王丽芳
中国科学院电工研究所，北京 100080
1 前言
汽车电控系统的结构和控制算法日趋复杂，控制范围日益扩大，控制精度日益提高，向综合控制和智能控制的方向发展。随着电控系统复杂性的提高，对系统的可靠性提出了更高的要求。故障的发生对控制精度有直接的影响，同时对车辆的安全性、动力性、经济性和排放都有不良的影响。为了及时发现故障，并采取相应的措施，尽量减小故障对车辆性能的影响，各国都相继开发相应的故障诊断系统，并在不断扩大诊断的范围和功能，最终提高车辆的可靠性。
汽车电控系统的故障可分为：(1)被控部件故障；(2)传感器故障；(3)执行机构故障；(4)ECU故障。
由于ECU硬件系统一般具有很高的可靠性，不易发生故障，控制软件也不易出故障，所以汽车电控系统主要表现是前三种故障。
汽车电控系统诊断技术的发展表现为诊断方式和诊断方法的不断发展和完善，以适应日益发展的汽车电控技术的需要和社会的需求。
2 汽车电控系统的诊断方式
随着微机在汽车上的应用，70年代末，首先出现了专用检测仪。通过这种仪器，技术人员可以观测控制系统的输入和输出，有助于了解控制系统的工作过程，并可对系统的工作状态作出判断。福特公司的EEC－Ⅰ(1978)和EEC－Ⅱ(1979)就是这种检测仪，用于监控电控发动机的信号，并找出故障区域［1］。但是这种专用检测仪用于诊断时，要求操作人员掌握控制系统的机理和标准的确定，技术水平要求高，应用受到限制。
2.1 随车诊断
为了克服专用检测仪的缺陷，80年代初，出现了随车诊断系统。随车诊断是指利用车载计算机对电控系统各部件进行检测，记录或显示检测结果的诊断方法。它具有下列一些功能：(1)有严重故障时向驾驶员报警；(2)贮存和显示故障代码；(3)采取应急措施，使系统维持在一定水平下运行。
随车诊断具有如下优点：(1)减少专用仪器的使用，降低维修费用；(2)查找故障及时；(3)应用广泛。
然而，随车诊断并不是最优的诊断方法，还存在下列一些缺陷：(1)诊断范围的扩大和诊断精度的提高受到结构的限制；(2)不能诊断CPU本身的故障；(3)适应性差，控制系统的改进和车型的变化需要废弃原有的诊断系统进行重新设计。
2.2 车外诊断
为了扩充诊断信息和诊断功能，80年代中后期开始研究多功能车外诊断仪。车外诊断是指利用仪器对电控系统进行检测和诊断。
车外诊断具有下列一些优点：(1)诊断功能可以及时扩充，提高诊断效率和精度；(2)可以监控所有的输入和输出信号，并可对CPU进行诊断，扩大诊断范围；(3)可以对电控系统进行主动干预和控制，增强了诊断功能，并可作为一种测试手段；(4)增强了对控制系统和车型的适应性。
但车外诊断没有随车诊断那样及时，方便，且造价高，并需专业人员来操作。
随车诊断诊断及时，车外诊断功能齐全，两者各有优点，不能相互代替。只有把两者有机地结合起来，相互补充，才能满足维修的需要。
随车诊断将向以下方向发展：(1)基于单个控制系统的诊断向综合控制系统的诊断发展；(2)增强诊断功能，扩大检测项目；(3)加强故障预报功能；(4)与容错控制相结合。
车外诊断将向如下两个方向发展：(1)诊断技术的标准化，包括数据通讯、故障代码、诊断软件和硬件设备的标准化，使车外诊断仪便于推广和使用；(2)向集成诊断发展。
2.3 集成诊断
随着汽车电子技术的应用和发展，汽车电控系统日趋复杂，且处于不断的更新变化之中，传统的诊断方法和诊断设备无论是诊断精度、使用方便性和对汽车技术发展的适应性均不能满足用户的需要；另一方面，随着汽车复杂性的提高，维修人员的相对技术水平越来越难以适应工作的需要，只有借助先进的技术手段，才能弥补技术水平的差异；而计算机信息处理技术和人工智能技术为汽车诊断技术的进一步发展创造了有利的条件。
