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1、,现代汽车电子设备控制,第一章 汽车电子设备自动控制系统的基本概念 第二章 汽车电子设备自动控制系统的数学模型 第三章汽车电子设备自动控制系统的时域分析 第四章 频率法分析 第五章 根轨迹法 第六章汽车电子设备控制系统的综合校正 第七章 非线性控制系统分析,第一章 汽车电子设备自动控制系统的基本概念第一节 自动控制的作用 第二节 自动控制理论的发展简介 第三节 自动控制与自动控制系统 第四节 开环控制与闭环控制 第五节 本课程的内容和特点 本章小节、重点,第01页,第02页,第一章 控制系统的基本概念在科学和工程技术的发展过程中，汽车电子设备自动控制技术起着重要的作用。除了在宇宙飞船、导弹发射
2、和飞机驾驶等系统中，自动控制技术具有特别重要的作用之外，它在现代机器制造和工业生产过程中也是不可缺少的重要组成部分。随着自动控制理论和技术的不断发展，给人们提供了获得动态系统最佳性能的方法，提高了产品质量，降低了生产成本，提高了劳动生产率，使人们从繁重的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。本章将对本课程的主要内容作一个简介，使读者对自动控制理论的内容有一个基本了解，以便更好地学习以后各章节。,第一节 汽车电子设备自动控制的作用 自动控制，是指在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设备、生产过程等）自动地按照预定的规律进行工作。 一、自动控制技术应用于军事、航天领域火炮、雷达、跟踪
3、系统；人造卫星；宇宙飞船。二、自动控制技术应用于工业生产过程轧钢过程；工业窑炉；车辆工程；石油化工；水泥建材；玻璃、造纸等。,第03页,第04页,第二节 自动控制理论发展简介 自动控制理论是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。根据自动控制技术的发展进程，自动控制理论可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。 一、经典控制理论的形成和基本内容古代两个典型的自动控制系统,第05页,最早的稳定性研究：J.C.Maxwell（麦克斯韦尔），1868年发表论调节器，研究调节器的微分方程，线性化处理，系统稳定性取决于微分方程的特征根是否都具有一对负的实部，针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具
4、有负实部时，特征多项式系列应满足的条件。系统稳定准则：由Hurwitz（霍尔维茨）和 E.J.Routh（劳斯）提出的劳斯-霍尔维茨稳定判据A.M.Lyapunov（李雅普诺夫）提出了李雅普诺夫第一法与第二法H.Nyquist（奈魁斯特）提出奈氏判据，Bode(波德）提出了对数频率特性的方法。二战期间，军事科学的需要大大促进了反馈控制理论的发展。美国麻省理工学院雷达实验室的科学家们将反馈放大器理论、 PID（比例-积分-微分）控制以及N.Wiener（维纳）的随机过程理论等结合在一起，形成了一整套被称为随动控制系统的设计方法。,第06页,根轨迹方法：W.R.Evans（伊万斯）提出的方法和规则
5、是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。目前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方法。50年代末期所讨论的内容主要有：系统数学模型的建立、时域分析祛、频率特性法、根轨迹法、系统综合与校正、非线性系统和采样控制系统分析法等，也被称为经典控制理论。 二、现代控制理论概述50年代末，美国的Bellman（贝尔曼）、 Kalman（卡尔曼）和前苏联的庞德里亚金等考虑用常微分方程作为控制系统的数学模型。由于数字计算机的发展使得十年前尚无法进行的计算问题成为可能，这时李雅普诺夫的工作被引人到控制理论中来，而由Wiener（维纳）等人在第二次世界大战期间关于最优控制的研究也被用来研究系统状态轨迹的优化
