和可变电阻组合式三种，按输出方式分为线性输出和开关量输出两种形式。通过车身高度与转向盘转角传感器，电控主动悬架系统可以根据车身高度、车速、转向和制动等传感器信号，由ECU控制电磁式或步进电动机式执行元件，改变悬架持性，以适应各种复杂的行驶工况对悬架特性的不同要求。车身高度和转向传感器均用光电式。

（5）气体浓度传感器。

氧传感器，是排气氧传感器（exhaust gas oxygen sensor，EGOS）的简称。它通过监测排出气体中氧离子的含量来获得混合气的空燃比信号，并将该信号转变为电信号输入ECU。ECU根据氧传感器信号对喷油时间进行修正，实现空燃比反馈控制，使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达到减少有害气体的排放和节省燃油的目的（空燃比一旦偏离理论值，三效催化剂对一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的净化能力将急剧下降）。

现在汽车使用较多的氧传感器有二氧化钛（TiO2）式和二氧化锆（ZrO2）式氧传感器两种。TiO2属于N型半导体材料，其阻值大小取决于材料的温度和周围环境中氧离子的浓度，二氧化钛传感元件有芯片式和厚膜式两种。Zr O2式氧传感器的基本元件是专用陶瓷体Zr O2固体电解质，其原理是空气中的氧离子通过多孔性固体电解质（Zr O2），产生氧气浓度差，氧离子做扩散运动，在Zr O2表面产生电动势，传感器输出该电动势电压信号，测出氧浓度。

（6）转速、车速传感器。

发动机转速传感器的功能是在已知单位时间空气流量的基础上，检测发动机转速，来确定每循环负荷最佳空燃比的喷油量。常用的是电磁感应式发动机转速传感器，ECU通过检测电磁感应式传感器线圈中产生的脉冲电压间隔，测出发动机转速。

车速传感器的功能是测量汽车行驶的速度，该传感器主要有可变磁阻式、光电式和电磁感应式等。可变磁阻式传感器将因磁阻元件（MRE）的阻值变化而引起的电压变化输入比较器，由比较器输出控制晶体管的导通和截止，以此测出车速。光电式车速传感器用于数字式速度表上，由发光二极管（LED）、光敏晶体管和遮光板构成。当遮光板不断遮盖LED发出的光束时，光敏晶体管检测出脉冲频率，从而测出车速。电磁感应式车速传感器用于检测自动变速器型车辆的车速，由电磁感应线圈和永久磁铁组成，当自动变速器输出轴转动时，感应线圈中的磁通量发生变化，进而产生交流感应电动势，车速越大，磁通量变化越大，输出的脉冲电压频率越大，因此控制系统是根据脉冲电压的频率测出车速的。

现代汽车均装有防抱死制动系统（anti-lock braking system，ABS）和防滑控制系统。二者都设有获取车轮转速信号的轮速传感器，轮速传感器通常有电磁感应式和霍尔式两种。

（7）其他传感器。

爆燃传感器是点火时刻闭环控制必不可少的重要部件，其功能是将发动机爆燃信号变换为电信号传递给ECU，ECU根据爆燃信号对点火提前角进行修正，从而使点火提前角保持最佳。它分为压电式、磁致伸缩式两种。

碰撞传感器是在电子控制式安全气囊系统中使用的传感器，可分为碰撞烈度传感器和防护碰撞传感器两类。

电流传感器主要应用于电动机控制、负荷检测和管理、开关电源和过流保护等。

2）底盘控制传感器

底盘控制传感器是指用于自动变速器系统、悬架系统、动力转向系统、防抱死制动系统等底盘控制系统中的传感器。尽管分布在不同的系统中，但这些传感器的工作原理与发动机中相应传感器的工作原理是相同的。而且，随着汽车电子控制系统集成化程度的提高和CAN总线技术的广泛应用，同一传感器不仅可以给发动机控制系统提供信号，还可以为底盘控制系统提供信号。自动变速器系统使用的传感器主要有车速传感器、加速踏板位置传感器、加速度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、水温传感器和油温传感器等。防抱死制动系统使用的传感器主要有轮速传感器和车速传感器。悬架系统使用的传感器主要有车速传感器、节气门位置传感器、加速度传感器、车身高度传感器和方向盘转角传感器等。动力转向系统使用的传感器主要有车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器和油压传感器等。