汽车集成诊断适应时代的发展，通过诊断技术和诊断手段的有机结合，集多种诊断功能和技术于一体，提高了诊断精度和效率，并以多种技术为依托，形成了汽车集成诊断系统，内容包括诊断功能的集成、基于整车的诊断、故障诊断专家系统与故障电子信息检索技术的相互促进、诊断网络的形成与发展。汽车集成诊断系统是汽车诊断技术的发展方向。表现如下：
(1) 诊断功能的集成
随着计算机技术的发展，用于数据的采集、转换、存贮、分析和输出的硬件及软件的功能齐全且已商品化，它们用于汽车诊断领域，不但可以根据需要实现测试功能的组合，以替代多种传统仪器，还增加了传统仪器所不具备的功能。这些功能的集成，不仅扩大了诊断范围，提高了诊断精度，同时还减少了诊断仪器的种类和数量，降低了成本，简化了维修。此外，数据的采集与检验、分析集于一体，提高了诊断的实时性和效率。
(2) 基于整车的诊断
随着汽车电子化程度的提高，汽车电控系统将由分散控制向集中控制方向发展，这就要求汽车诊断技术由传统的基于单个电控系统的诊断向以整车为诊断对象的基于整车的诊断发展。在基于系统的诊断方法中，各个系统的诊断相互独立，互不相关，割裂开来，而基于整车的诊断，把不同系统作为一个整体，考虑它们间的相互影响和车辆技术状况的变化，通过不同的测试方式，最终实现准确的诊断［2］。基于整车的诊断大大减少了诊断仪器的种类和数量，而且使用方便。
(3) 故障诊断专家系统与故障电子信息检索技术的集成
维修人员在诊断和修理过程中，既要运用诊断工具，又要依赖于其它维修信息。随着电控系统复杂性的提高和维修信息的增加，进行诊断工作要求维修人员掌握多方面的知识。把专家系统和电子信息检索技术结合起来，形成新的系统就可以大大缩短诊断进程，并提高诊断的准确性。
该系统由两部分组成：生成系统和传送系统［3］，生成系统包括故障数据库生成系统和诊断信息生成系统，分别用于产生故障数据库和电子文件。基于规则、基于事例、基于模型等诊断方法的发展与综合运用以及CAD技术为故障数据库的生成提供了技术支持。传送系统包括诊断系统和信息系统，诊断系统用于执行具体的诊断过程，信息系统用于信息的检索和显示，两个系统互相结合，提高了诊断的效率。
(4) 诊断网络的应用
汽车诊断技术在日新月异的汽车技术发展的推动下，服务机构、技术人员、诊断设备、诊断技术形成了一个网络。图1是汽车诊断网络的组成、结构和信息流程图［4］。
图1 汽车诊断网络组成、结构和信息流程图
从图1可以看出，网络分为公司、分部、维修店三个层次。在公司一级，传统的设备和技术用得较多，在维修店一级，先进的技术和设备用得较多，分部一级介于两者之间，传统的和先进的技术、设备结合使用。图1也揭示了网络中的通讯情况。各分部和公司之间建立了广域网，每个分部都有自己的局域网，与下属各维修店联系。信息从公司经广域网到各分部，再由各分部经局域网到各维修店，反过来，信息可以从维修店传到公司。
在诊断网络中，诊断技术、诊断设备、诊断人员、诊断信息得到了合理的组织和应用。诊断网络具有信息反映快、诊断准确、便于管理的特点，是社会化大生产和先进科学技术在汽车诊断领域的体现。
汽车集成诊断系统以整车为诊断对象，通过随车诊断与车外诊断的有机结合和容错功能的增强，采用故障诊断专家系统与故障电子信息检索技术集成的方法，最终形成诊断网络的体系结构，是诊断对象、诊断方式、诊断功能、诊断方法和诊断系统网络结构的综合集成，其集成化程度将日趋提高。该系统是现代汽车和信息技术的产物，具有技术含量高、适应性强、诊断准确的优点，是汽车诊断技术的发展方向。
3 汽车电控系统的诊断方法
车辆电控系统的结构和控制算法日趋复杂，因此需要适宜的检测与诊断方法来保证和提高车辆电控系统的可靠性和安全性。已有的一些检测与诊断方法一般是通过检测信号的有无及信号的变化范围和变化率对短路和断路等一些故障进行诊断。近十年来发展起来了基于汽车电控系统动态数学模型的诊断方法，这种方法不仅可以诊断断路、短路等故障，而且可以对诸如传感器标定值漂移等故障进行诊断，提高了诊断的准确性和及时性。
