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1、汽车系统动力学控制4PID控制的运用场合跟随控制：按目标值和实际值的偏差，通过调节 器计算出输出量，不断进行调整，直至消除偏 差。 例如：PID控制在电控机械自动变速器中用于起步时离 合器的控制、巡航控制等。发动机转速/力矩 的控制。自动空调温度控制。PID控制的优点：简单性（直观） 鲁棒性 灵活性PID控制的本质 是一个二阶线性控制器汽车起步时离合器的接合过程离合器接合过程图 离合器是电控机械自动变速器中十分关键的一个工作部 件，其工作质量直接影响到换挡的平顺和车辆起步性能 的好坏，同时也直接影响到车辆的使用寿命。离合器的 起步控制是实现自动操纵的难点。汽车起步控制的指标为使汽车顺利起步，完
2、成驾驶员的驾驶意图并尽量减少冲击 度和滑磨功，需要建立如下调节原则： (1) 调节发动机转速，使汽车的冲击和滑磨尽可能小，同时 避免发动机熄火； (2) 调节节气门开度，保证发动机具有足够的输出转矩； (3) 调节离合器接合速度和节气门开度，防止发动机熄火或 失速； (4) 调节离合器接合过程，避免滑磨时间过长； (5) 依据驾驶员的判断，适时调整离合器接合过程。发动机转速控制试验未采用转速控制系统采用PID转速控制系统发动机阶跃响应曲线PID控制简介lPID( Proportional Integral Derivative)控制是最 早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、 鲁棒性好和可
3、靠性高，被广泛应用于工业过程控 制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控 制系统。l从信号变换的角度而言，超前校正、滞后校正、 滞后超前校正可以总结为比例、积分、微分三 种运算及其组合。PID控制原理l模拟PID控制系统原理框图PID控制原理lPID是一种线性控制器，它根据给定值rin(t)与实际 输出值yout(t)构成控制方案：lPID的控制规律为:PID控制原理lPID控制器各校正环节的作用如下：比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)， 偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏 差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数T,T越
4、大，积分 作用越弱，反之则越强。微分环节：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信 号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正 信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。以二阶线性传递函数为被控对象，进行模拟PID 控制。在信号发生器中选择正弦信号，仿真时取Kp 60，Ki1，Kd3，输入指令为其中，A1.0，f0.20Hz被控对象模型选定为：连续系统的基本PID仿真l连续系统PID的Simulink仿真程序1.2 连续系统的基本PID仿真l连续系统的模拟PID控制正弦响应1.2 连续系统的基本PID仿真比例控制规律具有比例控制规律的控制器称为比例(P)控制器,其传递函数为 :这表明,P控制
5、器的输入信号成比例地反映输出信号 。 优点: 它的作用是调整系统的开环比例系数，提高系统的 稳态精度，减低系统的惰性，加快响应速度。 缺点:仅用P控制器,过大的开环比例系数不仅会使 系统的超调量增大,而且会使系统稳定裕度变小,甚 至不稳定。比例控制规律系统的闭环传递函数：带有P控制器的反馈控制系统 :积分控制规律具有积分控制规律的控制器称为积分(I)控制器,其传 递函数为:在控制系统中,采用积分控制器可以提高系 统的型别,消除或减小稳态误差,使系统的稳 态性能得到改善。输出信号和输入信号的关系：积分控制规律优点：积分控制器的输出是反映的输入信号的积 累，因此可以用来消除稳态误差。带控制器的系统
6、输入输出示意图积分控制规律缺点：积分控制器的加入会影响系统的稳 定性，使系统的稳定裕度减小。带有I控制器的反馈控制系统: PI控制规律PI控制的传递函数：PI控制器不但保持了积分控制器消除稳态误差的“ 记忆功能”，而且克服了单独使用积分控制消除误 差时反应不灵敏的缺点输出信号和输入信号的关系：PI控制规律三种控制作用的对比曲线PD控制规律PD控制的传递函数： 输出信号和输入信号的关系： PD控制只在动态过程中才起作用，对恒定稳态情 况起阻断作用。因此，微分控制在任何情况下都 不能单独使用。PD控制规律l微分控制使得系 统的响应速度变 快，超调减小， 振荡减轻。这就 是微分系统对动 态过程的“预
7、测” 作用三种控制作用的对比曲线PID控制规律PID控制的传递函数：输出信号和输入信号的关系：PID控制规律l在低频段，主要是PI控制规 律起作用，提高系统型别， 消除或减少稳态误差；在中 高频段主要是PD规律起作 用，增大截止频率和相角裕 度，提高响应速度。因此， 控制器可以全面地提高系统 的控制性能。PID控制器的频率特性PID控制的发展l原因：在实际工业生产过程往往具有非线性 、时变不确定，难以建立精确的数学模型，常 规的PID控制器不能达到理想的控制效果；l原因：在实际生产现场中，由于受到参数整 定方法烦杂的困扰，常规PID控制器参数往往 整定不良、效果欠佳，对运行工况的适应能力 很差
8、Active roll control (ARC)l当汽车进行弯道行驶时，离心力会对汽车车身 产生一个侧倾力矩。这个侧倾力矩一方面引起 车身侧倾，另一方面使车轮的载质量发生由内 轮向外轮的转移。l对被动横向稳定杆的汽车来说，车轮的载质量 在前后轴上转移的分配比例是由前后轴的侧倾 刚度决定的。而主动横向稳定杆则可以根据具 体情况对每个横向稳定杆施加一个可连续变化 的初始侧倾角或者初始侧倾力矩。旋转马达式主动横向稳定器 l将被动侧倾稳定杆从 中间分开，通过一个 旋转马达把稳定杆的 左右两部分连接起来 。旋转马达能让左右 两部分进行相对转动 ，旋转马达的转矩可 以调节。 差动液压缸式主动横向稳定器
