經(jīng)典控制理論與汽車(chē)控制

1、第六章 經(jīng)典控制理論與汽車(chē)控制 6.1 系統(tǒng)校正分類(lèi) 6.2 模擬PID控制 6.3 數(shù)字PID控制 6.4 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇 6.5 汽車(chē)巡航控制 （1）系統(tǒng)校正 在系統(tǒng)中增加一些元件和裝置，以使系統(tǒng)達(dá)到所要求的性能指標(biāo) 按照校正裝置在系統(tǒng)中的連接方式，控制系統(tǒng)的校正方式有四種，即串聯(lián)校正、反饋校正、前饋校正和復(fù)合校正. 串聯(lián)校正：一般接在系統(tǒng)誤差測(cè)量點(diǎn)之后和放大器之前，串聯(lián)接于系統(tǒng)前向通道之中。 反饋校正：接在系統(tǒng)局部反饋通路中串聯(lián)串聯(lián)校正校正對(duì)對(duì)象象控制控制器器反饋校正反饋校正6.1系統(tǒng)校正分類(lèi)3 前饋校正或順饋校正，是在系統(tǒng)主反饋回路之外前饋校正或順饋校正，是在系統(tǒng)主反饋回路之外采

2、用的校正方式。這種校正方式的作用相當(dāng)于對(duì)給定采用的校正方式。這種校正方式的作用相當(dāng)于對(duì)給定值信號(hào)進(jìn)行整形或?yàn)V波后，再送入系統(tǒng)；另一種前饋值信號(hào)進(jìn)行整形或?yàn)V波后，再送入系統(tǒng)；另一種前饋校正裝置接在系統(tǒng)可測(cè)擾動(dòng)作用點(diǎn)與誤差測(cè)量點(diǎn)之間，校正裝置接在系統(tǒng)可測(cè)擾動(dòng)作用點(diǎn)與誤差測(cè)量點(diǎn)之間，對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行直接或間接測(cè)量，并經(jīng)變換后接入系對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行直接或間接測(cè)量，并經(jīng)變換后接入系統(tǒng)，形成一條附加的對(duì)擾動(dòng)影響進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐ǖ?。統(tǒng)，形成一條附加的對(duì)擾動(dòng)影響進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐ǖ?。前饋前饋校正校正?duì)對(duì)象象控控制制器器前饋校正前饋校正對(duì)象對(duì)象控制器控制器4G2(s)Gn(s)G1(s)G2(s)Gr(s)G1(s) 復(fù)合校

3、正方式是在反饋控制回路中，加入前饋校復(fù)合校正方式是在反饋控制回路中，加入前饋校正通路，組成一個(gè)有機(jī)整體，有按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控正通路，組成一個(gè)有機(jī)整體，有按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制形式和按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制形式。制形式和按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制形式。反饋矯正)()()(1)()()(),()()()()()()()()()(sRsHsGsGsCsBsEsBsRsEsHsCsBsEsGsC 得得消消去去中中間間變變量量G(s)R(s) C(s)H(s)B(s)E(s)R(s)C(s)()(1)(sGsHsG模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖6.2 模擬PID控制PID控制原理PID是一種線(xiàn)性控制器，它根據(jù)給定值ri

4、n(t)與實(shí)際輸出值yout(t)構(gòu)成控制方案：PID的控制規(guī)律為:( )( )( )inoute tr tyt011( )( )( )( )tpDde tu tke te t dtTTdtsTsTksEsUsGDp111)()()(PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T,T越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)

5、作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。PID控制原理 以二階線(xiàn)性傳遞函數(shù)為被控對(duì)象，進(jìn)行模擬PID控制。在信號(hào)發(fā)生器中選擇正弦信號(hào)，仿真時(shí)取Kp60，Ki1，Kd3，輸入指令為 其中，A1.0，f0.20Hz 被控對(duì)象模型選定為：( )sin(2)inrtAft連續(xù)系統(tǒng)的基本PID仿真2133( )25G sss連續(xù)系統(tǒng)PID的Simulink仿真程序連續(xù)系統(tǒng)的基本PID仿真連續(xù)系統(tǒng)的模擬PID控制正弦響應(yīng)連續(xù)系統(tǒng)的基本PID仿真PID校正的特點(diǎn)（1 1）對(duì)被控對(duì)象的模型要求低，在模型完全未知的情）對(duì)被控對(duì)象的模型要求低，在模型完全未知的情況下，也能進(jìn)行校正；況下，也能進(jìn)行校正；（2 2）校正方便，）校正方便

