经典控制理论与汽车控制
汽车控制理论与应用课件
EPS
4WS
悬架
悬架控制 安全气囊 SRS 导航控制 CCS GPS 电子稳定性控制程序ESP
安全装备 车身控制 舒适性装备
车内噪声控制 、音响控制
5. 车辆控制系统的特征 1) 目的性 改善乘坐舒适性 车辆行驶时的姿态控制 保证有高的操纵性和稳定性 提高行驶能力极限 自适应操纵系统 2) 相关性 3) 层次性
IA = AI = A
"
（3）零矩阵 所有元索都是零的矩阵，任意矩阵与零矩阵的乘积仍为零矩阵。
2. 线性变换 设 和 是两组变量，则
叫做由 矩阵P=
到 叫做线性变换的矩阵
。
的一个线性变换。
线性变换的矩阵形式为 X=PY， 式中
1.3 线性微分方程和拉普拉斯变换
1. 线性常微分方程模型
由最简单的物理规律导出的系统模型是线性常微分方程模型。
3. 控制任务或目标的复杂性
控制目标和任务的多重性 时变性 任务集合处理的复杂性。
传统控制理论的局限性
（1）传统的控制理论建立在精确的数学模型基础上——用微分或差分方程来描述。 不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。 丢失许多有用的信息 （2）不能适应大的系统参数和结构的变化 （3） 传统的控制系统输入信息模式单一 通常处理较简单的物理量：电量（电压、电流、阻抗）； 机械量（位移、 速度、加速度）； 复杂系统要考虑：视觉、听觉、触觉信号，包括图形、文字、语言、声 音等信息。
！ ？
低级智能：感知 环境、作出决策、 控制行为
高级智能：理解和觉察能力，在 复杂和险恶环境环境中进行选择 的能力，力求生存和进步。
智能控制是控制理论发展的高级阶段，成为一个新兴的学科领域。主要用来解决那些用 传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。 智能控制的研究对象具备一下特点： 1. 不确定性的模型； 2. 高度的非线性； 3. 复杂的任务要求。 智能控制的含义： 智能控制即是利用有关知识去使被控 对象或过程按一定要求达到预定的目的。 u z
1.2 经典控制理论
二战期间（ 1938-1945 年）奈奎斯特（ H.Nyquist ）提出了频率响应理论 1948 年，伊万斯（ W.R.Evans ）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的 第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理 论。
经典控制理论的基本特征
（ 1 ）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程 描述的系统的分析与综合； （2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； （ 3 ）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态， 是一种对系统的外部描述方法。 基本方法：根轨迹法，频率法，PID调节器 （频域）
经典控制理论
控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用 于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自 动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装 备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。
1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据 。
反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统 对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统 的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统 稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发 了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制 理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴 随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。
自动控制原理简答
自动控制原理简答1、简要论述自动控制理论的分类及其研究基础、研究的方法。
自动控制理论分为“经典控制理论”和“现代控制理论”。
“经典控制理论”以递函数为基础，以时域法、根轨迹法、频域法为基本方法，“现代控制理论”以状态空间法为基础，以频率法和根轨迹法为基本方法。
2、在经典控制理论中用来分析系统性能的常用工程方法有那些？分析内容有那些？常用的工程方法：时域分析法、根轨迹法、频率特性法；分析内容：瞬态性能、稳态性能、稳定性。
3、相比较经典控制理论，在现代控制理论中出现了哪些新的概念？系统的运动分析，能控性，能观性，极点配置，观测器设计，跟踪器等。
4、人闭上眼见很难达到预定的目的试从控制系统的角度进行分析。
人闭上眼睛相当于系统断开反馈，没有反馈就不知道偏差有多大，并给予及时修正。
所以人闭上眼睛很难到达预定目标。
5、试分析汽车行驶原理首先，人要用眼睛连续目测预定的行车路线，并将信息输入大脑（给定值），然后与实际测量的行车路线相比较，获得行驶偏差。
通过手来操作方向盘，调节汽车，使其按照预定行车路线行驶。
