重庆大学的控制课件

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1、汽车控制理论与应用汽车控制理论与应用李以农 机械传动国家重点实验室 2004年11月Tel: 65106094 E-mail: 一、汽车控制系统的发展概况一、汽车控制系统的发展概况汽车的控制是由电子技术、计算机技术和控制理论的发展而带动起来的。电子控制技术能够切实提高汽车系统的性能，如车身控制系统、防抱死系统、巡航控制系统、四轮驱动系统、四轮转向系统、悬架系统、牵引力控制系统、动力控制系统等。汽车作为一种最为普及的交通工具，其结构从传统意义上来讲包括：发动机、底盘、车身等。其性能指标包括：燃油经济性、动力性、排放、制动性、操纵稳定性、平顺性、安全性、通过性等。控制理论已成为研究汽车和改进其使用

2、性能的主要工具和方法。汽车的控制是由电子技术、计算机技术和控制理论的发展而带动起来的。电子控制技术能够切实提高汽车系统的性能，如车身控制系统、防抱死系统、巡航控制系统、四轮驱动系统、四轮转向系统、悬架系统、牵引力控制系统、动力控制系统等。汽车作为一种最为普及的交通工具，其结构从传统意义上来讲包括：发动机、底盘、车身等。其性能指标包括：燃油经济性、动力性、排放、制动性、操纵稳定性、平顺性、安全性、通过性等。控制理论已成为研究汽车和改进其使用性能的主要工具和方法。绪绪绪绪论论论论? 汽车节油净化? 汽车安全方面? 汽车乘坐舒适性? 行驶姿态控制? 汽车工况信息2. 汽年电子控制的发展阶段汽年电子控

3、制的发展阶段第一阶段(1965-1970年)发展独立性的零部件，如发动机的电子点火元件和电压调节器等（晶体管及集成电路的应用）第二阶段（1975-1980年）发展一些独立系统、诸如发动机电子控制系统(单点喷射式电子控制燃油喷射装置)、防抱死制动系统、四轮转向系统等(微电脑的应用)第三阶段（1985-2000年）开发各种车辆整体的电子控制系统，进入汽车电子时代汽车电子设备有的已占汽车总成本的1/4以上。1. 控制技术在车辆具体应用有以下几方面控制技术在车辆具体应用有以下几方面3. 汽车电子控制的发展趁势汽车电子控制的发展趁势汽车电子控制已由单独控制发展到目前的综合控制。发动机动力传动装置控制车辆

4、运动控制车身控制点火控制发动机动力传动装置控制车辆运动控制车身控制点火控制IC自动变速器控制自动变速器控制 AT 动力传动装置燃油喷射量控制动力传动装置燃油喷射量控制 FICU四轮转向控制四轮转向控制4WS 电动助力转向控制电动助力转向控制EPS防抱死制动系统防抱死制动系统 ABS 电子制动力分配电子制动力分配EBD牵引控制牵引控制 TCS悬架转向制动车内噪声控制 、音响控制导航控制悬架转向制动车内噪声控制 、音响控制导航控制 CCS GPS舒适性装备安全装备安全气囊舒适性装备安全装备安全气囊 SRS悬架控制悬架控制4. 车辆控制系统的种类车辆控制系统的种类电子稳定性控制程序电子稳定性控制程序

5、ESP5. 车辆控制系统的特征车辆控制系统的特征1) 目的性? 改善乘坐舒适性? 车辆行驶时的姿态控制? 保证有高的操纵性和稳定性? 提高行驶能力极限? 自适应操纵系统2) 相关性3) 层次性车辆控制系统 的三个层次车辆控制系统 的三个层次单个装置控制 4) 随机性6.车辆控制系统的构成车辆控制系统的构成后两者在技术上可以得到解决，但作为控制系统的关键，即寻求一个能够为车辆提供良好性能的控制规律，这就需要控制理论与汽车动力学的结合，以计算机建模与仿真分析及实时控制试验为研究手段。包括三大组成部分：控制算法、传感器技术、执行机构控制算法 ECU 外部扰动 传感装置 能量输入 被控对象 动态模型

