汽车控制理论与技术第一章1

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1、汽车控制理论与技术,吕景亮：lvjing532 13796682149,2013.4.26,2,第一章 控制理论概述,3,本章的主要内容：,引言什么是控制系统 第一节 控制理论产生与发展 第二节 控制系统的基本概念 第三节 自动控制系统的分类 第四节 拉普拉斯变换及其应用,引言什么是控制系统,在家里，为了舒适地生活，我们需要控制室内的温度和湿度。 在交通领域，我们需要控制汽车精确而又安全地从一个地方到达另一个地方。 在工业上，制造过程中大量的生产产品需要满足产品质量和成本效益的要求。,要回答这个问题，我们可以联系日常生活中那 些需要实现某种“目标”的例子：,再比如一个人，可以完成许多种类的目标

2、，包括 作决定。其中有些目标比如捡起地上的物品 后再从一个地方走到另一个地方它的完成方 式是以一种程序化的方式来完成的。但有些目标 在人们要完成它时，不仅要考虑如何完成，还要 考虑如何更好地完成比如：,百米运动员在一百米短跑中，他考虑的是：,在尽可能短的时间内跑完这段距离,马位松选手在他的比赛中，他考虑的是：,在尽可能短的时间内跑完这段距离,在整个比赛过程中控制好能量的消耗并设计最佳 的比赛策略,综上所述：所谓的控制系统就是为完成某种“目标”而采用的一整套的完成方法和步骤。而这些方法和步骤通常又包含能够更好实现这些“目标”的最佳策略。 在工业领域，自动控制系统常常是指那些在没有人直接参与的情况

3、下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标的设备。,自动控制系统的重要性,近年来控制系统在现代文明和技术发展与进步上扮演了越来越重要的角色。我们日常活动的每一个方面几乎都受到了某种控制系统的影响。控制系统已经大量地应用到了工业的所有部门。如产品质量、自动装配线、机床控制、空间技术与武器系统、计算机控制、交通运输、动力系统、机器人、微机系统、纳米技术等。,如大型加工机床的精密控制,这是由数控机床群构成的生产线由自动控制保证产品的加工精度。其主轴为恒值控制(恒速)，刀架为随动系统(精确定位)。,加工中心往往含有车、铣、钻等多种功能，有刀

4、具库，能自动换刀等。各厂生产含有各种不同功能的加工中心。,带有机械手的点焊生产线(大批量铆焊加工生产线)要能精密定位及时间控制。机器人控制(自动控制),汽车车体焊接,喷漆,堆物,喷涂机器人,第一节：控制理论的产生与发展,第一阶段：经典控制理论,4050年代形成的SISO系统 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器(频域),经典控制理论诞生的标志,1868年麦克斯韦发表论调速器，总结了无静差调速器理论,1876年维什涅拉茨基发表的论调节器的一般理论，进一步总结了调节器的理论,劳思在1875年，赫尔维茨在1895年分别独立地建立直接根据代数方程的系数

5、判别系统稳定性的判据,1922年米诺尔斯基发表关于船舶自动操舵的稳定性,1934年奈奎斯特建立了根据频率响应判别系统稳定性的判据,1934年黑曾发表自动调节理论,1938年米哈依洛夫发表频率法,1945年伯德发表专著网络分析和反馈放大器设计,1947年詹姆斯等三人合著的第一本经典控制理论教材伺服机构理论出版,1948年维纳发表控制论，为控制论奠定了基础，同年香农发表通信的属性基础，为信息论奠定了基础,1954年钱学森发表工程控制论，全面总结了经典控制理论,经典控制理论成熟的标志,经典控制理论很快就面临新的挑战,工程实际和科学技术问题中大量出现多输入多输出的情况,被控的系统不少是非线性的或者是参

6、数时变的,控制目标也有许多不同的情况等等,第一节：控制理论的产生与发展,第二阶段：现代控制理论,现代控制理论： 6070年代形成 MIMO系统 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 基本方法：状态方程（时域）,学者们试图把经典控制控制理论推广到多变量系统的控制，都遭到了失败，需要寻求新的理论和方法，于是现代控制理论诞生了。,现代控制理论是通过对系统的状态变量描述来进行控制系统的分析和设计，基本的方法是时域方法。,现代控制理论,现代控制理论能处理的控制问题,单变量系统和多变量系统,线性系统和非线性系统,定常系统和时变系统,确定系统和非确定性系统,在空间技术等方面的推动下，关于现代

7、控制理论的研究获得了积极的推进，并取得了一批杰出的成果：,1956年，庞特里雅金创立了极大值原理，同年贝尔曼创立了动态规划，这两者为最优控制建立了理论基础,1959年卡尔曼提出了卡尔曼滤波,1960年卡尔曼提出了系统的可控性和可观测性,现代控制理论形成的标志,1960年在第一届全美联合自动控制会议上：,把系统与控制领域中研究单变量控制问题的学科称为经典控制理论,研究多变量控制问题的学科称为现代控制理论,使用经典控制理论和现代控制理论这样两个学科名称，是历史的原因形成的，标志着自动控制理论发展的两个不同阶段。,要避免一种误解，以为两者是没有内在联系的，甚至误以为经典控制理论是过时的，应予淘汰。,

8、实则两者存在着内在的联系；,而且，用经典控制理论的方法分析研究单输入单输出的线性定常系统，往往是简单明了的，迄今仍然十分有效。,经典控制理论与现代控制理论的划分,大系统理论和智能控制理论的出现，使控制理论发展到一个新阶段：,所谓大系统，是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统，它涉及生产过程、交通运输、生物控制、计划管理、环境保护、空间技术等多方面的控制和信息处理问题,智能控制系统是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的智能能机器人,大系统理论和智能控制理论,现代控制理论与经典控制理论的比较,现代控制理论的基本内容,1、线性系统理论 状态空间法 状态空间表达式的解 可控

