自动化学科概论作业

油门和 发动机
T
齿轮和车轮
F
车体
控制器 致动器
u
驾驶员 接口
人 机 交 互 界面
这个系统有许多独立的单元，包括致动器、发动机、传动、车轮和车体等，详细的模型是很 复杂的。尽管如此，进行定速巡航控制器设计所需的模型却可以相当简单。
为了建立该系统的数学模型，我们从车体的力平衡开始分析，Fd 为有重力、摩擦力及空气动 力学阻力等引起的干扰，汽车的运动方程具有以下的简单形式：
理进行阐述，最后，通过对汽车定速巡航控制系统的设计，就自动化的设计流程简单介绍。
反馈是生命的核心特征。反馈过程控制着我们如何成长、如何应对压力和挑 战，并调节着体温、血压以及胆固醇水平等身体参数。反馈机制在各层次上都起 着作用， 从细胞中蛋白质的相互作用， 到复杂生态系统中生物体之间的相互作用， 多用它的贡献。
自 动 化 的 基 本 原 理 和 方 法
汽车定速巡航系统设计分析
————论自动化的基本原理和方法
XXX（XXXXX） 自动化学院 XXXX 班
一、摘要：简要介绍了关于自动化的一些基本原理，通过自然界的反馈系统，联系到工业设 计以及自动化设计过程中的反馈，概括了控制系统的建立过程，以及对一个工程项目进行建 模分析，并通过汽车定速巡航系统的设计实例，介绍了自动化的设计流程及方法。
控制具有多重含义，且往往随学科领域的不同而不同，但从其核心来讲，控 制是一门信息科学，它包括对模拟和数字形式的信息的利用。
什么是控制？ 控制工程依赖于物理学，计算机科学，以及数学算法研究。 控制同其他学科重叠最多的部分可能要算物理系统的建模了， 这是工程和科学的所有领域 里共同的内容。控制中的建模与其他学科中的建模的一个基本差别，在于子系统间相互作用 的表示方法不同。控制建立在一种输入/输出建模方法之上，它使得我们可以从许多新的视角 去对系统行为进行深入地理解。例如从干扰的衰减和稳定互连等角度去理解。模型简化作为 一种从高可信度的模型推衍出（较低可信度的）简化动态行为描述的方法，再输入/输出模型 框架下也可以很自然地实现。最重要的一点不同也在于，控制范畴中的建模允许我在子系统 间实现鲁棒互连的设计，这对于所有大型工程来讲是一个至关重要的特征。
m dv F Fd dt
力 F 有发动机产生，其转矩正比与燃料注入的速度，而燃料注入的速度本身则正比于控制油 门位置的控制信号 u(0 u 1)。转矩还取决于发动机的速度，在油门全开时，转矩还可以简 单的表示为以下的转矩曲线： T ( ) Tm(1 (


1) 2 )
u (t ) k p e(t ) k i e( )d
0 t
这个控制器本身可以当做一个输入/输出动态系统来实现， 具体来讲， 就是定义一个状态 z，并 实现以下微分方程：
dz v dt vr
，
u k p (v r v ) k i z
其中 vr 是期望速度。积分器（用状态 z 来表示）将保证稳态时的误差为零。 这个模型很简单，但却能够大致描述这个复杂的系统。 四、总结 通过《自动化学科概论》的学习，我了解到许多自动化的基本原理和方法，以及一些经 典理论和控制算法，如比例-积分-微分（PID）控制，奈奎斯特判据，Routhp 判据，维纳的 控制论，李雅普诺夫函数等，这些虽然现在都不懂，但会有一个印象，这对于自动化专业以 后的学习是非常有帮助的。而且通过引用汽车定速巡航系统模型的设计了解到自动化的设计 流程和方法。 参考文献 1、【美】Richard M. Murray《自动控制——多学科视角》 人民邮电出版社 2010m 是在发动机速度 m 下获得的扭矩。典型的参数值为 Tm=1/s,β=0.4。
干扰力 Fd 有三个主要分量：Fg 为重力引起的干扰力，Fr 为滚动摩擦引起的干扰力，Fa 为空 气阻力。 综合以上分析，可以得到汽车模型：
m dv 1 n uT ( n v ) mg C r sgn( v) C d Av 2 mg sin dt 2