6、对飞机与轮船运行原理加以分析飞机和轮船在行驶时，都会发射无线电信号来进行定位，无线电信号通过雷达反射到计算机中央处理器中。
进行对比得出误差，再将误差发射，进入雷达反射到飞机和轮船的接收器中，计算机收到信号后可还原为数据，进而可知偏差而及时修正，这是时刻都进行的。
所以飞机，轮船都能保持预定航向行驶。
7、从元件的功能分类，控制元件主要包括哪些类型的元件？控制元件主要包括放大元件、执行元件、测量元件、补偿元件。
8、线性定常系统的传递函数定义传递函数：传递函数是指在零初始条件下，系统输出量的拉式变换与系统输入量的拉式变换之比。
9、常见的建立数学模型的方法有哪几种？各有什么特点？有以下三种：（1机理分析法：机理明确，应用面广，但需要对象特性清晰（2实验测试法：不需要对象特性清晰，只要有输入输出数据即可，但适用面受限（3以上两种方法的结合:通常是机理分析确定结构，实验测试法确定参数，发挥了各自的优点，克服了相应的缺点10、自动控制系统的数学模型有哪些自动控制系统的数学模型有微分方程、传递函数、频率特性、结构图。
1.6自动控制理论的发展
卡尔曼
卡尔曼全名Rudolf Emil Kalman，匈牙 利数学家，1930年出生于匈牙利首都布达佩 斯。1953、1954年于麻省理工学院分别获得 电机工程学士及硕士学位。 1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。 1958年，卡尔曼采用 状态空间法分析系统，提出能控性、能观性。在现代控制理论中 的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》（线 性滤波与预测问题的新方法）。
1.6自动控制理论的发展 1.6自动控制理论的发展
控制理论作为一门科学技术， 控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于 我们社会生活的方方面面。 我们社会生活的方方面面。
洗衣机智能控制
电冰箱温度控制
12:29
控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段： 控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：
三关节欠驱动体操机器人
12:29
指南车
指南车是我国古代伟大的发明之一，也 是世界上最早的控制论机械之一。用英国著 名科学史专家李约瑟的话说，中国古代的指 南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器 的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。
附录
指南车的车箱里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独 辕车。它的中央有一个大平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮 两旁，装着很多小齿轮。如果车子向左转，右边的车轮就会带动 小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平轮相反地向右转。如果车 子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此，只要指南车开动以 前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向左转还是向 右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的原理 造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车 中差动齿轮的逆向使用原理。
经典控制理论与现代控制理论的异同
浅析经典控制理论与现代控制理论的异同摘要：主要通过研究与分析经典控制理论与现代控制理论的研究对象和数学建模，了解两种控制理论的异同，有助于选择合适的理论分析与设计系统。
关键词：经典控制理论现代控制理论异同引言随着科学技术的发展，控制理论在人们实践中得到广泛的运用和发展。
其中经典控制理论和现代控制理论作为控制论的两个重要的部分，彼此存在区别与联系。
笔者在这里主要通过分析研究两种理论在研究对象和数学建模等方面介绍它们之间的异同。
1 自动控制理论简介1.1自动控制理论的定义与应用n·维纳曾定义：控制论是“关于动物和机器中的控制和通信的科学”。
也就是说，自动控制就是采用控制装置使被控对象自动地按照给定规律运行，使被控对象的一个或数个物理量能够在一定的精度范围内按照指定的规律变化。
其中控制对象有电压、电流、位置、速度、流量、浓度、成分等。
自动控制系统可以分为调节系统和伺服系统两类。
调节系统要求被控对象状态保持不变，输入一般不做频繁调节；而伺服系统则要求被控对象的状态能自动、连续、精确地随输入信号变化而变化，即随便系统。
自动控制理论广泛应用在生产，可以提高生产率，改善加工工艺，改善产品质量，节约成本。
控制理论也可用于国防建设，促进国防现代化，提高部队战斗力。
自动控制理论在发展空间技术，探索新能源等方面也至关重要。
1.2 自动控制理论的发展任何一种理论的的形成都离不开实践。
早在古代，劳动人民就凭借生产实践积累的经验和对反馈的直接认识，发明了很多闪烁着控制理论的智慧火花的杰作。
例如，北宋水运仪象台就是一个闭环非线性控制系统；1765年，俄国人普洱佐诺夫发明的蒸汽锅炉水位调节器等。