9、性和可观测性 稳定性和李雅普诺夫方法 状态反馈和状态观测器,2、最优控制,按照控制对象的动态特性，选择一个容许控制，使控制对象按技术要求运动，同时使性能指标达到最优(极值)，这是最优控制。,理论和方法有：变分法、极小值原理和动态规划,实施最优控制：主要借助最优反馈控制,主要有两类：,使二次型性能指标取极小的控制,使时间为最短的控制,3、随机最优估计和控制,在具有随机信号、随机噪声和随机系统特性时，系统的最优估计和控制，包括：,最优估计问题(包括预测、滤波和平滑问题)，即求状态向量的最优估计,随机最优控制问题，主要是线性高斯二次型问题，它可分为两部分，一是用Kalman滤波技术求状态的估计值，另

10、一是按确定性二次型最优控制问题，由上述估计值求状态反馈最优控制规律。,鲁棒控制：控制系统在其特性或参数发生摄动时仍可使系统性能指标不变的属性称为鲁棒性。 模糊控制：采用由模糊数学语言描述的控制律(控制规则)来操纵系统工作的控制方式 智能控制：在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制 多变量频率方法：用多项式矩阵理论把状态空间法同经典频域方法结合起来，研究线性定常多变量控制系统的一套理论和设计方法 非线性控制,现代控制理论的进一步发展,第二节：控制系统的基本概念,一、系统的定义 由若干元件组成，完成某种给定任务的一种组合,系统：可以定义为处于自身相互关系中以及与环境的相互关系

11、中的要素集合，系统是由按一定的关系作用和制约的各个部分组成的具有一定功能的整体，由一定的边界将系统内部与系统外部(系统环境)区分开来。,自动调节系统：某系统在输入或干扰的作用下，能将输出量保持在希望的数值上。,自动控制 自动控制是在没有人的直接干预下，利用物 理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制， 使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规 律变化，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加 热炉温度的控制等等。 自动控制系统 自动控制系统是为实现某一控制目标所需要 的所有物理部件的有机组合体。,二、控制系统的分类,第二节：控制系统的基本概念,（一）、按控制系统的结构特点,开环控制系统和闭环控制系

12、统,开环控制系统(Openloop Control System) 若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。 闭环控制系统(Closedloop Control System) 若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(Feedback Control System,（1）开环控制,二、控制系统的分类,二、控制系统的分类,只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。 开环控制特点： 输入控制输出 输出不参与控制 系统没有抗干扰能力,（1）开环控制,例子：太阳能高效抽水机系统

13、,目标：利用太阳能,结果：抽水,中间环节：实现手段,上面例子中存在的问题,抽水过程只与太阳能转换来的电流大小有关，它不能反应水池的蓄水情况。因此，这个控制系统存在着水资源的浪费问题。 如何解决这个问题？,将输出端的信号返回输入端,二、控制系统的分类,（2）闭环控制,自动闭环控制,二、控制系统的分类,（2）闭环控制,给定量 闭环控制结构图 1-控制器 2-控制对象 3-检测装置, 反馈控制 把输出量的一部分检测出来,反馈到输入端,与 给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产 生控制作用,使输出量按照要求的规律变化 反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为 正反馈 反馈控制特点 输入控制输

14、出 输出参与控制 检测偏差纠正偏差 具有抗干扰能力,2).闭环控制系统的结构图 1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节； 5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置,3).闭环控制系统的基本环节 （1）控制对象或调节对象 要进行控制的设备或过程。 （2）执行机构 一般由传动装置和调节机构组成。执行 机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所 要求的数值。 （3）检测装置或传感器 该装置用来检测被控制量，并将其转换 为与给定量相同的物理量。,（4）给定环节 设定被控制量的给定值的装置。 （5）比较环节 将所检测的被控制量与给定量进行比 较，确定两者之间的偏差量。 （6）中间环节 一般

15、包括比较环节和校正环节。,二、控制系统的分类,第二节：控制系统的基本概念,（二）、按控制系统的输出变化规律,1）恒值系统 给定量是恒定不变的。 2）随动系统 给定量是按照一定的时间函数变化的。 3）程序控制系统 给定量按照事先未知的时间函数变化。,1）恒值控制系统（Fixed Set-Point Control System） 恒值系统的特点是：控制系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。 恒值控制系统是最常见的一类控制系统。,2）随动系统（Follow-Up Control System） 随动系统的特点是：输入量是变化着的(有时是随机的)，并且要求系统的输出量能跟随输入量的

16、变化而作出相应的变化。,在数控机床控制系统中,目前国内用得较多得两种系统:德国西门子数控系统(SINUMER1K 810D) 和日本FANUC数控系统 。,德国西门子数控系统(SINUMER1K 810D)： 主轴交流高速变频调速电机(恒值控制) 转速可达15000r/min(铣刀、齿轮) 刀架位置随动系统 交流伺服电动机(变频),日本FANUC数控系统流变频伺服系统(刀架精确定位),雷达天线跟踪系统，当被跟踪目标位置未知时属于这类系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。,3）过程控制系统（Process Control System） 生产过程通常是指把原料放在一定的外界条件下，经过物理或化学变化而制成产品的过程。在这些过程中，往往要求自动提供一定的外界条件，例如温度、压力、流量、液位、粘度、浓度等参量在一定的时间内保持恒值或按一定的程序变化。 在化工、轻工、食品等生产