6、，P P、I I、D D作用相互獨(dú)立，最后以求和出作用相互獨(dú)立，最后以求和出現(xiàn)，可以任意改變其中的某一校正規(guī)律，提高了使用的現(xiàn)，可以任意改變其中的某一校正規(guī)律，提高了使用的靈活性；靈活性；（3 3）適應(yīng)范圍較廣，一般的校正裝置受原系統(tǒng)參數(shù)變）適應(yīng)范圍較廣，一般的校正裝置受原系統(tǒng)參數(shù)變化的影響較大，而化的影響較大，而PIDPID適應(yīng)范圍要廣的多，在一定的變適應(yīng)范圍要廣的多，在一定的變化區(qū)間內(nèi)，仍有很好的校正效果?；瘏^(qū)間內(nèi)，仍有很好的校正效果。常見(jiàn)PID控制方法連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字PID控制離散系統(tǒng)的數(shù)字PID控制增量式PID控制（步進(jìn)電機(jī)）積分分離PID控制抗積分飽和PID控制：進(jìn)入飽和區(qū)后，不進(jìn)行積

7、分項(xiàng)累加梯形積分PID控制變速積分PID分段PID模糊PID按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即：000(0,1,2,3)( )( )( )( )()(1)( )(1)kktjjtkT ke t dtTe jTe jde te kTekTe ke kdtTT6.3 離散PID控制可得離散表達(dá)式：式中，Ki=Kp/Ti,Kd=KpTd,T為采樣周期，K為采樣序號(hào)，k=1,2,e (k-1)和e (k)分別為第(k-1)和第k時(shí)刻所得的偏差信號(hào)。010( )( ( )( )( ( )(1)( )(1)( )( )

8、kDpjkpidjTTu kk e ke je ke kTTe ke kk e kke j TkT離散式PID控制系統(tǒng)根據(jù)位置式PID控制算法得到其程序框圖。在仿真過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)控制器的輸出進(jìn)行限幅：-10，10。試湊法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù) 通過(guò)模擬或閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)，然后根據(jù)各環(huán)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿(mǎn)意的響應(yīng)，從而確定PID參數(shù) Kp增大，系統(tǒng)響應(yīng)加快，靜差減小，但系統(tǒng)振蕩增強(qiáng)，穩(wěn)定性下降； Ti 增大，系統(tǒng)超調(diào)減小，振蕩減弱，但系統(tǒng)靜差的消除也隨之減 慢； Td 增大，調(diào)節(jié)時(shí)間減小，快速性增強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩減弱，穩(wěn)定性增強(qiáng)，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力

9、減弱001ddd/,/tPDIIpIDpDeuKee tTuTtKK T TKK TT6.4 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇 在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)分析控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行先比例，后積分，再微分的整定步驟，步驟如下： 整定比例部分 如果僅調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)的靜差還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，則需加入積分環(huán)節(jié) 若使用比例積分器，能消除靜差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程經(jīng)反復(fù)調(diào)整后仍達(dá)不到要求，這時(shí)可加入微分環(huán)節(jié) 常見(jiàn)被控量的PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)選擇范圍 階躍曲線(xiàn)法 整定數(shù)字控制器參數(shù)的步驟： 數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)，并處于手動(dòng)狀態(tài)，再手動(dòng)給對(duì)象輸入階躍信號(hào) 紀(jì)錄系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)曲線(xiàn) 根據(jù)曲線(xiàn)求得滯后時(shí)間

10、、被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T ，它們的比值T / ，并控制度(描述對(duì)象特征的主參：放大倍數(shù)K、滯后時(shí)間、時(shí)間常數(shù))控制度 控制度的定義：以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將數(shù)字PID的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較，采用誤差平方積分表示： 控制度的指標(biāo)含意：控制度=1.05，數(shù)字PID與模擬控制效果相當(dāng)；控制度=2.0，數(shù)字PID比模擬調(diào)節(jié)器的效果差2020ddetet數(shù)字模擬控制度 在響應(yīng)曲線(xiàn)拐點(diǎn)處（斜率最大）處作一切線(xiàn)，求滯后時(shí)間和被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T確定的連續(xù)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器類(lèi)型KpTiTdP調(diào)節(jié)器Tuo/ y /PI調(diào)節(jié)器0.8 Tuo/ y 3/PID調(diào)節(jié)器1.2 Tuo/ y 20.42 根據(jù)選定的