的描述。通过对子系统间互联的各个子系统变量的行为进行描述，可以掌握子系统接口处的 行为这些接口起着强制各子系统间变量彼此相等的作用。通过将子系统的描述以及接口的描 述组合起来，就得到了完整的建模。
汽车的定速巡航控制 汽车的定速巡航控制系统是人们日常生活中最常遇到的反馈系统。该系统尝试在车辆受到干 扰（比如道路坡度变化）是维持速度恒定，该系统的控制器通过测量汽车的速度并恰当的调 节油门以对这类未知的因素进行补偿。 为了对该系统进行建模让我们从下图所示的方框图开始介绍。令 v 为汽车的速度，Vt 为期望（参 考）速度。控制器通常采用比例-积分（PI）控制器，它接收信号 v 和 Vt，产生控制信号 u,并将其送 往致动器，从而使致动器能够控制油门的位置，油门进而控制发动机产生的扭矩 T，再经齿轮和车轮 的传动，产生出移动车辆的力 F。由于路面坡度、滚动阻力及空气动力的变化，存在着一个干扰力 Fd。 定速巡航控制器上也有一个人机界面，以供共驾驶员设置和改变希望的速度，其中也包括在刹车时断 开定速巡航控制系统的功能。
建模的概念 模型是一个系统动态特性的精确表示，在回答系统相关问题的分析与仿真中使用。选用 什么样的模型取决于我们需要回答什么样的问题。因此，对于同一个动态系统，可能会有精 确等级不同的多个模型，以满足不同现象分析的需要。 建模是许多学科的基本组成部分，但各个学科的传统和方法可能各不相同。处理一个系 统工程的一个困难在于，经常需要处理来自不同领域的系统，包括化学系统，电气系统，机 械系统以及信息系统等。 为了对这种多学科的系统进行建模，需要将系统划分成多个较小的子系统。将每个子系 统表示成关于质量、能量和动量的平衡方程，或者表示成子系统中关于信息处理的某种恰当
什么是反馈？ 动态系统是这样一种系统，其行为随着时间变化，目的往往是为了对外界的激励或作用 力进行响应。反馈是指这样一种状态，有两个或者更多个动态系统互连在一起，彼此相互影 响，因为它们的动态行为是强耦合的。简单的对反馈系统进行因果推理是困难的，因为第一 个系统影响第二个系统，第二个系统又影响着第一个系统，导致其间存在着参数的来回纠缠。 这就使得基于原因和结果的推理变得很微妙，因此必须作为一个整体来分析系统。这样一来， 反馈系统的行为往往就变得不合人们的直觉，一次有必要采用正规的方法来分析它们。 反馈系统最易理解的就是生物学方面的。生物系统以各种各样的方式使用反馈，从分子 到细胞到到生物体再到生态系统，都使用反馈。胰岛通过产生胰岛素和胰高血糖素来调节血 液中的葡萄糖，就是一个很好的例子。葡萄糖是体细胞赖以产生能量的物质，身体试图维持 其浓度恒定。当葡萄糖水平增高时，胰岛素就会被释放，身体就会将多余的葡萄糖储存到肝 脏中。当葡萄糖浓度降低时，胰高血糖素就会被分泌，以提高血糖浓度。 当然无论在自然系统还是在工程系统中，反馈系统都是无处不在的。控制系统维持着建 筑和工厂的环境、照明以及动力，控制着汽车、消费电子用品以及制造过程中的运作，使得 交通运输和通信系统成为可能，是军事和航天系统中的关键因素。它们绝大多数隐藏与我们 的视野之外、深埋在嵌入式微处理器的代码之中。
二、关键字：反馈，控制，建模，设计流程
三、内容 自动化作为一门技术科学，在工农业及服务业都起到了十分重要的作用，随着人类社会 进入信息时代，自动化已走进现代社会生活、生产、国防和科研活动的各个方面。在未学习 《自动化学科概论》之前，我认为自动化就是机器人，人工智能这些大的方面，并不懂自动 化是如何实现对机器的自动控制的，以及整个自动化的设计过程是如何实现的。学习了《自 动化学科概论》后，有了一个大致的认识，下面就先对一些我所理解的自动化学科的基本原
C
d
是空气动力学阻力系数， C r 是滚动摩擦系数， n 的倒数对应有效齿轮半径。
由于专业知识的欠缺，对应等式中个别多项式还不太明白，但由牛顿第二定律得出等式方程 这样大的概念还是能看懂的。 现在，我们往该模型中加入一个反馈控制器，以便在存在干扰是能够对车速进行调节。 我们采用比例-积分控制器，它具有以下的形式：