直到1788年，瓦特（j·watt）通过在他发明的蒸汽机上使用离心调速器解决蒸汽机调速问题后，人们才开始重视控制技术，并开始探索改善调速器准确度的方法；1868年，物理学家麦克斯韦（maxwell）从描述系统的微分方程的解中有无增长指数函数项来判断稳定性；随后，劳斯（routh）和赫尔维茨（hurwitz）分别独自建立了通过代数方程系数判别系统稳定性的劳斯判据和赫尔维茨判据；1932年，物理学家奈奎斯特（nyquist）通过频域的角度判断系统稳定性，奠定了频域法的基础；随后伯德（bode）和尼克尔斯（nichols）进一步发展了频域法，形成了经典控制理论的分析法；美国科学家伊万斯（evans）创立的根轨迹法被广泛应用到系统的分析与设计。
经典控制理论和现代控制理论的区别和联系
1.典范统造表里战新颖统造表里的辨别战通联之阳早格格创做辨别：（1）钻研对付象圆里：典范统造系统普遍限造于单输进单输出，线性定常系统.庄重的道，理念的线性系统正在本质中本去没有存留.本质的物理系统，由于组成系统的非线性元件的存留，不妨道皆利害线性系统.然而是，正在系统非线性没有宽沉的情况时，某些条件下不妨近似成线性.所以，本质中很多的系统皆能用典范统造系统去钻研.所以，典范统造表里正在系统的分解钻研中收挥着巨大的效率.新颖统造表里相对付于典范统造表里，应用的范畴更广.新颖统造表里没有然而适用于单输进单输出系统，还不妨钻研多输进多输出系统；没有然而不妨分解线性系统，还不妨分解非线性系统；没有然而不妨分解定常系统，还不妨分解时变系统.（2）数教修模圆里：微分圆程（适用于连绝系统）战好分圆程（适用于失集系统）是形貌战分解统造系统的基础要收.然而，供解下阶战搀纯的微分战好分圆程较为烦琐，以至易以供出简直的系统表白式.所以，通过其余的数教模型去形貌系统.典范统造表里是频域的要收，主要以根轨迹法战频域分解法为主要的分解、安排工具.果此，典范统造表里是以传播函数（整初初状态下，输出与输进Laplace变更之比）为数教模型.传播函数适用于单输进单输出线性定常系统，能便当的处理那一类系统频次法或者瞬态赞同的分解战安排.然而对付于多旗号、非线性战时变系统，传播函数那种数教模型便无计可施了.传播函数只可反应系统的中部个性，即输进与输出的闭系，而没有克没有及反应系统里里的动向变更个性.新颖统造表里则主要状态空间为形貌系统的模型.状态空间模型是用一阶微分圆程组去形貌系统的要收，不妨反应出系统里里的独力变量的变更闭系，是对付系统的一种真足形貌.状态空间形貌法没有然而不妨形貌单输进单输出线性定常系统，还不妨形貌多输进多输出的非线性时变系统.其余状态空间分解法还不妨用预计机分解系统.（3）应用范畴圆里：由于典范统造表里死长的比较早，相对付而止表里比较老练，而且死爆收计中很多历程皆可近似瞅为线性定常系统，所以典范统造表里应用的比较广大.新颖统造表里是正在典范统造表里前提上死长而去的，对付于钻研搀纯系统较为便当.而且新颖统造表里不妨借帮预计机分解战安排系统，所以有其特殊的劣良性.通联：（1）虽然新颖统造表里的适用范畴更多，然而本去没有克没有及定性的道新颖统造表里更劣于典范统造表里.咱们要根据简直钻研对付象，采用符合的表里举止分解，那样才搞是分解的更烦琐，处事量较小（2）二种统造表里正在工业死产、环境呵护、航空航天等范畴收挥着巨大的效率.（3）二种表里有其各自的个性，所以正在对付系统举止分解与安排时，要根据系统的个性采用战是的表里.（4）所以死识二种表里，简直的问题简直分解，采用符合的表里钻研分歧的系统.随着社会的死长，二种表里对付科技的先进收挥着巨大的推动效率.正在试验中，二种表里也会得到死长战完备，而且促进新的表里的产死，智能统造表里便是个很佳的例子.2.典范统造表里战新颖统造表里所波及的真质典范统造表里：主要钻研系统的动向本能，正在时间战频域内去钻研系统的“宁静性、准确性、赶快性”.所谓宁静性是指系统正在搞扰旗号的效率下，偏偏离本去的仄稳位子，当搞扰与消之后，随着时间的推移，系统回复到本去仄稳状态的本收.准确性是指正在过分历程中断后输出量与给定的输进量的偏偏好.所谓赶快性是指当系统的输进量战给定的输进量之间爆收的偏偏好时，与消那种偏偏好的快缓程度.新颖统造表里：线性系统表里、最劣统造、随机系统表里战最劣预计、系统辨识、自符合统造、非线性系统表里、鲁棒性分解战鲁棒统造、分集参数统造、失集事变统造、智能统造.。
自动控制的故事——经典控制部分
自动控制的故事——经典控制部分2013年12月08日17:16:30 阅读数：3969更多个人分类：娱乐小记（在网上看到一个牛人写的“自动控制的故事”，非常的有趣，给每段加了个小标题，虽然不能全部看懂，但收藏在这里，也算是给自己以后的工作学习一个指引，即便对没有学习过自动控制的人，也可以从此篇文章中了解到不少知识，品味出不同的趣味。
）自动控制的故事西西河社区找到一个很专业的自控人－－“晨枫”写完聚乙烯的故事，就有写自动控制的故事的念头，但一直没有动笔。
这个题目太大了，大得都不知道从何说起。
既然大家看聚乙烯的故事还有一点意思，四一在催，马鹿要“一”什么的，那就接着写自动控制的故事吧。
反正是故事，别太当真，看着好玩就接着看，看着枯燥就拍桌子，看着有错就提个醒，看着糊涂的尽管问，看着不耐烦了呢，也言语一声，我好闭上嘴不再烦人。
哈哈。
（一）经典控制理论的由来小时候喜欢看杂书，没什么东西看，不正在文化大革命嘛？不过看进去了两个“化”：机械化和自动化。
打小就没有弄明白，这机械化和自动化到底有什么差别，机器不是自己就会动的吗？长大了，总算稍微明白了一点，这机械化是力气活，用机器代替人的体力劳动，但还是要人管着的，不然机器是不知道该干什么不该干什么的；这自动化嘛，就是代替人的重复脑力劳动，是用来管机器的。
也就是说，自动化是管着机械化的，或者说学自动化的是管着学机械的……啊，不对，不对，哪是哪啊！有人考证古代就有自动化的实例，但现代意义上的自动控制开始于瓦特的蒸汽机。
据说纽考门比瓦特先发明蒸汽机，但是蒸汽机的转速控制问题没有解决，弄不好转速飞升，机器损坏不说，还可能说大事故。
瓦特在蒸汽机的转轴上安了一个小棍，棍的一端和放汽阀连着，放气阀松开来就关闭，转速增加；按下去阀就打开，转速降低；棍的另一端是一个小重锤，棍中间某个地方通过支点和转轴连接。