6、问题。这种方法在标准形式或状态形式的常微分方程的基础上直接引进并大量使用了计算机。这种方法通常称为“现代控制理论”，以区别于60年代以前的“经典控制理论”。,第07页,现代控制理论的重要标志：状态空间法被引入到控制理论中来Kalman提出了能控性与能观测性。表征系统结构特征的重要概念。 “内部研究”代替了传统的“外部研究”。并使分析与综合过程建立在严格的理论基础之上。主要分支学科：线性系统理论、最优控制理论、系统辨识与自适应控制、大系统理论和特大系统理论等。一些分支学科还渗透到相邻学科中去，如滤波技术、自学习理论与人工智能、建模理论与系统工程等。,第08页,第三节 自动控制与自动控制系统 一、
7、自动控制的概念1、手动控制,水箱水位的手动控制：观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。,第09页,2、自动控制,浮子：测量作用 连杆：比较作用 放大器、伺服电动机和减速器：调节作用 阀门：执行元件作用,自动控制是在人不直接参与的情况下，利用外加设备或装置（称为自动控制装置）使被控对象（如机器、设备、生产过程等）自动地按照预定的规律运行，使被控对象的一个或多个物理参数（如温度、流量成分等）能够自动地在一定的精度范围内，按照
8、给定的规律变化。,第10页,当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小,反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。水位自动控制的目的：使偏差消除或减小，使实际水位达到要求的水位值。,第11页,二、自动控制系统,为达到某一目的，由相互制约、相互联系的各个部件按照一定规律构成且具有独立功能的整体称为系统。自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按照一定方式连接起来，能完成一定自动控制任务的总体。自动控制系统的被控制量称为系统输出量影响系统输出量的外界输入称为系统的扰动输入量输入量分类：给定输入（
9、或称参考输入、希望值等）：指对系统输出量的要求值扰动输入：指对系统输出量有不利影响的输入量,第12页,系统方框图：,为了清楚地表示控制系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系，画出的控制系统元件作用图称为系统方框图。共有四种图例：,（1）装置用方框表示（2）信号用带箭号的线段表示（3）信号引出点（4）信号相加点（比较点）,第13页,（）自动控制系统的组成,由两大组成部分，即被控对象和自动控制装置（有时也称为控制器）自动控制装置又可分为下列几个部分：（1）测量元件（或测量装置）。用于测量被控量的实际值或对被控量进行物理量变换的装置。（2）比较元件（或比较器）。它将被控量的实际值（常取负号）与被控
10、量的要求值（常取正号）相比较，得到偏差的大小和符号。（3）调节元件。通常包括放大器和校正装置。它能将偏差信号放大，并使输出控制信号与偏差信号之间具有一定的数值运算关系（也称为调节规律或控制算法）。（4）执行元件。接受调节元件的输出控制信号，产生具体的控制效果，使被控制量产生预期的改变。,第14 页,（二）自动控制系统的工作原理,从图1-5可知 ，当被控量偏离给定值（通常是给定值变化或因扰动而引起）时，测量元件测得被控量的值，并经物理量变换后由比较元件将其与给定值比较得出偏差，调节元件根据偏差的大小进行调节和运算，将输出的控制信号送到执行器产生具体的控制作用。这一控制作用使被控量恢复或趋近于给定
11、值，从而消除或减少偏差。通过测量、比较得到偏差，由偏差信号产生控制作用，最终使偏差消除或减少的原理称为负反馈原理。 自动控制系统的主要特点是：,（1）从信号的传送来看，采用的是负反馈原理； （2）从控制作用的产生来看，是由偏差产生的；这种由偏差产生的控制作用称为偏差控制。具有上述两个特点的自动控制系统称为反馈控制系统、闭环控制系统或偏差控制系统。这一类系统的工作原理称为反馈控制原理。,第15 页,三、自动控制系统分类,从信号传送的结构特点可将控制系统可分为开环控制系统与闭环控制系统。按照其他分类原则还可分为：,（一）随动系统与自动调整系统随动系统又称为伺服系统。特点：给定值是预先未知的、随时间
