第二章 智能车控制理论

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五、电子控制系统的控制方式
3、自适应控制 “适应”是生物的基本特征之一。一切生物总是企图在不断变 化的环境条件下维持生理上的平衡，生物具有的这种能力称为 适应能力。 在控制系统中，当系统元件老化以及参数、环境变化时，都会 造成系统的动态特性发生变化。虽然大多数反馈控制系统参数 值的微小变化对系统的正常工作不会产生任何影响，但是，如 果系统参数值随着环境变化而发生较大的变化，系统就可能出 现在某一种环境条件下有满意的性能，在其它环境条件下就不 可能有满意的性能，甚至出现不稳定现象。 自适应控制系统就是随着环境条件或结构参数产生不可预计的 变化时，系统本身能够自行调整或修改系统的参数值，使系统 在任何环境条件下都保持有满意的性能的控制系统。换句话说， 自适应控制系统是一种“自身具有适应能力”的控制系统。
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四、采样控制
在实际的采样控制中，还有一个将脉冲信号恢复成连续信号 的过程，称这个过程为信号的复现，计算机输出的数字量又 要经过数／模（D/A）转换器变成模拟量，通过保持器将脉 冲序列转变成连续的模拟信号输出。
由于数字控制系统也需要采样，也可称之为采样控制系统。
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四、采样控制
采样定理指出，对于一个连续的单值的模拟波形信 号，若它的最高频率为ωmax，只有当采样频率 ≥2ωmax时，才能由采样信号x*(t) 唯一地决定出 原始信号x(t)，也就是说采样频率至少要等于信号 最大频率的两倍才行，才能使采样信号在经过一个 带宽刚好为±ωmax的低通滤波器之后，把在 ±ωmax之外的各个分频谱都滤掉，从而完好地恢 复原始的模拟信号。实际采样控制系统中，在保证 容许失真的条件下，采样频率ωs常取为2·5～ 3·5ωmax。
式中KP ——比例系数； Ti ——积分时间常数； Td ——微分时间常数。
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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。
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。
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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
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五、电子控制系统的控制方式
2、闭环控制 闭环控制系统的突出优点是精度较高。无论什么干扰，只要 被控制量的实际值偏离给定值，由于采用了反馈，对外界扰 动和系统内部参数变化引起的偏差，系统就会产生调节作用 来减少这一偏差，因此，可以采用精度不太高而成本比较低 的元件组成一个比较精确的控制系统。 闭环控制系统的缺点是由于闭环系统是以偏差消除偏差，即 系统要工作就必须有偏差存在，因此闭环系统不会有很高的 精度。同时，由于系统组成元件的惯性，传动链的间隙等因 素存在，如果配合不当就可能导致系统产生振荡（等幅振荡 或变幅振荡），从而使系统不能稳定工作。因此精度和稳定 性之间的矛盾始终是闭环控制系统存在的主要矛盾。
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四、采样控制
由于在采样系统中是用脉冲信号，所以不能利用拉氏变换的方 法建立各个元件的传递函数，通常要用Z变换的方法来研究采 样系统。若假定采样后输出的信号为X*(t)，把它看成是连续 信号X(t)和一串单位脉冲的乘积。
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五、电子控制系统的控制方式
电子控制系统是由传感器、信息处理器和执行器三部分组成。 传感器功用是采集各种信息。 信息处理器（即电子控制器ECU）的功用是分析处理传感器采 集得到的各种信号，并向受控装置（即执行器）发出控制指令。 执行器的功用是根据控制器的指令完成具体操作动作。
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五、电子控制系统的控制方式
2、闭环控制 在控制系统中，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有直接影响的系统，就称为闭环控制系统。 换句话说，反馈控制系统就是闭环控制系统。“闭环”的含意就 是应用反馈调节作用来减小系统的误差。
闭环速度控制 系统 a）系统原理图 b）系统方框图
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Байду номын сангаас
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。
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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。
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四、采样控制
量化的过程会造成信号失真，给系统带来干扰或噪 声，影响系统的精度和过程的平滑性。量化噪声的 大小取决于A/D转换装置所用最小的二进制单位称为 量化单位q的大小，为了减小由于量化噪声对于系统 精度与平滑性的不良影响，要求该量化单位足够小， 亦希望计算机的数码有足够的字长。
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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。
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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
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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：
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四、采样控制
在控制系统中只要有一个地方的信号是脉冲信号或数 字信号，就称该系统是离散系统或采样系统。其脉冲 信号或数字信号就称为离散信号或采样信号。 所谓采样是指将连续时间信号转变为脉冲或数字信号 的过程。 在系统中用采样开关对模拟信号进行采样，由此把连 续的模拟信号转变成一定时间间隔的脉冲序列，用模 ／数（A/D）转换器将该脉冲序列的幅值数字化，从而 得到离散的数字信号。
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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。
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开环速度控制系统 a）系统原理图 b）系统方框图
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五、电子控制系统的控制方式
1、开环控制 特点： 在任何开环控制系统中，既不需要对输出量进行测量，也不需要 将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。 对应于每一个输入量，相应的就有一种工作状态与之对应。因此， 开环控制系统的精度主要取决于系统的校准精度、工作过程中保 持校准值的程度以及系统组成元件性能参数的稳定程度。 在系统不存在内部扰动和外界扰动、元件性能参数又比较稳定的 条件下，开环控制系统是比较简单并可保证足够的控制精度的。 为了满足实际应用需要，开环控制系统必须精确校准，并在工作 过程中设法保持该校准值不发生变化。 缺点： 在系统存在扰动的情况下，当被控制的输出量偏离给定量时，开 环系统就没有纠正的能力了，即控制精度就会降低。
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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致的直观的 动态系统状态概念。 4）状态方程表示法实质上是把控制模型表示为一阶 方程组或向量矩阵的形式求解，这样的模型便于使 用计算机处理，易于实现计算机辅助设计、分析与 系统控制。在进行响应分析时可方便地通过改变输 入函数，得到各种输入函数作用下的系统状态变量 和输出变量的响应，从而得知系统动态过程全面的 情况。
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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。
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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，
G （s）就是线性定常系统（或元件）的传递函数的一般形式。
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五、电子控制系统的控制方式
在汽车电子控制系统中，虽然实现相同控制目标或达到相同控制 目的所设计的传感器和执行器并无实质性区别，但是电子控制器 ECU（Electronic Control Unit）的设计却千差万别，各汽车公司 都竭尽全力，各显神通。因为设计人员都清楚，在硬件条件大致 相同的下，谁能构想出更好的控制方法，设计出更好的控制程序， 谁就能在激烈地竞争中占有更多的市场份额。 1、开环控制 在控制系统中，如果输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出 量对系统的控制作用没有影响，该系统就称为开环控制系统。在 汽车电子控制系统中，燃油喷射式发动机的起动工况和加速工况 以及汽车前照灯光束的控制就采用了开环控制方式。
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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。
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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。
四、采样控制
采样信号X*(t)的变化范围 分成若干层，每一层都用 一个二进制数码表示。这 些数码可表示幅值最接近 它的采样信号，如图7－ 7b 7b所示，采样信号A1为 A 1．8V，则量化后值A’1为 1 8V A 2V，就用二进制数字量 010来表示。采样信号A2 为3．2V，则量化值A’2为 3V，用数字量011代表， 这样就把采样信号变成了 数字信号。采样信号x*(t) 量化后变成的数字信号如 图7－7c所示，这就是编 码过程。