转轴转起来的时候，小棍由于离心力的缘故挥起来。
转速太高了，小棍挥会挥得很高，放汽阀就被按下去打开，转速下降；转速太低了，小棍挥不起来，放汽阀就被松开来关闭，转速回升。
控制理论发展历史
控制理论发展历史综述一：20世纪40年代末-50年代的经典控制理论时期，着重解决单输入单输出系统的控制问题，主要数学工具是微分方程、拉氏变换、传递函数；主要方法是时域法、频域法、根轨迹法；主要问题是系统的稳、准、快。
二：20世纪60年代的现代控制理论时期，着重解决多输入多输出系统的控制问题，主要数学工具是以此为峰方程组、矩阵论、状态空间法主要方法是变分法、极大值原理、动态规划理论；重点是最优控制、随即控制、自适应控制；核心控制装置是电子计算机。
三：20世纪70年代之后的先进控制理时期，先进控制理论是现代控制理论的发展和延伸。
先进控制理论内容丰富、涵盖面最广，包括自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、人工神经网络控制等。
经典控制理论经典控制理论适用于单输入、单输出的线性定常（参数不随时间而变）系统。
发展过程1.原始阶段中国，两千年前我国发明的指南车：一种开环自动调节系统，它利用差速齿轮原理，利用齿轮传动系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。
不论车子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回运而手常指南”。
2.起步阶段人类社会发展，有一个点把人类社会的发展分成两大部分，那就是工业革命。
18世纪中叶之前，不管你什么怎么划分人类社会也好（农业牧业手工业），社会的发展始终离不开人力，就是必须得有人亲自去做。
18世纪中叶之后，机器的出现，使得以机器取代了人力，所以称之为革命。
然后机器的出现变革了人类的整个历史，直至现代社会文明的如此进步。
工业革命的开始的标志为哈格里夫斯发明的珍妮纺纱机，而工业革命的标志是瓦特改良蒸汽机，为什么扯这么多？如果机器不能控制，那和工具又有什么区别？所以工业革命的标志是瓦特改良蒸汽机。
钱学森也在最新一版的工程控制论中提到技术革命。
1769年，控制思想首次应用于工业控制的是瓦特，发明用来控制蒸汽机转速的飞球离心控制器。
以后人们曾经试图改善调速器的准确性，却常常导致系统产生振荡。
1868年以前，这一百年来，自动控制装置的设计还出于“直觉”阶段，没有系统的理论指导，因此在控制系统的各项性能（稳、准、快）的协调方面经常出现问题。
现代控制理论在汽车行业的应用
现代控制理论在汽车领域的应用现代控制理论发展于20 世纪50 年代末，它以状态空间方法为主，研究控制系统状态的运动规律，通过反馈系统解决某些非线性和时变系统的控制问题，用于多输入多输出反馈控制系统，可以实现最优控制规律。
作为一名车辆工程专业的研究生，现代控制理论在我所学的领域上也有很多应用。
比如说现代控制理论在内燃机振动主动控制中的应用、在汽车防抱死制动系统中的应用、在汽车悬架控制中的应用等等，下面我将根据自己查阅的资料对这三种应用进行简单介绍。
已有文献阐明了现代控制理论在内燃机振动主动控制领域的应用现状，阐述了各种控制理论与内燃机振动系统的关系。
以现代控制理论中有代表性的最优控制、自适应控制、鲁棒控制为重点分析了现代智能控制理论在振动系统控制中应用的可能性与发展，指出了内燃机振动主动控制领域今后一段时间内的研究重点与方向。
内燃机的振动是有害的，对于有害的振动，人们总是在想方设法将其消减甚至消除。
消减振动一般从两个方面着眼：一是耗散振动能，二是抑制激振力。
耗能的方法有加装阻尼摩擦片、附带质量冲击块；抑制激振力的方法有提高系统刚度、加装动力减振器或是主动对振动系统施加同频反向的抑振力。
通过控制系统对振动主体主动施加抑振力即振动的动态控制(也称有源控制、主动控制)。
该控制系统一般由振动体(内燃机振动系统如曲轴)、振动信息采集器(对于旋转振动系统多用涡流传感器和光电传感器，对于整机多用弹簧质量加速度传感器)、变送器、处理器、控制器、执行器、显示与调节器等部件组成。
其中控制器是系统的核心，控制器的设计应依据振动体即被控对象的特性进行。
本文将依据内燃机的振动的特性探讨控制器设计中运用的各种控制理论问题以及在振动动态控制上各种现代控制理论应用的可能性。
汽车防抱制动系统(简称ABS)实质上是一种制动力自动调节装置。
这种装置使汽车制动系统的结构发生了质的变化，它不仅能充分发挥制动器的制动性能,提高制动减速度和缩短制动距离，而且能有效地提高汽车制动时的方向稳定性,大大改善汽车的行驶安全性。
智能网联汽车技术基础 第7章 智能网联汽车控制技术
行逻辑推理的前提；
制为零，甚至变为负值，从而避PI免D控出制现包被含控以下量三严个重过超程调：的情况； （4）对于较大惯性和滞后特性的控制对象，比例控制和微分控制能改善在动态过
程中的系统特性；
7.1 经典控制理论
PID控制原理
PID控制原理图
PID控制原理
u(t)
K
P
[e(t)
1 TI
t
0 e(t)dt TD
（4）比例控制和积分控制结合，可以使系统在一定时间内快速进入稳定状态，无稳态误
差，称为PI控制；
7.1 经典控制理论
3. 微分控制 （1）微分控制指输出的误差值与误差变化率成正比关系； （2）控制系统在消除误差的时候会出现频繁振荡甚至失稳现象，其原因是系统中
存在较大惯性，使消除误差的的变化时间总是滞后于误差的变化时间； （3）具有比例控制和微分控制的控制器，能够提前消除误差，最大程度误差量控
模糊控制借助模糊数学模拟人的思维 方法，将工艺操作人员的经验加以总结， 运用语言变量和模糊逻辑理论进行推理和 决策，对复杂对象进行控制。
模糊控制指的是以模糊集合理论、模糊语言变量
模糊控制既不及模是糊指推被理控过程是模糊的， 也不意味控制器是不确定的，它表示知识 和概念上的模糊性，完成的工作是完全确 定的。
