经典控制理论与汽车控制

1、第六章 经典控制理论与汽车控制 6.1 系统校正分类 6.2 模拟PID控制 6.3 数字PID控制 6.4 PID调节器参数选择 6.5 汽车巡航控制 （1）系统校正 在系统中增加一些元件和装置，以使系统达到所要求的性能指标 按照校正装置在系统中的连接方式，控制系统的校正方式有四种，即串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正. 串联校正：一般接在系统误差测量点之后和放大器之前，串联接于系统前向通道之中。 反馈校正：接在系统局部反馈通路中串联串联校正校正对对象象控制控制器器反馈校正反馈校正6.1系统校正分类3 前馈校正或顺馈校正，是在系统主反馈回路之外前馈校正或顺馈校正，是在系统主反馈回路之外采

2、用的校正方式。这种校正方式的作用相当于对给定采用的校正方式。这种校正方式的作用相当于对给定值信号进行整形或滤波后，再送入系统；另一种前馈值信号进行整形或滤波后，再送入系统；另一种前馈校正装置接在系统可测扰动作用点与误差测量点之间，校正装置接在系统可测扰动作用点与误差测量点之间，对扰动信号进行直接或间接测量，并经变换后接入系对扰动信号进行直接或间接测量，并经变换后接入系统，形成一条附加的对扰动影响进行补偿的通道。统，形成一条附加的对扰动影响进行补偿的通道。前馈前馈校正校正对对象象控控制制器器前馈校正前馈校正对象对象控制器控制器4G2(s)Gn(s)G1(s)G2(s)Gr(s)G1(s) 复合校

3、正方式是在反馈控制回路中，加入前馈校复合校正方式是在反馈控制回路中，加入前馈校正通路，组成一个有机整体，有按扰动补偿的复合控正通路，组成一个有机整体，有按扰动补偿的复合控制形式和按输入补偿的复合控制形式。制形式和按输入补偿的复合控制形式。反馈矫正)()()(1)()()(),()()()()()()()()()(sRsHsGsGsCsBsEsBsRsEsHsCsBsEsGsC 得得消消去去中中间间变变量量G(s)R(s) C(s)H(s)B(s)E(s)R(s)C(s)()(1)(sGsHsG模拟PID控制系统原理框图6.2 模拟PID控制PID控制原理PID是一种线性控制器，它根据给定值ri

4、n(t)与实际输出值yout(t)构成控制方案：PID的控制规律为:( )( )( )inoute tr tyt011( )( )( )( )tpDde tu tke te t dtTTdtsTsTksEsUsGDp111)()()(PID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

5、作速度，减少调节时间。PID控制原理 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Kp60，Ki1，Kd3，输入指令为 其中，A1.0，f0.20Hz 被控对象模型选定为：( )sin(2)inrtAft连续系统的基本PID仿真2133( )25G sss连续系统PID的Simulink仿真程序连续系统的基本PID仿真连续系统的模拟PID控制正弦响应连续系统的基本PID仿真PID校正的特点（1 1）对被控对象的模型要求低，在模型完全未知的情）对被控对象的模型要求低，在模型完全未知的情况下，也能进行校正；况下，也能进行校正；（2 2）校正方便，）校正方便

6、，P P、I I、D D作用相互独立，最后以求和出作用相互独立，最后以求和出现，可以任意改变其中的某一校正规律，提高了使用的现，可以任意改变其中的某一校正规律，提高了使用的灵活性；灵活性；（3 3）适应范围较广，一般的校正装置受原系统参数变）适应范围较广，一般的校正装置受原系统参数变化的影响较大，而化的影响较大，而PIDPID适应范围要广的多，在一定的变适应范围要广的多，在一定的变化区间内，仍有很好的校正效果。化区间内，仍有很好的校正效果。常见PID控制方法连续系统的数字PID控制离散系统的数字PID控制增量式PID控制（步进电机）积分分离PID控制抗积分饱和PID控制：进入饱和区后，不进行积

7、分项累加梯形积分PID控制变速积分PID分段PID模糊PID按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即：000(0,1,2,3)( )( )( )( )()(1)( )(1)kktjjtkT ke t dtTe jTe jde te kTekTe ke kdtTT6.3 离散PID控制可得离散表达式：式中，Ki=Kp/Ti,Kd=KpTd,T为采样周期，K为采样序号，k=1,2,e (k-1)和e (k)分别为第(k-1)和第k时刻所得的偏差信号。010( )( ( )( )( ( )(1)( )(1)( )( )

8、kDpjkpidjTTu kk e ke je ke kTTe ke kk e kke j TkT离散式PID控制系统根据位置式PID控制算法得到其程序框图。在仿真过程中，可根据实际情况，对控制器的输出进行限幅：-10，10。试凑法确定PID调节参数 通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线，然后根据各环节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID参数 Kp增大，系统响应加快，静差减小，但系统振荡增强，稳定性下降； Ti 增大，系统超调减小，振荡减弱，但系统静差的消除也随之减 慢； Td 增大，调节时间减小，快速性增强，系统振荡减弱，稳定性增强，但系统对扰动的抑制能力