6、执行机关 输出偏差动作要求 控制系统的一般结构二、 控制理论发展的概况控制理论发展的概况控制理论的发展始于Watt发明蒸汽机以后的100年。1.20世纪20年代以频率特性方法为代表，形成经典控制理论经典控制理论，著名的控制科学家有：Nyquist（美籍瑞典人）, Bode（美）.经典控制理论以系统的传递函数为工具在频域范围内，研究系统的外部特性。经典控制理论以系统的传递函数为工具在频域范围内，研究系统的外部特性。2. 随着航空航天事业的发展, 20世纪5060年代形成以多变量控制，状态空间方法为特征的现代控制理论现代控制理论, 主要代表有: Kalman 的滤波器, Bellman 的 动态规

7、划和Lyapunov 的稳定性理论等.现代控制理论采用状态空间方法在时域范围内，研究多变量系统的内部与外部特性。现代控制理论采用状态空间方法在时域范围内，研究多变量系统的内部与外部特性。以上控制理论我们称之为传统控制理论。三、 传统控制理论的局限性三、 传统控制理论的局限性随着复杂系统的不断涌现，传统控制理论越来越多地显示它的 局限性。复杂系统其特征表现为：1. 控制对象的复杂性模型的不确定性、高度非线性、分布式的传感器和执行机构、多时间标度、复杂的信息模式。2. 环境的复杂性变化的不确定性难以辨识必须与被控对象集合起来作为一个整体来考虑。3. 控制任务或目标的复杂性控制目标和任务的多重性时变

8、性任务集合处理的复杂性。（3） 传统的控制系统输入信息模式单一通常处理较简单的物理量：电量（电压、电流、阻抗）； 机械量（位移、 速度、加速度）；复杂系统要考虑：视觉、听觉、触觉信号，包括图形、文字、语言、声 音等信息。为了克服传统控制理论的局限性，现代控制理论得到进一步的发展 并产生了模拟人类思维和活动的智能控制。（1）传统的控制理论建立在精确的数学模型基础上用微分或差分方程来描述。不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。丢失许多有用的信息传统控制理论的局限性（2）不能适应大的系统参数和结构的变化5） 自适应控制6） 鲁棒控制7） H控制8） 非线性控制四、现代控制理论发展的分支四、现代控制

9、理论发展的分支1） 智能控制2）模糊控制3）神经网络控制4）滑模控制1）智能控制）智能控制智能控制是控制理论发展的高级阶段，成为一个新兴的学科领域。主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。 智能控制的研究对象具备一下特点：1. 不确定性的模型；2. 高度的非线性；3. 复杂的任务要求。智能控制器被控对象性能辨识uz智能控制系统的一般结构低级智能：感知 环境、作出决策、 控制行为！ ？高级智能：理解和觉察能力，在 复杂和险恶环境环境中进行选择 的能力，力求生存和进步。智能就是人利用知识去解决实际问题的能力；智能控制的含义：智能控制的含义：智能控制即是利用有关知识去使被控对象或过程

10、按一定要求达到预定的目的。2） 模糊控制） 模糊控制模糊控制是一种新型的智能控制，它模仿人工活动中人脑的模糊概念和成功的控制策略，运用模糊数学，把人工控制策略用计算机实现。模糊控制不依赖系统的精确数学模型，因而对系统参数变化不敏感，且有很强的鲁棒性。另外，它的控制算法是基于若干条控制规则，算法非常简捷，特别适合于像汽车这一类动态系统。例子例子停车问题。控制学家的做法： 确定车上固定的参考点位置及方向，建立车的运动方程，设定控制约束u(t)（控制参数：前轮角速及车速）及执行约束（车位两旁的障碍）。此问题可以描述为：寻找一个控制u(t)，使其在满足各种约束条件下把初始状态转移到终态状态（空车位）中

11、去。司机的做法：首先让车向前运动，前轮先向右，后向左，然后让车向后运动，前轮仍先向右，后向左，经过若干步，车辆将横向移动一个所需的距离，最后向前开，使车正好停在两辆车的空隙中。倒立竹竿问题。4）滑模控制）滑模控制滑模变结构控制属于一类特殊的非线性控制系统。它根据系统当时的状态、偏差及其导数值，在不同的控制区城，以理想开关的方式切换控制量的大小和符号。使系统状态在切换线邻近区域来回运动，一直到系统状态的运动成了沿切换线的滑动。误差的动态特性用状态空间里的一个滑动表面来确定。S=03）神经网络控制神经网络控制神经网络系统是在现代神经科学研究结果的基础上提出来的，它虽反映了人 脑功能的若干基本特性，

