自动化学科概论作业

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。
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：
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。
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。
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
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。
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 2010 年 12 月 出版 2、维基百科 3、百度百科
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：
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 (

Байду номын сангаас

1) 2 )
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
m
其中的最大扭矩 Tm 是在发动机速度 m 下获得的扭矩。典型的参数值为 Tm=190Nm，

m
=420rad/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
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。