3）车身控制传感器

车身控制传感器主要用于提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等。由于其工作条件不像发动机和底盘那么恶劣，因此一般工业用传感器稍加改进就可以应用。车身控制传感器主要有用于自动空调系统的温度传感器、湿度传感器、风量传感器和日照传感器等，用于安全气囊系统中的加速度传感器，用于门锁控制中的车速传感器，用于亮度自动控制系统中的光传感器，用于消除驾驶员盲区的图像传感器等。

2.CAN数据总线

随着汽车电子化、自动化的提高，ECU日益增多，线路也日益复杂。为了简化电路和降低成本，汽车上多个ECU之间的信息传递就要采用多路复用通信网络技术，将整车的ECU形成一个网络系统，也就是CAN（控制器局域网络）数据总线。

CAN数据总线是一种串行多主站总线。它具有很高的网络安全性、通信可靠性和实时性，简单实用，网络成本低，特别适用于汽车计算机控制系统和温度恶劣、电磁辐射强、振动大的工业环境。其通信媒介可以是双绞线、同轴电缆或光纤，数据传输速率可达1 Mb/s。

1991年9月，Philips半导体公司制定并发布了CAN技术规范2.0版。该技术规范包括A和B两部分。2.0 A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，而2.0 B给出了标准的和可扩展的两种CAN报文格式。此后，1993年11月，ISO正式颁布了道路交通运输工具 数字交换 高速通信控制器局域网国际标准（ISO 11898 高速CAN）和低速通信控制器局域网国际标准（ISO 11519 低速CAN）。美国汽车工程师协会（SAE）等组织也以CAN协议为基础颁布本组织的标准。遵循ISO/OSI（open systems interconnection，开放系统互联）标准模型，CAN总线分为数据链路层和物理层。在CAN 2.0标准中对数据链路层和物理层进行了详细的定义，其中物理层具有很大的灵活性，方便用户根据实际情况进行选择。

1）CAN总线的数据交换原理

A和B两部分应用标准版（CAN 2.0 A）和扩展版（CAN 2.0 B）两种格式的数据帧。这两种格式的数据帧都由7个段码组成。标准版的ID码为11位，可以识别2 048个不同的信息。扩展版的ID码为29位，可以识别5.12×108个不同信息。CAN总线标准版（CAN 2.0 A）数据帧格式如表3-1所示。

表3-1　CAN总线标准版（CAN 2.0 A）数据帧格式

CAN总线协议的总线仲裁是按位进行的，需要比较不同节点在同一位数据传输时间内总线请求优先级的高低。因此，最高数据传输速度随总线长度的增大而减小。自CAN总线问世以来，为满足CAN总线协议的多种应用需要，相继出现了几种高层协议。目前，大多数基于CAN总线的网络都采用CAN总线的高层协议。CANopen、DeviceNet和SDS是通常采用的高层协议，适用于任何类型的工业控制局域网应用场合，而CAL协议则应用于基于标准应用层通信协议的优化控制场合，SAEJ1939协议则应用于卡车和重型汽车计算机控制系统。

CAN总线协议是一种非破坏性的通过竞争来进行总线仲裁的协议。当多个节点同时要求占用总线进行数据传输时，为防止一个节点破坏另一个节点的数据，CAN总线协议控制器在仲裁段传输过程中，根据标识码的大小对总线进行仲裁，标识码较小的信息具有较高的总线占用优先级。当在一条总线上要传送两种不同格式的信息时，如果这两种不同格式的信息具有相同的基本标识码（BID），那么在进行总线竞争时，标准格式帧的优先级始终高于扩展格式帧的优先级。

