[工学]第二章 智能车控制理论.pptVIP

第二章 智能车控制理论基础 一、系统动态特性 二、 PID控制 三、状态方程 四、采样控制 五、电子控制系统控制方式 一、系统的动态特性 1、传递函数 在经典的控制理论中，研究汽车控制系统的动态特性是以传递函数为基础的，控制系统的工作过程可以用微分方程来描述。一般控制系统（或元件）的输入参数（或称输入信号）和输出参数（或称输出信号）可用时间函数描述。 若设输入信号为r（t），输出信号为c（t），则系统（或元件）运动特性的微分方程一般形式为： 一、系统的动态特性 1、传递函数 控制系统（或元件）的运动特性也可以用传递函数来表达，对于线性定常系统（或元件）的传递函数定义是：在初始条件为零时，系统（或元件）输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。 对方程式（5－1）两边进行拉氏变换，在初始条件为零时，可得到， 一、系统的动态特性 2、系统的过渡过程特性 当系统受到外部干扰时，其输出量必将发生变化，但由于系统总含有惯性或储能元件，其输出量不可能立即变化到与外部干扰相应的值，而需要有一个过程，这个过程就是系统的过渡过程。 发动机的起动，由于有机械惯性，其转速不可能从零转速突变到怠速转速或某一稳定的转速，它需要有一个过程，也就是需要一定的时间，这段时间叫做过渡过程或动态过程。 汽车的控制系统也有动态过程，从一个稳定状态变化到另一个稳定状态的过程，可能是一个稳定的过程，但也可能是一个有振荡的过程，甚至可能是发散不稳定的。 一、系统的动态特性 2、系统的过渡过程特性 系统的输出量与目标值之差叫做稳定误差，也就是系统的稳态精度，它表示控制系统的稳态质量。系统过渡过程的品质是指其响应的快速性和振荡性。 二、比例、积分、微分控制(PID) 按偏差的比例（P）、积分（I）、微分(D)控制，简称PID控制，是动态过程控制中应用最广泛的一种控制规律。 式中KP ——比例系数； Ti ——积分时间常数； Td ——微分时间常数。 二、比例、积分、微分控制(PID) 对于一个 PID三作用调节器，在阶跃信号作用下，首先是比例和微分的作用，使其调节作用加强，随后再进行积分以最后消除误差。因此，采用PID调节器元论从稳态，还是从动态的角度来说，调节品质均有所改善。PID调节器的控制作用有3种形式：即比例作用、积分作用和微分作用。每种作用可以单独使用，也可以组合使用，但微分作用的形式一般很少单独使用。 二、比例、积分、微分控制(PID) 对于一个结构和控制规律已定的PID控制系统，控制质量的好坏主要取决于采样周期T与KP等参数的选择是否合理。一般来说，反应要快的控制回路要求选用较短的采样周期；而反应缓慢的回路，可以选用较长的采样周期。实际控制系统调试时，可以改变KP值，并同时观察控制效果直至满意时为止。 三、状态方程 科学技术的发展、要求控制高速度、高精度的动态系统与受控对象、控制系统更加复杂，要求控制理论能解决多输入、多输出、非线性以及时变系统的实际问题，于是就发展形成了现代控制理论。现代控制理论建立在状态概念的基础上，它不用传递函数，而用状态向量方程作基本工具，因此原则上可以分析多输入、多输出、非线性的时变系统。 三、状态方程 1、状态空间的概念 状态被定义为由X1，X2，X3 …，Xn 表示的最少数目的一组变量，如果它在t=t0时刻的值已确切知道，并且在t≥t0时刻的输入也已确知，那么这组变量就决定任何未来时刻t≥t0的状态。也就是说一个动态系统的状态变量能够确定该系统行为的最少数目的一组变量，用状态空间法分析系统时，系统可用状态变量描述的一阶微分方程组或差分方程组来表征。 2、状态方程式 表示状态变量与输入量之间关系的，含有状态变量一阶导数的方程，称为系统的状态方程式。由于状态变量可根据研究问题需要任意选择，故对于同一系统，状态方程式也不是唯一的。 三、状态方程 2、状态方程式 引入状态变量X的概念是状态变量模型的主要特征，状态变量是一组能说明系统内部状态的，并为研究者感兴趣的变量。在一般情况下，状态变量是时间t的函数，其变化规律可表达为状态方程 当控制系统函数F为线性时，状态方程式可写成 三、状态方程 2、状态方程式 用状态方程表示法研究的优点： 1）可用于研究多输入、多输出的复杂控制系统，无论输入、输出变量有多少个，它都不会显著增加状态方程的复杂性； 2）它可以根据需要求得任意时刻的各个状态变量值，从而求得动态系统的内部状态，而传递函数法却只能作输出变量的响应分析，局限于了解系统的外部状态。 三、状态方程 用状态方程表示法研究的优点： 3）对于信号的描述与响应分析，可不在频域内分析，而是直接在时域内分析研究系统的动态过程，并给出其响应结果，能建立起与实际工况一