汽车电子控制理论与设计控制基础

1 E (s) R( s) 1 L( s ) G ( s) L( s ) Td ( s ) N (s) 1 L( s ) 1 L( s ) E ( s) S ( s) R( s) S ( s )G ( s )Td ( s ) C ( s ) N ( s )
动态响应（transient response） 易于控制和调节系统的动态响应。
反馈的概念
反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的 过程。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越 小 则称为负反馈 反之 则称为正反馈 显然 负反 小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。显然，负反 馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程， 又称偏差控制 同时 由于有反馈的存在 整个控制过 又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过 程是闭合的，故也称为闭环控制。
时域模型 - 微分方程：微分方程的建立及线性化。 复域模型 – 传递函数： 传递函数 借助拉氏变换，给出系统传
递函数。经典控制理论中引用最广泛的一种模型。 典
控制系统方块图：掌握方块图的建立及化简。 状态空间模型 控制系统的内部模型，描述了系统内 状态空间模型： 控制系统的内部模型 描述了系统内
部状态、系统输出与系统输入之间的关系，深入地揭示了 系统的动态特性 是现代控制理论分析 设计系统的基础 系统的动态特性，是现代控制理论分析、设计系统的基础。 掌握系统的状态变量表达式的求取及它与传递函数之间的 关系。 关系
智能控制
是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在 控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对 控制上的应用 智能控制的概念和原理主要是针对被控对 象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导 思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧 解决那些目 思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目 前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的 复杂性体现为 模型的不确定性 高度非线性 分布式的传 复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传 感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式， 庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动 智能机器自主地实现其目标的过程 智能控制是从“仿人”的概念出发的。其方法包括学 习控制、模糊控制、神经元网络控制和专家控制等方法。
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主要内容
• • • • • • 引言 反馈控制系统的特性 线性反馈系统的稳定性分析 非线性控制系统的稳定性分析 现代控制系统基础 智能控制系统简介
反馈控制系统的特性
• • • • • • • 误差信号分析 控制系统对参数变化的灵敏度 反馈控制系统对瞬态响应的控制 反馈控制系统的干扰信号 控制系统的稳态误差 反馈的代价 设计举例
最优、随机、自适应 大系统 智能控制 大系统、智能控制 控制 电子计算机 机组自动化 智能机器系统 综合自动化
1 2控制系统基本概念 1.2
• • • • • 控制系统数学模型 线性系统 非线性系统 开环控制与闭环控制系统 反馈的概念
数学模型
定义：数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式。 建立数学模型的目的 • 是分析和设计控制系统的首要工作（或基础工作）。 • 自控系统的组成可以是电气的、机械的、液压或气动的等等，然而描述这 自控系统的组成可以是电气的 机械的 液压或气动的等等 然而描述这 些系统发展的模型却可以是相同的。通过数学模型来研究自控系统，可以摆 脱各种不同类型系统的外部特征，研究其内在的共性运动规律。 建立方法 • 解析法（机理模型）：依据系统及元件各变量之间所遵循的物理、化学定 解析法（机理模型）：依据系统及元件各变量之间所遵循的物理 化学定 律，列出各变量之间的数学关系式 • 实验法（实验建模 ）：对系统施加典型测试信号（脉冲、阶跃或正弦信 ）：对系统施加典型测试信号（脉冲 阶跃或正弦信 号），记录系统的时间响应曲线或频率响应曲线，从而获得系统的传递函数 或频率特性
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•闭环控制系统
几个名词术语： 扰动（disturbance） 测量噪声( (measurement noise) ) 参数变化（variation of parameters） 稳态误差(steady‐state error) 闭环控制系统的优点： 有效减小系统对过程参数变化的灵敏度。 有效克服扰动对系统的影响。 降低测量噪声的影响。
2.1 误差信号分析
闭环系统有3个输入，1个输出
一、误差信号定义 号 E ( s) R( s) Y ( s)
E ( s)
也称为跟踪误差（tracking error）
假定H(s)=1，单位反馈。则E(s)=Ea(s)，由框图可得误差为：
1 G ( s) Gc ( s )G ( s ) N (s) R( s) Td ( s ) 1 Gc ( s )G ( s ) 1 Gc ( s )G ( s ) 1 Gc ( s )G ( s )
经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统 经典控制理论只适用于单输入 单输出的线性定常系统 只注重系统 的外部描述而忽视系统的内部状态。在实际应用中有很大局限性。 随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的 随着航天事业和计算机的发展 20世纪60年代初 在经典控制理论的 基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅 速发展起来 速发展起来。 1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论 1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理 1956年庞特里雅金（L S Pontryagin）提出极大值原理 1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输 在数学工具 理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输 出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对 线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量 系统，都是一种有效的分析方法。 基本方法：状态方程 （时域）
dt 2
(
dy 2 d ) y A sin t dt
显然上面的微分方程不容易求解，系统分析很困难，所以常常需要引入 显然上面的微分方程不容易求解 系统分析很困难 所以常常需要引入 “等效”线性系统来代替非线性系统，这种等效线性系统仅在有限的工作 范围内是正确的。
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• 开环控制系统
开环系统不带有反馈，输入信号直接产生输出响应 开环系统不带有反馈，输 信号直接产生输出响应。 优点：结构简单，成本低廉，易于实现 缺点 对 动 有抑制 力 缺点：对扰动没基础 研究对象 分析方法 研究重点 核心装置 应用 第一阶段 第 阶段 20世纪40~50年代 经典控制理论 单输入、单输出系统 传递函数、频域法 反馈控制 模拟调节器 单机自动化
第二阶段
20世纪60~70年代 现代控制理论 多输入、多输出系统 状态方程、时域法
第三阶段
20世纪80年代至今 智能控制理论 多层次、多变量系统 智能算子、多级控制
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非线性系统
– 不满足叠加原理的系统，就是非线性系统。在实际系统中，绝对线性的系 统是不存在的，通常所谓的线性系统也是在一定的工作范围内才保证线性 的，如放大器，在小信号时可能出现“死区”，在大信号时，又可能出现 饱和现象，如图所示即为几种常见的非线性的关系曲线。
– 非线性微分方程 非线性微分方程： d 2 y
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20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发 展 出现了一些新的控制方法和理论 展，出现了 些新的控制方法和理论。如： 如： （1）现代频域方法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统； （2）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定 最优控制规律； （3）鲁棒控制方法 在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制 在保证系统稳定性和其它性能基础上 设计不变的鲁棒控制 器，以处理数学模型的不确定性。
1 1 控制理论的发展简史 1.1
控制理论的发展可分为四个主要阶段： 第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论） 的产生 发 的产生、发展和成熟； 成熟 第二阶段 现代控制理论的兴起和发展 第二阶段：现代控制理论的兴起和发展； 第三阶段：智能控制发展阶段 第 阶段 智能控制发展阶段。
经典控制理论 控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础 的自动调节原理 主要用于工业控制 的自动调节原理，主要用于工业控制。