7.2 现代控制理论
模糊控制器主要环节:(2)表格型：同样是对蕴含关系进 Nhomakorabea描述，但
是省略了语言描述中的繁琐词句，将其转化为表
1、模糊化环节：首先要确定输入变量x的取 格，方便进行规则的编写与查阅，较之于语言描
值范围。通过量化因子转化物理论域为模糊论域， 述型更加简洁明了。
将清晰值转化为模糊子集，确定模糊语言的取值
汽车电子控制理论与设计控制基础
1 1 控制理论的发展简史 1.1
控制理论的发展可分为四个主要阶段： 第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论） 的产生 发 的产生、发展和成熟； 成熟 第二阶段 现代控制理论的兴起和发展 第二阶段：现代控制理论的兴起和发展； 第三阶段：智能控制发展阶段 第 阶段 智能控制发展阶段。
经典控制理论 控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础 的自动调节原理 主要用于工业控制 的自动调节原理，主要用于工业控制。
控制理论基础 Control Theory Fundamentals
主讲人： 张素民
主要内容
• • • • • • 引言 反馈控制系统的特性 线性反馈系统的稳定性分析 非线性控制系统的稳定性分析 现代控制系统基础 智能控制系统简介
主要内容
• • • • • • 引言 反馈控制系统的特性与性能 控制理论的发展简史 线性反馈系统的稳定性分析 控制系统基本概念 非线性控制系统的稳定性分析 统性化 智能控制系统简介
小结
阶段 时期 理论基础 研究对象 分析方法 研究重点 核心装置 应用 第一阶段 第 阶段 20世纪40~50年代 经典控制理论 单输入、单输出系统 传递函数、频域法 反馈控制 模拟调节器 单机自动化
பைடு நூலகம்
第二阶段
20世纪60~70年代 现代控制理论 多输入、多输出系统 状态方程、时域法
第三阶段
20世纪80年代至今 智能控制理论 多层次、多变量系统 智能算子、多级控制
19
主要内容
• • • • • • 引言 反馈控制系统的特性 线性反馈系统的稳定性分析 非线性控制系统的稳定性分析 现代控制系统基础 智能控制系统简介
反馈控制系统的特性
• • • • • • • 误差信号分析 控制系统对参数变化的灵敏度 反馈控制系统对瞬态响应的控制 反馈控制系统的干扰信号 控制系统的稳态误差 反馈的代价 设计举例
经典控制理论和现代控制理论的区别和联系
1.经典控制理论与现代控制理论的区别与联系区别:(1)研究对象方面:经典控制系统一般局限于单输入单输出,线性定常系统。
严格的说,理想的线性系统在实际中并不存在。
实际的物理系统,由于组成系统的非线性元件的存在,可以说都就是非线性系统。
但就是,在系统非线性不严重的情况时,某些条件下可以近似成线性。
所以,实际中很多的系统都能用经典控制系统来研究。
所以,经典控制理论在系统的分析研究中发挥着巨大的作用。
现代控制理论相对于经典控制理论,应用的范围更广。
现代控制理论不仅适用于单输入单输出系统,还可以研究多输入多输出系统;不仅可以分析线性系统,还可以分析非线性系统; 不仅可以分析定常系统,还可以分析时变系统。
(2)数学建模方面:微分方程(适用于连续系统)与差分方程(适用于离散系统)就是描述与分析控制系统的基本方法。
然而,求解高阶与复杂的微分与差分方程较为繁琐,甚至难以求出具体的系统表达式。
所以,通过其它的数学模型来描述系统。
经典控制理论就是频域的方法,主要以根轨迹法与频域分析法为主要的分析、设计工具。
因此,经典控制理论就是以传递函数(零初始状态下,输出与输入Laplace变换之比)为数学模型。
传递函数适用于单输入单输出线性定常系统,能方便的处理这一类系统频率法或瞬态响应的分析与设计。
然而对于多信号、非线性与时变系统,传递函数这种数学模型就无能为力了。
传递函数只能反应系统的外部特性,即输入与输出的关系,而不能反应系统内部的动态变化特性。
现代控制理论则主要状态空间为描述系统的模型。
状态空间模型就是用一阶微分方程组来描述系统的方法,能够反应出系统内部的独立变量的变化关系,就是对系统的一种完全描述。
状态空间描述法不仅可以描述单输入单输出线性定常系统,还可以描述多输入多输出的非线性时变系统。
另外状态空间分析法还可以用计算机分析系统。
(3)应用领域方面:由于经典控制理论发展的比较早,相对而言理论比较成熟,并且生产生活中很多过程都可近似瞧为线性定常系统,所以经典控制理论应用的比较广泛。
汽车控制理论与应用课件
IA = AI = A
"
（3）零矩阵 所有元索都是零的矩阵，任意矩阵与零矩阵的乘积仍为零矩阵。
2. 线性变换 设 和 是两组变量，则
叫做由 矩阵P=
到 叫做线性变换的矩阵
。
的一个线性变换。
线性变换的矩阵形式为 X=PY， 式中
1.3 线性微分方程和拉普拉斯变换
1. 线性常微分方程模型
由最简单的物理规律导出的系统模型是线性常微分方程模型。
输入端
输出端
神经元基本结构
5）其他控制
自适应控制和自校正控制——通过对系统某些重要参数的估计克服小的、 变化较慢的参数不确定性和干扰。 鲁棒控制——控制系统在其特性或参数发生摄动时仍可使系统性能指标保 持不变的属性称为鲁棒性，使控制系统具有良好鲁棒性的控制就是鲁棒控 制。鲁棒控制可在参数或频率响应处于允许集合内，保证被控系统的稳定。 H∝ 控制——是一种基于鲁棒控制的优化控制方法，它以传递函数的H∝
3. 汽车电子控制的发展趁势 汽车电子控制已由单独控制发展到目前的综合控制。
4. 车辆控制系统的种类
发动机 动力传动装置控制 动力传动装置 牵引控制 TCS 制动 车辆运动控制 转向
防抱死制动系统 ABS 电子制动力分配EBD
燃油喷射量控制 FICU 点火控制 IC
自动变速器控制 AT
电动助力转向控制 四轮转向控制
单个装置控制
4) 随机性
车辆控制系统 的三个层次
6.