按CAN总线协议传输的数据，都需要一个网络内唯一的标识码来指定信息内容（如发动机转速或冷却水温度）和信息的优先级。若某一个节点的CPU要将信息发送给一个或多个节点，则首先应将待发信息及其标识码发送给指定的CAN总线控制器。为此，CPU必须首先初始化CAN总线控制器的数据交换功能，然后用CAN总线控制器构建并发送信息。一旦网络中某一节点的CAN总线控制器获得总线控制权，网络中所有其他节点都成为接收节点，所有正确接收到该信息的节点都要进行信息检验，以确定所收信息是否与本节点有关，然后放弃无关信息，对有关信息进行处理。这种方法使系统构建非常灵活，对每个独立节点来说，都不需要物理目的地址。如果要增加的新节点是纯粹的接收站，则不需要对现有节点的硬软件做任何修改，就能方便地向现有CAN总线网增加新节点。该协议也允许多站同时接收信息（广播式）和共享分布式过程信息，即采用该协议可以传送多个控制器共用的测量信息，对于基于CAN总线的汽车计算机控制系统，所有的控制单元可以共享同一个传感器。

2）CAN总线特性(www.xing528.com)

CAN总线是一种多主站总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。CAN协议采用通信数据块进行编码，取代了传统的站地址编码，使网络内的节点数在理论上不受限制。由于CAN总线具有较强的纠错能力、支持差分收发，因此其适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。CAN总线的特性如下。

（1）CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。

（2）CAN总线协议遵循ISO/OSI标准模型，采用了其中的物理层和数据链路层。

（3）CAN总线可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，节点之间有优先级之分，因而通信方式灵活；CAN采用带优先权的非破坏性逐位仲裁机制，节省了总线冲突仲裁时间，在重负载下性能良好；CAN总线能以点对点、一点对多点（成组）和全局广播等方式传送和接收数据。

（4）CAN总线的直接通信距离最远可达10 000 m（传输速率为5 kb/s），最高通信速率可达1 Mb/s（传输距离为40 m）。

（5）CAN总线上的节点数可达110个。

（6）CAN总线数据链路层采用短帧结构，每一帧为8 B，易于纠错；CAN总线每帧信息都有CRC（cyclic redundancy check，循环冗余检验）和其他检错措施，有效地降低了数据的错误率；CAN总线节点在错误严重的情况下，具有自动关闭功能，使总线上其他节点不受影响。

（7）信号调制解调方式采用不归零（non-return to zero，NRZ）编码/解码方式，并采用插入填充位技术。

（8）数据位具有显性“0”（dominant bit）和隐性“1”（recessive bit）两种逻辑值，采用时钟同步技术，具有硬件自同步和定时时间自动跟踪功能。

3）CAN总线的分层结构

CAN总线的分层结构如图3-3所示。按照IEEE 802.2和IEEE 802.3标准，物理层划分为物理信令（physical signaling sublayer，PLS）子层、物理媒体连接（physical medium attachment，PMA）和媒体相关接口（medium-dependent interface，MDI）。数据链路层划分为逻辑链路控制（logic link control，LLC）和媒体访问控制（media access control，MAC）子层。

图3-3 CAN总线的分层结构图

CAN（2.0 B）定义了MAC子层和LLC子层的一部分，并描述与CAN协议有关的外层。LLC子层的主要功能是为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。MAC子层是CAN协议的核心。它描述由LLC子层接收到的报文和对LLC子层发送的认可报文，具有数据封装/拆装、帧编码、媒体访问管理、错误监测、出错标定等功能。MAC子层由一个被称为故障界定的管理实体实时监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。

物理层的功能是实现有关电气特性信号在不同节点间的传送。物理层定义了怎样发送信号，涉及位定时、位编码和同步的描述。在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器和接收器特性，以便设计时根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。

4）CAN总线通信原理

CAN总线具有开放式线性总线型网络结构，总线节点平均分布。CAN总线由两个或多个节点组成。总线逻辑符合“线与”机制。“隐性”位（通常为逻辑电平“1”）被“显性”位（通常为逻辑电平“0”）覆盖。只要没有总线节点发送显性位，总线线路就处于隐性状态，但是只要任一总线节点发送了显性位，就会产生显性总线状态。因此，对于CAN总线线路，必须选择能传送两种可能位状态（显性和隐性）的传输介质，此时总线线路有CANH和CANL两个输出端，并且可以直接或通过连接器与节点相连。CAN协议中没有定义有关连接器使用的标准。