经典控制理论的基本特征
（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程 描述的系统的分析与综合； （2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； 只用于单输入 单输出的反馈控制系统 （3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态， 是 种对系统的外部描述方法。 是一种对系统的外部描述方法。 基本方法：根轨迹法，频率法，PID调节器 （频域）

1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代 数判据 。 1875年和1896年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分 别独立地提出了高阶系统的稳定性判据 即Routh和Hurwitz判据。 别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即 判据 1938-1945年，奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论 1948 年，伊万斯（ W.R.Evans ）提出了根轨迹法。至此，控制理论 发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法 的经典控制理论。
系 系统模型间的关系 型间 系
线性系统
– 能够用线性数学模型(线性的代数方程、微分方程、差分方程等)描 述的系统 称为线性系统 这类系统的基本特性 即输出响应特性 述的系统，称为线性系统。这类系统的基本特性，即输出响应特性、 状态响应特性、状态转移特性等均满足线性关系。 – 对于控制系统而言 对于控制系统而言，由线性元件构成的系统为线性系统 由线性元件构成的系统为线性系统 线性系统 其运动方 线性系统，其运动方 程一般为线性微分方程。若其各项系数为常数，则称为线性定常系 线性定常系 统。 – 在动态研究中，如果系统在多个输入作用下的输出等于各输入单独 作用下的输出和（可加性） 并且当输入增大倍数时 输出相应增 作用下的输出和（可加性），并且当输入增大倍数时，输出相应增 大同样的倍数（均匀性），就满足叠加原理，因而系统可以看成线 性系统 – 非线性系统：描述系统的数学模型是非线性微分方程，其特性是不 能应用叠加原理。