經(jīng)典控制理論與汽車(chē)控制課件

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6.4PID調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇6.5汽車(chē)巡航控制第六章經(jīng)典控制理論與汽車(chē)控制6.1系統(tǒng)校正分類(lèi)

（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)校正對(duì)象控制器反饋校正6.1系統(tǒng)校正分類(lèi)（1）系統(tǒng)校正串聯(lián)對(duì)控制反饋校正6.1系統(tǒng)校正3

前饋校正或順饋校正，是在系統(tǒng)主反饋回路之外采用的校正方式。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?。前饋校正?duì)象控制器前饋校正對(duì)象控制器3前饋校正或順饋校正，是在系統(tǒng)主反饋回路之外采用的校4G2(s)Gn(s)G1(s)G2(s)Gr(s)G1(s)

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)合控制形式和按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制形式。4G2(s)Gn(s)G1(s)G2(s)Gr(s)G1(s反饋矯正G(s)R(s)

C(s)H(s)B(s)E(s)R(s)C(s)反饋矯正G(s)R(s)C(s)H(s)B(s)E(s)R模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖6.2模擬PID控制模擬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rin(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:PID控制原理PID是一種線(xiàn)性控制器，它根據(jù)給定值rin(tPID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)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

PID控制原理PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：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Kp＝60，Ki＝1，Kd＝3，輸入指令為其中，A＝1.0，f＝0.20Hz

被控對(duì)象模型選定為：連續(xù)系統(tǒng)的基本PID仿真以二階線(xiàn)性傳遞函數(shù)為被控對(duì)象，進(jìn)行連續(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)PID的Simulink仿真程序連續(xù)系統(tǒng)的基本PID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）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；（2）校正方便，P、I、D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，提高了使用的靈活性；（3）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PID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。PID校正的特點(diǎn)（1）對(duì)被控對(duì)象的模型要求低，在模型完全未知常見(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)行積分項(xiàng)累加梯形積分PID控制變速積分PID分段PID模糊PID常見(jiàn)PID控制方法連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字PID控制按模擬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：6.3離散PID控制按模擬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)?？傻秒x散表達(dá)式：離散式PID控制系統(tǒng)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]。經(jīng)典控制理論與汽車(chē)控制ppt課件試湊法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)

◆通過(guò)模擬或閉環(huán)運(yùn)行觀(guān)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)的抑制能力減弱6.4

PID調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇試湊法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)6.4PID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)

◆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)◆

常見(jiàn)被控量的PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)選擇范圍◆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：①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)②紀(jì)錄系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)曲線(xiàn)③根據(jù)曲線(xiàn)求得滯后時(shí)間τ

、被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)Tτ

，它們的比值Tτ/τ，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))階躍曲線(xiàn)法控制度

—

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τ和被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)Tτ經(jīng)典控制理論與汽車(chē)控制ppt課件

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Tτuo/τy

//PI調(diào)節(jié)器0.8Tτuo/τy

3τ/PID調(diào)節(jié)器1.2Tτuo/τy

2τ0.42τ

確定的連續(xù)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器類(lèi)型KpTiTdPTτuo/τy④根據(jù)選定的控制度，查表求得T、Kp、TI、TD的值/u0=1控制度控制規(guī)律TKPTITD1.05PI0.1τ0.84Tτ/τ0.34τ--PID0.05τ0.15Tτ/τ2.0τ0.45τ1.2PI0.2τ0.78Tτ/τ3.6τ--PID0.16τ1.0Tτ/τ1.9τ0.55τ1.5PI0.5τ0.68Tτ/τ3.9τ--PID0.34τ0.85Tτ/τ1.62τ0.65τ2.0PI0.8τ0.57Tτ/τ4.2τ--PID0.6τ0.6Tτ/τ1.5τ0.82τ④根據(jù)選定的控制度，查表求得T、Kp、TI、TD的值/u0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)模型應(yīng)用事例階躍響應(yīng)曲線(xiàn)測(cè)試Uo=0.3y

=50Tτ=1170τ=70加熱爐模型y

=UoG(0)==>Kc==167T=1170τ=70連續(xù)PID參數(shù)K=0.12Ti=140sTd=29.4s溫度/C504030201001000200030004000應(yīng)用事例階躍響應(yīng)曲線(xiàn)測(cè)試500應(yīng)用事例Matlab仿真應(yīng)用事例Matlab仿真應(yīng)用事例Matlab仿真結(jié)果分析\...K=0.12Ti=140sTd=29.4s應(yīng)用事例Matlab仿真6.5汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)一.定義：在一定的車(chē)速范圍內(nèi)，能使汽車(chē)保持以設(shè)定速度行駛的控制裝置發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化判斷決策駕駛員控制車(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)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化車(chē)速變化設(shè)定期望車(chē)速巡航控制車(chē)速電控單元ECU車(chē)速傳感器當(dāng)前車(chē)速反饋勻速6.5汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)一.定義：在一定的車(chē)速范圍內(nèi)，能使汽二.汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.定速巡航減輕駕駛疲勞車(chē)速穩(wěn)定，節(jié)省燃油，降低排放主要功用腳好累?。《?汽車(chē)巡航控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.定速巡航減輕駕駛疲勞主要功2.自適應(yīng)巡航減輕駕駛疲勞提高駕駛安全主要功用2.自適應(yīng)巡航減輕駕駛疲勞主要功用3.走-停巡航提高駕駛安全降低排隊(duì)時(shí)間，提高道路利用率主要功用需要指出：自適應(yīng)巡航和走-停巡航不僅要控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，還需要對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行控制3.走-停巡航提高駕駛安全主要功用需要指出：自適應(yīng)巡航和走三.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)組成與原理圖巡航控制開(kāi)關(guān)車(chē)速傳感器控制器節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器三.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)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)速車(chē)速偏差：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)KI：消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度對(duì)偏差信號(hào)的比例運(yùn)算(P)與積分運(yùn)算(I)求和，作為控制器