12、任意变化，要求系统被控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。自动调整系统又称为恒值控制系统、定值调节系统或自动镇定系统。特点：系统输入量（即给定值）不变，但由于扰动使被控量偏离要求值，该系统能根据偏差产生控制作用，使被控量恢复到要求值，并以一定的准确度保持在要求值附近。,（二）线性系统和非线性系统线性系统是指组成系统的元器件的静态特性为直线，能用线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性。,第16页,本课程研究线性定常系统（或称为线性时不变系统、自治系统）,非线性系统是指组成系统的元器件中有一个以上具有非直线的静态特性的系统。非线性系统还可分为非线性时变系统与
13、非线性定常系统。 严格地说，实际上不存在线性系统，这是因为各种实际的物理系统总是具有不同程度的非线性，但只要非线性不严重，在一定范围内能用线性系统的理论和方法对待的系统都可视为线性系统。,（三）连续系统与离散系统连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统。离散系统，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。,第17页,（四）单输入-单输出系统与多输入-多输出系统,（五）确定系统与不确定系统若系统的结构和参数是确定的、预先可知的，系统的输入信号（包括给定输入和
14、扰动）也是确定的，则可用解析式或图表确切地表示，这种系统称为确定系统。系统本身的结构和参数不确定或作用于系统的输入信号不确定时，则称这种系统为不确定系统。,单输入-单输出系统的输入量和输出量各只有一个，也称为单变量系统。多输入-多输出系统的输入量和输出量个数多于一个，也称为多变量系统。,（六）集中参数系统和分布参数系统能用常微分方程描述的系统称为集中参数系统。不能用常微分方程而必须用偏微分方程描述的系统称为分布参数系统。本课程中涉及的内容主要是单变量、集中参数、线性、定常、连续系统，同时对非线性系统及线性离散系统也作必要的阐述。,第18页,第四节 开环控制和闭环控制,开环控制是一种最简单的控制
15、方式。特点：在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对输入量没有影响。输入量直接送入控制器，产生控制量作用于被控对象，从而改变被控制量。,实际应用的控制系统中，根据有无反馈作用，又可分为开环控制系统和闭环控制系统。一、开环控制与闭环控制的概念 （）开环控制与开环控制系统,第19页,直流电动机转速开环控制系统,给定电压ug经放大后产生电枢电压ua，当电动机励磁电压恒定时，改变ua可得到不同的转速n。n与ua具有一一对应的关系。例如当u=ua1时，n=n1；该系统的信号通路不闭合，所以是开环系统。当有扰动引起转速变化时，无法克服扰动造成的影响，因此ua与n之间的对应
16、关系是不准确的。要进行补偿就必须借助人工改变输入电压ua。,第20页,（二）闭环控制与闭环控制系统,图1-8 闭环控制系统方框图,凡是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，即输出量对控制作用具有直接影响的系统称为闭环控制系统。如图1-8所示。,将检测得到的输出量回送到系统输入端，并与输入量进行比较，构成信号的反馈。输入信号与反馈信号之差即为偏差信号，该偏差信号作用于控制器，使系统的输出量趋于给定的数值，这就是闭环控制，也称为反馈控制，其实质就是利用负反馈来减少或消除系统的偏差。,第21页,反馈控制是一种基本的控制规律，它具有自动修正被控制量偏离给定值的作用，因而可以抑制内部扰动及外部扰动的影响，从而达到自动控制的目的。本课程所指的自动控制系统即指反馈（闭环）控制系统，而实际中应用最多的是负反馈控制系统。,在直流电动机转速开环控制系统中引入测速发电机，构成一个直流电动机转速闭环控制系统，如图1-9所示。,第22页,（三）开环控制系统与闭环控制系统的比较,闭环控制过程：1、输出量高于给定值-检测出偏差-控制运算-执行-减少输出量-输出量趋于给定值；2、输出量低于给定值-检测出偏差-控制运算-执行 -增加输出量-输出量趋于给定值。,