车辆控制系统的构成
包括三大组成部分： 控制算法、传感器技术、执行机构 后两者在技术上可以得到解决，但作为控制系统的关键，即寻求一个能够 为车辆提供良好性能的控制规律，这就需要控制理论与汽车动力学的结合，以 计算机建模与仿真分析及实时控制试验为研究手段。
控制理论与控制系统的发展历史及趋势
控制理论与控制系统的发展历史及趋势控制论一词Cybernetics，来自希腊语，原意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义。
因此“控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。
根据控制理论的理论基础及所能解决的问题的难易程度，我们把控制理论大体的分为了三个不同的阶段。
这种阶段性的发展过程是由简单到复杂、由量变到质变的辩证发展过程。
一、经典控制论阶段（20世纪50年代末期以前）经典控制理论，是以传递函数为基础，在频率域对单输入---单输入控制系统进行分析与设计的理论。
1、控制系统的特点单输入---单输出系统的，线性定常或非线性系统中的相平面法也只含两个变量的系统。
2、控制思路基于频率域内传递函数的“反馈”和“前馈”控制思想，运用频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法，解决稳定性问题。
3、发展事件回顾1）我国古人发明的指南车就应用了反馈的原理2）1788年J.Watt在发明蒸汽机的同时应用了反馈思想设计了离心式飞摆控速器，这是第一个反馈系统的方案。
3）1868年J.C.Maxwell为解决离心式飞摆控速器控制精度和稳定性之间的矛盾，发表《论调速器》，提出了用基本系统的微分方正模型分析反馈系统的数学方法。
4）1868年，韦士乃格瑞斯克阐述了调节器的数学理论。
5）1875年E.J.Routh和A.Hurwitz提出了根据代数方程的系数判断线性系统稳定性方法6）1876年俄国学者N.A.维什涅格拉诺基发表著作《论调速器的一般理论》，对调速器系统进行了全面的理论阐述。
7）1895年劳斯与古尔维茨分别提出了基于特征特征根和行列式的稳定性代数判别方法。
8）1927年H.S.Black发现了采用负反馈线路的放大器，引入负反馈后，放大器系统对扰动和放大器增益变化的敏感性大为降低。
9）1932年H.Nyquest采用频率特性表示系统，提出了频域稳定性判据，很好地解决了Black 放大器的稳定性问题，而且可以分析系统的稳定裕度，奠定了频域法分析与综合的基础。
车辆控制理论课件PPT
易于用计算机进行系统分析计算和实现计算机控制,显示 了所设计的控制系统的实现具有极大的可行性、优越性、 先进性。
现代控制理论(10/16)
经典控制理论和现代控制理论的发展和主要特点可总结如下： 经典控制理论
19世纪末~1940年代
起源于: 伺服机械的调节/控制设计方法 数学界的常微分方程稳定性理论
劳斯
胡尔维茨
经典控制理论—发展阶段(3/4)
这些方法基本上满足了20世纪 初期控制工程师的需要,奠定了 经典控制理论中时域分析法的 基础。 由于第二次世界大战需要控制系统 具有准确跟踪与补偿能力,1932年 美国物理学家奈奎斯特(H. Nyquist) 提出了频域内研究系统的频率响应 法,建立了以频率特性为基础的稳 定性判据,为具有高质量的动态品 质和静态准确度的军用控制系统提 供了所需的分析工具。
现代控制理论(4/16)
美国数学家卡尔曼(R. Kalman) 等人于1959年提出了著名的卡 尔曼滤波器, 1960年又在控制系统的研究 中成功地应用了状态空间法, 提出系统的能控性和能观测 性问题。
卡尔曼
现代控制理论(5/16)
1956年,前苏联科学家庞特里亚金 (L.S. Pontryagin)提出极大值原理, 并于1961年证明并发表了极 大值原理。 极大值原理和动态规划为解 决最优控制问题提供了理论 工具。 到1960年代初,一套以状态方程作 为描述系统的数学模型,以最优控 制和卡尔曼滤波为核心的控制系 统分析、设计的新原理和方法基 本确定,现代控制理论应运而生。
控制理论的各个分支
经典控制理论 现代控制理论 离散系统理论 自适应控制理论 大系统理论
控制理论发展概述
控制理论的发展历史可分为两个阶段 经典控制理论与
汽车控制逻辑 书籍
以下是一些关于汽车控制逻辑的书籍：
1.《汽车控制》，作者：David L. Jones。
这本书介绍了汽车控制系统的基本原理和实现方法，包括发动机控制、底盘控制、车身控制等。
2.《汽车控制论》，作者：William J. restle。
这本书介绍了汽车控制理论和实践的各个方面，包括车辆动力学、系统建模、控制算法等。
3.《汽车控制系统》，作者：Paul筱敏。
这本书是一本经典的汽车控制技术书籍，系统介绍了汽车控制系统的基本原理和应用。
4.《汽车电子控制系统》，作者：张友皇。
这本书详细介绍了汽车电子控制系统的基本原理和实现方法，包括发动机控制、底盘控制、车身控制等。
5.《汽车先进控制系统》，作者：赵福全。
这本书介绍了汽车先进控制系统的基本原理和应用，包括自动驾驶、车辆稳定性控制、燃油经济性优化等。
经典控制理论
经典控制理论在20世纪30到40年代，奈奎斯特、伯德、维纳等人的著作为自动控制理论的初步形成奠定了基础；二次大战以后，又经过众多学者的努力，在总结了以往的实践和关于反馈理论、频率响应理论并加以发展的基础上，形成了较为完整的自动控制系统设计的频率法理论。
1948年又提出了根轨迹法。
至此，自动控制理论发展的第一阶段基本完成。
这种建立在频率法和根轨迹法基础上的理论，通常被称为经典控制理论。
经典控制理论以拉氏变换为数学工具，以单输入－单输出的线性定常系统为主要的研究对象。