11、控制度，查表求得T、Kp、TI、TD的值/u0=1控制度控制度控制規(guī)律控制規(guī)律TKPTITD1.05PI0.1 0.84 T/ 0.34 -PID0.05 0.15 T/2.0 0.45 1.2PI0.2 0.78 T/3.6 -PID0.16 1.0 T/1.9 0.55 1.5PI0.5 0.68 T/3.9 -PID0.34 0.85 T/1.62 0.65 2.0PI0.8 0.57 T/4.2 -PID0.6 0.6 T/1.5 0.82 應(yīng)用事例多溫區(qū)電氣加熱爐控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型加熱爐: 近似為一級(jí)慣性環(huán)節(jié)+ 純滯后( )1sKcG seTs應(yīng)用事例階躍響應(yīng)曲線(xiàn)測(cè)試U Uo

12、o=0.3=0.3y y =50=50T T=1170=1170=70=70加熱爐模型y y =U =Uo oG(0) =KG(0) =Kc c=167=167T T=1170=1170=70=70連續(xù)PID參數(shù)K=0.12K=0.12Ti=140sTi=140sTd=29.4sTd=29.4s溫度/C50403020100 1000 2000 3000 4000應(yīng)用事例MatlabMatlab仿真仿真TransportDelay1671170s+1Transfer FcnScope1Scope1sIntegrator-K-Gain3-K-Gain21Gain1-K-Gaindu/dtDeri

13、vative70Constant應(yīng)用事例MatlabMatlab仿真仿真結(jié)果分析結(jié)果分析.K=0.12K=0.12Ti=140sTi=140sTd=29.4sTd=29.4s01002003004005006007008009001000020406080100120140t/stemperature/C6.5 汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)一一. .定義：在定義：在一定的車(chē)速范圍一定的車(chē)速范圍內(nèi)，能使汽車(chē)內(nèi)，能使汽車(chē)保持以設(shè)定速度行保持以設(shè)定速度行駛駛的的控制裝置控制裝置發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化判斷決策駕駛員控駕駛員控制車(chē)速制車(chē)速加速踩加速踏板減速松加速踏板改變節(jié)氣門(mén)開(kāi)度車(chē)速變化改變節(jié)氣門(mén)開(kāi)度節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器控制信號(hào)發(fā)

14、動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化車(chē)速變化設(shè)定期望車(chē)速巡航控制巡航控制車(chē)速車(chē)速電控單元ECU車(chē)速傳感器當(dāng)前車(chē)速反饋勻速二. 汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的分類(lèi)1. 定速巡航定速巡航減輕駕駛疲勞減輕駕駛疲勞車(chē)速穩(wěn)定，節(jié)省車(chē)速穩(wěn)定，節(jié)省燃油，降低排放燃油，降低排放主要功用主要功用腳好累?。∧_好累??！2.自適應(yīng)巡航自適應(yīng)巡航減輕駕駛疲勞減輕駕駛疲勞提高駕駛安全提高駕駛安全主要功用主要功用3. 走走-停巡航停巡航提高駕駛安全提高駕駛安全降低排隊(duì)時(shí)間，降低排隊(duì)時(shí)間，提高道路利用率提高道路利用率主要功用主要功用需要指出：自適應(yīng)巡航和走需要指出：自適應(yīng)巡航和走- -停巡航不僅要控制節(jié)氣門(mén)停巡航不僅要控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，還需要對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行控制開(kāi)

15、度，還需要對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行控制三. 汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的組成控制器節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤(pán)節(jié)氣門(mén)控制信號(hào)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)期 望車(chē)速實(shí) 際車(chē)速 汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)組成與原理圖汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)組成與原理圖巡航控巡航控制開(kāi)關(guān)制開(kāi)關(guān)車(chē)速傳感器車(chē)速傳感器 控制器控制器節(jié)氣門(mén)節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器執(zhí)行器四. 汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)控制器節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤(pán)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)期 望車(chē)速實(shí) 際車(chē)速( )( )( )(1)dxe tvtvtedvxv0( )( )( )(2)tPIu tK e tKe t dt車(chē)速偏差：車(chē)速偏差：節(jié)氣門(mén)控制信號(hào)：節(jié)氣門(mén)控制信號(hào)：KP：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)KI：消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度：消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度u 對(duì)偏差信號(hào)的