3.1 基于信号的诊断方法
已有的一些检测与诊断方法一般是通过检测信号的有无及信号的变化范围和变化率对短路和断路等一些故障进行诊断。例如，在某电控发动机中，冷却水温度传感器的正常使用范围为-30℃～100℃，工作时其信号处理电路的输出电压在0.3～4.5V范围内变化，如果此时ECU检测到小于0.3V(水温高于100℃)或大于4.5V(水温低于-30℃)的信号值，就可判断水温传感器信号系统出现了短路或断路故障。与此类似，为能随时检测其它模拟量输入信号系统的工作情况，也分别设定了它们各自的输入阈值。
3.2 基于直接冗余的诊断方法
直接冗余是解析冗余的一种形式，是指不同传感器同一时刻输出信号的静态功能重叠，只存在于传感器之间。
在对汽车电控系统的结构和工作原理深入了解的基础上就可对汽车电控系统的冗余性进行分析。冗余有物理冗余和解析冗余两种形式。物理冗余是一种硬件冗余，采用物理冗余的方法可提高系统的可靠性，但需增加成本。解析冗余是指系统中部件的输入、输出和开关信号在功能上的重叠。对电控系统的解析冗余进行分析，找出具有冗余关系的部件，则可利用不同部件间的解析冗余关系对某个部件是否有故障进行诊断，当某个部件发生故障时，基于解析冗余，其全部或部分功能可用与其具有解析冗余关系的部件来代替。所以，解析冗余是提高系统可靠性的经济而有效的方法。
3.3 基于动态冗余的诊断方法
动态冗余是指传感器的输出信号和执行机构的输入信号的动态功能重叠，可存在于传感器及传感器与执行机构间。近十年来发展起来了基于汽车电控系统动态数学模型的诊断方法，是一种基于动态冗余的诊断方法。这种方法不仅可以诊断断路、短路等故障，而且可以对诸如传感器标定值漂移等故障进行诊断，提高了诊断的准确性和及时性，具有代表性的有检测滤波器法、双段检测滤波器法、自适应非线性观测器法、基于非线性等价方程的残差生成器法等。
(1) 检测滤波器法
车辆各电控系统从本质上说是非线性系统，但是在某种操作规范下或某工作点附近可以将其线性化，进而进行简化建模和诊断工作。
检测滤波器实际上是一类特殊的观测器，它将部件和执行机构的故障的输出方法固定在特定的方向上，同时将传感器故障的输出方法固定在一个平面里。在车辆电控系统的诊断中，这种基于模型的方法首先得到了应用，在四轮转向控制系统［5］和发动机控制系统［6］的诊断中进行了大量的工作。
检测滤波器法是一种经典的方法，可用于可能发生的故障方向的集合已知时的故障检测。这种方法设计合理，所用的故障检测法计算量很小，非常适合线性系统的实时故障检测；但它要求故障向量的个数小于输出向量的维数，且对系统参数变化的鲁棒性差。
(2) 双段检测滤波器法
检测滤波器法不能把传感器的故障设计成一个固定的方向，只能分离到一个投影面上，为此采用具有伦伯格观测器结构的双段检测滤波器法，除了进行状态的渐进估计外，还可以把故障信息以不同的形式由两个观测器同时输出，用来诊断传感器的故障。双段检测滤波器法可分离出故障传感器，并可估计故障的大小。双段检测滤波器法已用在一些发动机电控系统中，用来诊断由检测滤波器法不能分离的传感器的故障［7～8］。
双段检测滤波器法适用于故障集已知的情况。双段检测滤波器法与检测滤波器法结合使用，可对一般传感器和执行机构的故障进行诊断。
(3) 自适应非线性观测器法
上述两种方法都是线性方法，在某工作规范下或某一工作点附近可使用该方法，但汽车各电控系统从本质上来说是非线性系统，因此需研究基于非线性模型的诊断方法。
在自适应非线性观测器法中，观测器方程的增益阵具有时变的特征，可以在线进行调节，使得输出残差尽快衰减到零，以达到对状态的快速跟踪。这种方法已成功地应用到工业货车电控系统的诊断中［9］。
这种方法的特点是：观测器方法的增益阵可一步求出，是一种实时算法；只能进行故障检测，不能进行故障诊断；鲁棒性有待确定；对缓变性故障不敏感。