9、减弱001ddd/,/tPDIIpIDpDeuKee tTuTtKK T TKK TT6.4 PID调节器参数选择 在凑试时，可参考以上参数分析控制过程的影响趋势，对参数进行先比例，后积分，再微分的整定步骤，步骤如下： 整定比例部分 如果仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到设计要求时，则需加入积分环节 若使用比例积分器，能消除静差，但动态过程经反复调整后仍达不到要求，这时可加入微分环节 常见被控量的PID参数经验选择范围 阶跃曲线法 整定数字控制器参数的步骤： 数字控制器不接入控制系统，系统开环，并处于手动状态，再手动给对象输入阶跃信号 纪录系统对阶跃信号的响应曲线 根据曲线求得滞后时间

10、、被控对象的时间常数T ，它们的比值T / ，并控制度(描述对象特征的主参：放大倍数K、滞后时间、时间常数)控制度 控制度的定义：以模拟调节器为基准，将数字PID的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较，采用误差平方积分表示： 控制度的指标含意：控制度=1.05，数字PID与模拟控制效果相当；控制度=2.0，数字PID比模拟调节器的效果差2020ddetet数字模拟控制度 在响应曲线拐点处（斜率最大）处作一切线，求滞后时间和被控对象的时间常数T确定的连续调节器调节器类型KpTiTdP调节器Tuo/ y /PI调节器0.8 Tuo/ y 3/PID调节器1.2 Tuo/ y 20.42 根据选定的

11、控制度，查表求得T、Kp、TI、TD的值/u0=1控制度控制度控制规律控制规律TKPTITD1.05PI0.1 0.84 T/ 0.34 -PID0.05 0.15 T/2.0 0.45 1.2PI0.2 0.78 T/3.6 -PID0.16 1.0 T/1.9 0.55 1.5PI0.5 0.68 T/3.9 -PID0.34 0.85 T/1.62 0.65 2.0PI0.8 0.57 T/4.2 -PID0.6 0.6 T/1.5 0.82 应用事例多温区电气加热炉控制系统控制系统数学模型加热炉: 近似为一级惯性环节+ 纯滞后( )1sKcG seTs应用事例阶跃响应曲线测试U Uo

12、o=0.3=0.3y y =50=50T T=1170=1170=70=70加热炉模型y y =U =Uo oG(0) =KG(0) =Kc c=167=167T T=1170=1170=70=70连续PID参数K=0.12K=0.12Ti=140sTi=140sTd=29.4sTd=29.4s温度/C50403020100 1000 2000 3000 4000应用事例MatlabMatlab仿真仿真TransportDelay1671170s+1Transfer FcnScope1Scope1sIntegrator-K-Gain3-K-Gain21Gain1-K-Gaindu/dtDeri

13、vative70Constant应用事例MatlabMatlab仿真仿真结果分析结果分析.K=0.12K=0.12Ti=140sTi=140sTd=29.4sTd=29.4s01002003004005006007008009001000020406080100120140t/stemperature/C6.5 汽车巡航控制系统一一. .定义：在定义：在一定的车速范围一定的车速范围内，能使汽车内，能使汽车保持以设定速度行保持以设定速度行驶驶的的控制装置控制装置发动机转速变化判断决策驾驶员控驾驶员控制车速制车速加速踩加速踏板减速松加速踏板改变节气门开度车速变化改变节气门开度节气门执行器控制信号发

14、动机转速变化车速变化设定期望车速巡航控制巡航控制车速车速电控单元ECU车速传感器当前车速反馈匀速二. 汽车巡航控制系统的分类1. 定速巡航定速巡航减轻驾驶疲劳减轻驾驶疲劳车速稳定，节省车速稳定，节省燃油，降低排放燃油，降低排放主要功用主要功用脚好累啊！脚好累啊！2.自适应巡航自适应巡航减轻驾驶疲劳减轻驾驶疲劳提高驾驶安全提高驾驶安全主要功用主要功用3. 走走-停巡航停巡航提高驾驶安全提高驾驶安全降低排队时间，降低排队时间，提高道路利用率提高道路利用率主要功用主要功用需要指出：自适应巡航和走需要指出：自适应巡航和走- -停巡航不仅要控制节气门停巡航不仅要控制节气门开度，还需要对制动压力进行控制开

15、度，还需要对制动压力进行控制三. 汽车巡航控制系统的组成控制器节气门执行器发动机及底盘节气门控制信号节气门开度调节期 望车速实 际车速 汽车巡航控制系统组成与原理图汽车巡航控制系统组成与原理图巡航控巡航控制开关制开关车速传感器车速传感器 控制器控制器节气门节气门执行器执行器四. 汽车巡航控制系统的控制器设计控制器节气门执行器发动机及底盘节气门开度调节期 望车速实 际车速( )( )( )(1)dxe tvtvtedvxv0( )( )( )(2)tPIu tK e tKe t dt车速偏差：车速偏差：节气门控制信号：节气门控制信号：KP：成比例地反映控制系统的偏差信号：成比例地反映控制系统的偏差信号KI：消除静差，提高系统的无差度：消除静差，提高系统的无差度u 对偏差信号的