将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，得到系统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。
通常是采用反馈控制，构成所谓闭环控制系统。
经典控制理论具有明显的局限性，突出的是难以有效地应用于时变系统、多变量系统，也难以揭示系统更为深刻的特性。
当把这种理论推广到更为复杂的系统时，经典控制理论就显得无能为力了，这是因为它的以下几个特点所决定。
1．经典控制理论只限于研究线性定常系统，即使对最简单的非线性系统也是无法处理的；2．经典控制理论只限于分析和设计单变量系统，采用系统的输入－输出描述方式，这就从本质上忽略了系统结构的内在特性，也不能处理输入和输出皆大于1的系统。
实际上，大多数工程对象都是多输入－多输出系统，尽管人们做了很多尝试，但是，用经典控制理论设计这类系统都没有得到满意的结果；3．经典控制理论采用试探法设计系统。
即根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，然后对系统进行分析，直至找到满意的结果为止。
虽然这种设计方法具有实用等很多优点，但是，在推理上却是不能令人满意的，效果也不是最佳的，人们自然提出这样一个问题，即对一个特定的应用课题，能否找到最佳的设计。
综上所述，经典控制理论的最主要的特点是：线性定常对象，单输入单输出，完成镇定任务。
即便对这些极简单的对象、对象描述及控制任务，理论上也尚不完整，从而促使现代控制理论的发展：对经典理的精确化、数学化及理论化。
第五章 控制理论在汽车系统中的应用-1
PA + AT P PBR 1 B T P + Q = 0
最优控制律可由状态变量的线性函数给出
u = K 1 x1 + K 2 x 2 + K 3 x3 + K 4 x 4
若取
q1 = 1
q 2 = 10
，和 ρ =0.8×10-9
根据表4-1所列车辆参数进行数值计算，并得到如下的完全状态反馈增益矩阵：
(2) 预瞄控制技术区
路面不平度是时间或距 离的函数。如果能利用传感 器预测离车轮前端距离处的 路面高度，这样
Z 0 = W (t + τ )
τ
为时间滞后量，而且
τ = V / LP
图4-9
二自由度四分之一车辆模型 二自由度四分之一车辆模型
那么对以速度 V 直线行驶的车辆来说，其车轮下的路面高度与传感器 所测得的路面高度正好相等，只是滞后一时间τ，这时汽车悬架控制系统 就能依据此预瞄信息及时发出指令信号，从而提高控制质量。
2. PID控制规律 控制规律
1) PID控制规律的连续表达式 (1) P(比例)控制 其控制律为
u (t ) = K P e(t ) + u0
(2) PI(比例,积分)控制 其控制律为
u0 –控制量的基准值， e=0时的控制量
1 u (t ) = K P e(t ) + TI
(3) PD(比例, 微分)控制 其控制律为
上面两式就组成了增量式 增量式PID控制算法 。 增量式 控制算法
如执行机构需要的不是控制量的绝对值，而只是其增量，如驱动步进电机， 则只采用u(k) 即可。
PID
量 算
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三. 汽车巡航控制系统的组成
车速传感器 汽车巡航控制系统组成与原理图
期 望 车速 实 际 节气 节气门开 门控 节气 度调节 发动机 车速 门执 控制器 及底盘 制信 行器 号
巡航控 制开关 控制器
节气门 执行器
四. 汽车巡航控制系统的控制器设计
期 望 车速
vd
e
vx
控制器
u
实 际 节气门开 车速 节气 度调节 发动机 门执 及底盘 行器
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，不进行积分项累加 梯形积分PID控制 变速积分PID 分段PID 模糊PID
6.3 离散PID控制
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：
1. 定速巡航
主要功用
脚好累啊！
减轻驾驶疲劳 车速稳定，节省
燃油，降低排放
2.自适应巡航
主要功用
减轻驾驶疲劳 提高驾驶安全
3. 走-停巡航
主要功用
提高驾驶安全 降低排队时间，
提高道路利用率 需要指出：自适应巡航和走 - 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
0.5 τ
0.34 τ 0.8 τ 0.6 τ
0.68 Tτ/τ
0.85 Tτ/τ 0.57 Tτ/τ 0.6 Tτ/τ
3.9 τ
1.62 τ 4.2 τ 1.5 τ
-0.65 τ -0.82 τ
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
Kc s G (s) e Ts 1
连续系统的基本PID仿真
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，Ki＝1，Kd＝3，输入指令为
rin (t ) A sin(2 ft )
其中，A＝1.0，f＝0.20Hz 被控对象模型选定为：
133 G ( s) 2 s 25s
E(s)
C(s)
B(s)
G(s)
B( s ) C ( s ) H ( s ) E ( s ) R( s ) B( s ) 消去中间变量 E ( s ), B( s )得 G( s) C ( s) R( s ) 1 G( s) H ( s)
H(s)
R(s)
C(s) G( s) 1 H ( s )G ( s )
串联 校正
控制 器
对 象
反馈校正