(4) 基于非线性等价方程的残差生成器法
该方法也是一种非线性方法，这种方法通过反向模型估计出未知干扰的大小，对干扰有较强的鲁棒性。
该种方法在汽车排放控制系统的诊断中得到了应用［10］。通过反向模型可估计出载荷的大小，就可减弱载荷大小的波动对诊断结果的影响。据此可对发动机排放控制系统中空气流量传感器、发动机转速传感器、节气门开度传感器和燃油流量传感器的故障进行诊断。
在车辆电控系统的检测和诊断中，基于线性模型的方法用的较多，而基于非线性模型的方法用的还较少。各种方法对模型误差和外界干扰的鲁棒性有待于提高。
4 结束语
由于我国汽车电控技术的发展尚处于单个系统开发的初级阶段，因而相应的诊断方式和方法的发展水平也比较低，从诊断方式来看，主要是开发随车诊断系统，当有故障时，向驾驶员报警、显示并记录故障代码，所使用的诊断方法主要是通这检测信号的有无及信号的变化范围和变化率对短路和断路等一些故障进行诊断。应该在开发汽车电控系统的同时开发相应的诊断系统，紧跟世界发展潮流，促进我国汽车工业的发展。
参考文献
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[3] Maurice Q.Liang. Linking Diagnostics with Service Information, SAE 930246
[4] Kevin E.Flood, The Integrated Service System, SAE 940433
[5] Liubakka Michael, Rizzoni Giorgio, Ribbens Willam, Failure Detection Algorithms Applied to Control System Design for Impreoved Diagnostics and Reliability, SAE 880726.
[6] Ribbens W.B.A Mathematical Model Based Method for Diagnosing Failure in Automotive Electronic System, SAE 910069.
[7] Min P S, Ribbens W B. A vector Space Solution to Incipient Sensor Failure Detection with Application to Automotive Environments, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 1989,38(3).
[8] Rizzoni Georgio and Hampo Richard, Real Time Detection Filters for On－board Diagnosis of Incipient Failures, SAE 890763.
[9] Frank P M, Ding X, Wochnik J. Model based fault Detection in Diesel－Hydraulically Diren Industrial Trucks, Proc. of American Control Conference, 1991.
[10] Krishnaswami V, Soliman A, Kizzoni G. A New Generation of On－board and Service Diagnostics for Passenger Vehicle, FISITA94, 949524
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