当总线长度不超过40 m时，最大总线速度可达1 Mb/s。如果总线长度超过40 m，总线速度会降低（1 000 m的总线仅能实现40 kb/s的总线速度）。对于1 000 m以上的总线，应该使用特殊的驱动器。若总线上不使用额外的设备，则至少可以连接20个节点。由于发送信号的差分性质，即两条总线线路所受的影响相同，使差分信号不受影响，因此CAN本质上并不容易受到辐射电磁能的影响。也可以屏蔽总线线路以降低来自总线的电磁辐射，尤其是在高波特率下。

二进制数据是按不归零码（NRZ码，低电平为显性状态，高电平为隐性状态）编码的。使用位填充以确保所有总线节点时钟同步。这意味着在报文发送时，最多可以有5个连续位具有相同的极性。只要发送了具有相同极性的5个连续位，在继续发送后续位前，发送器将在比特流中插入一个极性相反的位。接收器也会检查同极性位的个数，并把填充位从比特流中删除。在CAN协议中，不对总线节点寻址。地址信息包含在发送的报文中。这是通过标识符（每个报文中的一部分）实现的，标识符标识了报文内容（比如引擎速度和油温等）。另外，标识符还会指出报文的优先级，标识符的二进制值越小，报文的优先级就越高。总线仲裁采用带有非破坏性仲裁的带冲突检测的载波监听多路访问（carrier sense multiple access with collision detection，CSMA/CD）机制。如果总线节点A要通过网络发送报文，它首先会检查总线是否处于空闲状态（即没有正在进行发送的节点），这样节点A就成为总线主控节点并发送其报文。在节点A发送第一个发送位（帧起始位）时，所有其他节点都会切换到接收模式。在正确接收了报文后（报文经过每个节点应答），每个总线节点都会检查报文标识符，如果需要的话还将存储报文，否则就将报文丢弃。

5）SAE J1939协议

在CAN 2.0 B规范的基础上，对CAN总线的29位识别符进行具体定义，建立起J1939协议的编码系统，从而形成SAE J1939协议。目前它已成为货车和客车的通用通信协议。CAN规范和J1939协议的区别在于仲裁场的29位识别符。CAN格式帧转换为J1939格式帧是通过协议数据单元（protocol data unit，PDU）来实施的。J1939的PDU由P、R、DP、PF、PS、SA和DATA七部分组成，对应于CAN协议扩展帧的29位识别符加上数据场。SAE J1939协议在货车和客车上得到了广泛应用，但对于拥有更多电子设备的汽车却没有统一的应用层协议。

6）CAN总线在汽车控制系统中的应用

现代汽车的计算机控制系统一般包括发动机控制、自动变速器控制、防抱死制动控制、安全气囊控制等几个控制单元。这类汽车的各计算机控制单元间往往没有通过总线构成网络，而是独立运作，或者相关控制单元通过串口进行联系。随着汽车电子技术的不断发展，一些先进的汽车还装备了巡行控制、驱动防滑控制（ASR）、悬架控制、转向控制、空调控制、防盗及其他控制等电子控制单元（ECU）。另外，各种舒适性控制装置和数字化仪表也不断增多，而且各ECU之间有着密切的联系，CAN总线已经在这些先进的汽车计算机控制系统中得到应用，取代传感器、电子控制单元和执行器之间，以及电子控制单元之间的专线联系方式，构成了基于CAN总线的汽车控制系统网络。通常，该网络包括发动机控制、传动系统控制、车身控制和仪器仪表4个功能独立、可自行运行的CAN总线网络。为了便于汽车所有功能的管理，需要通过网关将这4个CAN总线网络联系起来。网关通过对CAN总线间待传数据信息的智能化处理，确保只有某类特定的信息才能够在网络间传输。例如，车身CAN总线网络要从发动机CAN总线网络索要某一信息时，网关计算机就从后者中取得有关的信息，并按要求进行一定的处理后再进行传输。这种方式可将不同的信息分开，减轻了各网络总线上的负载。