前馈校正或顺馈校正，是在系统主反馈回路之外 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 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 统，形成一条附加的对扰动影响进行补偿的通道。
t kT (k 0,1, 2, 3) k k t 0 e(t )dt T e( j ) T e( j ) j 0 j 0 de(t ) e(kT ) e((k 1)T ) e(k ) e(k 1) T T dt
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减弱
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]。
6.4 PID调节器参数选择
◆
试凑法确定PID调节参数
1 t de u K P e edt TD u0 TI 0 dt K I K pT / TI , K D K pTD / T
判 断 决 策 加 速 匀 速 减 速 松加 速踏 板 踩加 速踏 板
改变节气 门开度
发动机转 速变化
车速 变化
巡航控制 车速
设 定 期 望 车 速
改 变 控 节 电控单元 制 节气 气 发动机转 车速 门执 变化 速变化 信 ECU 门 行器 号 开 车速传 度 感器 当前车速反馈
二. 汽车巡航控制系统的分类
Matlab仿真 结果分析 \...
120
100
80
K=0.12
Ti=140s Td=29.4s
60
40
20
0
0
100
200
300
400
500 t/s
600
700
800
900
1000
6.5 汽车巡航控制系统
一.定义：在一定的车速范围内，能使汽车保持以设定速度行
驶的控制装置
驾驶员控 制车速
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： 2
e dt 0 数字 控制度＝ e2 dt 0 模拟
— 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
四. 汽车巡航控制系统的控制器设计
早期的巡航控制ECU一般都是采用模拟电子技术制 造的，主要由4个不同功能的运算放大器组成
四. 汽车巡航控制系统的控制器设计
Simulink 下巡航控 制仿真 汽车纵 向动力 学模型
期望速度
PI控制模块
Scope1：期望车速
Scope2：车速对比
车速偏差：
e(t ) vd (t ) vx (号的比例运算 (P) 与积分运算 (I) 算法 求和，作为控制器输出
u(t ) 节气门控制信号：
K P e(t ) K I e(t )dt
0
(2)
KP：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
连续系统的基本PID仿真
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
PID校正的特点
（1）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； （2）校正方便，P、I、D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 灵活性； （3）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PID 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。
PID控制原理
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 ，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
控制度 1.05 1.2 1.5 2.0 控制规律
PI PID PI PID PI PID PI PID
T 0.1 τ 0.05 τ 0.2 τ 0.16 τ
KP 0.84 Tτ/τ 0.15 Tτ/τ 0.78 Tτ/τ 1.0 Tτ/τ
TI 0.34 τ 2.0 τ 3.6 τ 1.9 τ
TD -0.45 τ -0.55 τ
前馈 校正
控 制 器
对 象
前馈校正
控制器
对象
3
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 制形式和按输入补偿的复合控制形式。
Gn(s) G1(s)
G2(s)
Gr(s)
G1(s) G2(s)
4
反馈矫正
C ( s) G( s) E ( s)
R(s)
应用事例
阶跃响应曲线测试
Uo=0.3 y=50 Tτ=1170 τ=70
温 度 / C
50
加热炉模型
40
y =UoG(0) ==>Kc==167 T=1170
τ=70
30
20
连续PID参数
10
K=0.12
Ti=140s Td=29.4s
0
1000
2000
3000
－在响应曲线拐点处（斜率最大）处作一切线，求滞 后时间τ和被控对象的时间常数Tτ
确定的连续调节器
调节器类型 Kp Ti Td
P 调节器 PI 调节器 PID 调节器
Tτuo/τ y
/
/
0.8 Tτuo/τ y
3τ
/
1.2 Tτuo/τ y
2τ
0.42τ
④ 根据选定的控制度，查表求得T、Kp、TI、TD的值/u0=1
可得离散表达式：
TD T k u (k ) k p (e(k ) e( j ) (e(k ) e(k 1))) T1 j 0 T e(k ) e(k 1) k p e(k ) ki e( j )T kd T j 0
k
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。