12、但远不是自然神经网络的逼真描写，而只是一种简化、 抽象和模拟。 利用神经网络的控制系统是仿真人的神经网络，实现人工智能的一种途径。 它具有记忆过去的经验和识别环境变化的能力，并为了更好地适应环境，能够 按照一定的规律改变自己的结构或工作程序。人类进行思维活动的物质基础是脑及神经系统，它们又有大量神经元组成。 作为大脑基本信息处理单元的神经元，其种类很多，但基本结构相似，由细胞 体、树突、和轴突构成：神经元基本结构输入端输出端轴突与树突的结合部为突触。 它决定神经元之间的连接强度及性 质，一神经元与另一神经元之间的 信息传递就是通过突触来完成的。 众多的神经元广泛地连接在一起就 构成了神经网络。

13、自适应控制和自校正控制通过对系统某些重要参数的估计克服小的、变化较慢的参数不确定性和干扰。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保持不变的属性称为鲁棒性，使控制系统具有良好鲁棒性的控制就是鲁棒控制。鲁棒控制可在参数或频率响应处于允许集合内，保证被控系统的稳定。H控制是一种基于鲁棒控制的优化控制方法，它以传递函数的H范数作为设计指标。5）其他控制）其他控制第一章 系统理论基础知识第一章 系统理论基础知识第二章 现代控制理论基础第二章 现代控制理论基础第三章 最优控制第三章 最优控制第四章 控制理论在汽车控制系统中的应用第四章 控制理论在汽车控制系统中的应用第五章 汽车综合控制

14、第五章 汽车综合控制第六章 人一车一环境系统控制第六章 人一车一环境系统控制本课程的主要内容主要参考书主要参考书1.1.庄继德著，汽车电子控制系统工程，庄继德著，汽车电子控制系统工程，北京理工大学出版社北京理工大学出版社, 1998, 19982.2.现代控制理论现代控制理论3.3.(英) Dave Crolla, 喻凡著车辆动力学及其控制，(英) Dave Crolla, 喻凡著车辆动力学及其控制，人民交通出版社, 20044.何渝生编汽车控制理论基础及应用重庆大学出版社，1995 5.5.周云山, 钟勇主编汽车电子控制技术，周云山, 钟勇主编汽车电子控制技术，机械工业出版社机械工业出版社,

15、 2004, 20046.周云山,于秀敏编著 汽车电控系统理论与设计北京理工版, 1999.11第一章第一章第一章第一章 系统理论基础知识系统理论基础知识系统理论基础知识系统理论基础知识行为变量包括输入变量和输出变量。输入变量是环境施加于系统的，而输出变量是系统施加于环境的。1.1 变量和向量变量和向量1. 状态变量和行为变量1. 状态变量和行为变量状态变量: 状态变量: 是描述系统内部状态的一组变量，根据这组变量，能由系统现在的状态来决定系统下一时刻的状态。行为变量行为变量: 是描述系统外部行为的一组变量，根据这组变量可以确定系统的性能或行为。对汽车悬架系统，输入变量包括地面不平度的信号；输

16、出变量包括悬架位移和振动加速度。图图 1-1 系统和环境系统和环境行为变量与状态变量之量的关系决定于系统内部的结构，这一关系往往是比较复杂的。?,21uu输入变量输出变量状态变量?,21yy?,21xx2. 向量和向量空间向量和向量空间向量向量是有大小与方向的量。如：速度，力等标量是只有大小而无方向。如：温度，质量等向量的加法及它与标量的乘法都遵从明确的规则。图图1-2 向量的运算规则图向量的运算规则图1-3 平面向量平面向量系统的状态向量是一个 n 维向量。向量空间向量空间一种向量（如输入向量、输出向量或状态向量）活动的场所叫做向量空间。是向量的集合如果一个系统的输出量是随输入量而变化的，则称系统输出是系统输入的函数。从向量空间的角度来看，这种输出一输入的关系可以说成为：一个系统的作用设以S来代表）是把一个输入向量空间映射到（或变换到，或运算到）另一个向量空间（输出向量空间）。用简单的记号表示为YU:S例如一个动力系统（汽车发动机）的作用：汽油、柴油（化学能空