CAN总线应用到汽车计算机控制系统后，所有ECU都连接到CAN总线上，极大地简化了汽车计算机控制系统的线路联系。CAN总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线，已开始在先进汽车上得到应用，使得各汽车计算机控制单元能够通过CAN总线共享所有信息和资源，达到简化布线、减小传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。基于CAN总线的汽车计算机控制系统如图3-4所示。

图3-4 基于CAN总线的汽车计算机控制系统

3.自动控制与模糊控制技术

汽车自动控制是通过CAN总线与汽车传感器获取各部件实时数据，并进行判决处理后，对汽车运行状态进行控制的过程。传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论都有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上。但是，汽车控制是一个非常复杂的工况，尤其是在汽车传感器大量应用、影响因素很多的情况下，要建立精确的数学模型特别困难，很难用经典控制理论实现车辆的自动控制。在这种情况下，采用模糊控制就显得非常有必要。

1）模糊控制原理

模糊控制的基本思想是用计算机或其他装置模拟人对系统的控制过程。人作为模糊控制系统的操作者，模糊控制过程是：操作者首先借助于眼、耳等器官，从仪器、仪表中读出被控过程的状态情况；接着这些模糊信息进入人的大脑，操作人员根据存储在大脑中的经验和知识，对这些模糊信息进行处理，得到作为结论的控制作用，这些控制作用仍是模糊的语言值；最后，大脑发出命令，指挥手、脚等器官去执行这些控制作用，使被控系统得到确切的控制。模糊控制不用建立精确的数学模型，根据实际系统的输入、输出数据，参考现场操作人员的经验，就可对系统进行实时控制。模糊控制实际上是一种非线性面向物联网时代的“声研究与实践”控制，从属于智能控制范畴。

近20年来，模糊控制获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出的特点。

（1）模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，其依据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。

（2）从工业过程中的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获得、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常实用。

（3）基于模型的控制算法和系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易展现出较大差异。但一个系统的语言规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制。

（4）模糊控制是基于启发性知识和语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。

（5）模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大降低，使其尤其适合于非线性、时变和纯滞后系统的控制。

2）模糊控制系统的组成

一个模糊控制系统必须包含一些必要的部件。模糊控制是计算机数字控制的一种形式，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统的组成，其组成框图如图3-5所示。

图3-5 模糊控制系统组成框图

模糊控制系统由以下几部分组成。

（1）模糊控制器。

模糊控制器是模糊控制系统的核心。模糊控制理论采用基于模糊控制知识表示和规则推理的语言型模糊控制器，这也是模糊控制系统区别于其他控制系统的主要标志。模糊控制器存放的是由规则导出的模糊控制算法，一般由计算机程序或硬件实现。被控对象不同，以及对系统静态、动态特性要求不同，模糊控制器的规则也有所不同，即模糊控制算法各异。实际上，模糊控制器的作用与其他控制器的作用相同。例如，在经典控制理论中，常用的模糊控制器有PID（比例积分微分）控制器、串/并联校正器；在现代控制理论中，常用的模糊控制器有有限状态观测器、自适应控制器和鲁棒控制器等。

（2）数模转换器（D/A）。

模糊控制器将给定值与被控制量的反馈值的差作为输入，经模糊控制算法合成后，得到相应的控制量。由于该控制量是数字量，而执行机构所接受的是模拟量，因此在模糊控制器与执行机构之间需要数模转换器。有时，进行数模转换之后还需要进行电平转换。

（3）执行机构。

执行机构包括交/直流电动机、步进电动机、液压电动机和气动调节阀等。

（4）传感器。

传感器可将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号。传感器的精度将直接影响到整个系统的精度。

（5）模数转换器（A/D）。

传感器将被控制量转换为电信号，若该电信号是模拟信号，则需要将模拟信号转换成数字信号，再反馈到中央处理系统；若该电信号是数字信号，则不需要进行模数转换。