9、l被动稳定杆其中一端 安装一个差动液压缸 机构。差动液压缸机 构一端与稳定杆连接 ，另一端与同车轮的 横向摆臂连接。差动 液压缸机构两端的距 离是可以调节的。 ARC的工作原理l主动地让稳定杆的左右两端作垂直方向的相对位移， 来平衡车身的侧倾力矩，使车身的侧倾角接近零。这 样减小了车身侧倾运动，提高了舒适性。由于汽车前 后两个主动稳定杆可调节车身的侧倾力矩的分配比例 ，从而可调节汽车的动力特性，提高了汽车安全性和 机动性。l 新型的宝马BMW7系列轿车装有液压旋转马达式的 ARC系统。其执行机构由电动液压泵、电磁调控阀体 和液压旋转马达等组成。液压旋转马达的调节和控制 主要基于汽车的行驶速度、
10、汽车的横向加速度、转向 盘转角和横摆角速度等。 主动式稳定杆在前桥稳定杆的双向马达上有 2 个减压阀减压阀的功能l车辆在坏路上行驶时，稳定杆的移动会在双向马达短 时产生真空（气蚀），从而形成啪嗒作响的噪音。l为防止产生这种噪音，前部双向马达上安装了减压阀 。 减压阀通过连接在其上的气动管路将过滤后的空气 输送到双向马达内。 这样即可防止形成气蚀。l微量的空气由液压油（Pentosin）接收并形成乳状液 ，再次对双向马达进行控制时会将乳状液排出。 空气 在补偿罐内分离。双向马达的工作原理系统功能l转向时车辆上会产生一个横向加速度 aq，它作用在车 身的重心 SP 上。 车身绕侧滚轴线侧倾，此轴线
11、由前 桥和后桥运动学预先确定。 这样就会调整侧倾角（ 最大5）。 轮罩处的高度变化最大为 10 cm。lAs seen when dealing with two-wheeled vehicles, the roll angle islThe roll angle needed to compensate for the lateral acceleration may belarge. For instance, at an acceleration of 0.2 g the angle is 11 while if the accelerationis 0.5 g the angle is
12、 27.The equation of motion of a passive vehicle islJx is the moment of inertia about the roll axis of the sprung mass alone.lIf two active anti-roll bars exerting a torque Mai (i = 1, 2) are added and if a generic moment Me is included into the model, the equation of motion becomeslIf the actuator i
13、s controlled by an ideal proportional-derivative (PD) system that uses the roll angle as error, the moments arelThe system behaves as a passive system, with stiffness and damping increased by the gainslAssuming that the roll angle is small, the steady state roll angle in a bend islTo compensate for
14、the steady state roll it is possible to use a proportional-integrative- derivative (PID) controllBy introducing the auxiliary states v and i, respectively the derivative and the integral of , the state-space model of the system islThe data entering the simplified roll model are Jx = 388.8 kg m2, ms
15、= 1,080 kg, 1 = 11.25 kNm/rad, 2 = 9.5 kNm/rad, 1 = 955 Nms/rad, 2 = 716 Nms/rad, hG = 0.5 m. lCompute the time history of the roll angle and of the load shift of the vehicle without active systems after a step steering input to insert it on a curve with a radius of 200 m at a speed of 100km/h = 27.
16、7 m/s.lRepeat the computation for a vehicle with an active anti-roll bar at the rear axle, with a PD controller with kpi = 10 kNm/rad, kdi = 3 kNms/rad.l对于线性定常系统l 是y(t)要跟踪的常值向量。设计最优 控制，使如下的性能指标为极小。l引入偏差量及控制输入的变化量l引入新的增广状态变量l增广的状态方程可以表示为：l性能指标转换为：l从而解增广的Riccati方程，得最优控制为：1.3 数字PID控制l1.3.1 位置式PID控制算法l1.3.2 连续系统的数字PID控制仿真l1.3.3 离散系统的数字PID控制仿真l1.3.4 增量式PID
