汽車電子設(shè)備自動控制系統(tǒng)的基本概念

汽車電子設(shè)備自動控制系統(tǒng)的基本概念第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一章汽車電子設(shè)備自動控制系統(tǒng)的基本概念第一節(jié)

自動控制的作用第二節(jié)自動控制理論的發(fā)展簡介第三節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第四節(jié)開環(huán)控制與閉環(huán)控制第五節(jié)本課程的內(nèi)容和特點本章小節(jié)、重點第01頁第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日第02頁第一章

控制系統(tǒng)的基本概念

在科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展過程中，汽車電子設(shè)備自動控制技術(shù)起著重要的作用。除了在宇宙飛船、導(dǎo)彈發(fā)射和飛機(jī)駕駛等系統(tǒng)中，自動控制技術(shù)具有特別重要的作用之外，它在現(xiàn)代機(jī)器制造和工業(yè)生產(chǎn)過程中也是不可缺少的重要組成部分。隨著自動控制理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，給人們提供了獲得動態(tài)系統(tǒng)最佳性能的方法，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，提高了勞動生產(chǎn)率，使人們從繁重的體力勞動和重復(fù)的手工操作中解放出來。本章將對本課程的主要內(nèi)容作一個簡介，使讀者對自動控制理論的內(nèi)容有一個基本了解，以便更好地學(xué)習(xí)以后各章節(jié)。

第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)汽車電子設(shè)備自動控制的作用

自動控制，是指在人不直接參與的情況下，通過控制器使被控對象（如機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)過程等）自動地按照預(yù)定的規(guī)律進(jìn)行工作。

一、自動控制技術(shù)應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)；人造衛(wèi)星；宇宙飛船。

二、自動控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程軋鋼過程；工業(yè)窯爐；車輛工程；石油化工；水泥建材；玻璃、造紙等。

第03頁第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日第04頁第二節(jié)自動控制理論發(fā)展簡介

自動控制理論是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。根據(jù)自動控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，自動控制理論可分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。

一、經(jīng)典控制理論的形成和基本內(nèi)容古代兩個典型的自動控制系統(tǒng)第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日第05頁

最早的穩(wěn)定性研究：

J.C.Maxwell（麥克斯韋爾），1868年發(fā)表《論調(diào)節(jié)器》，研究調(diào)節(jié)器的微分方程，線性化處理，系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于微分方程的特征根是否都具有一對負(fù)的實部，針對二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有負(fù)實部時，特征多項式系列應(yīng)滿足的條件。

系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)則：由Hurwitz（霍爾維茨）和E.J.Routh（勞斯）提出的勞斯-霍爾維茨穩(wěn)定判據(jù)

A.M.Lyapunov（李雅普諾夫）提出了李雅普諾夫第一法與第二法

H.Nyquist（奈魁斯特）提出奈氏判據(jù)，Bode(波德）提出了對數(shù)頻率特性的方法。二戰(zhàn)期間，軍事科學(xué)的需要大大促進(jìn)了反饋控制理論的發(fā)展。美國麻省理工學(xué)院雷達(dá)實驗室的科學(xué)家們將反饋放大器理論、PID（比例-積分-微分）控制以及N.Wiener（維納）的隨機(jī)過程理論等結(jié)合在一起，形成了一整套被稱為隨動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日第06頁根軌跡方法：

W.R.Evans（伊萬斯）提出的方法和規(guī)則是當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時特征方程式根變化的幾何軌跡。目前仍然是系統(tǒng)設(shè)計和穩(wěn)定性分析的一種重要方法。

50年代末期所討論的內(nèi)容主要有：系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、時域分析祛、頻率特性法、根軌跡法、系統(tǒng)綜合與校正、非線性系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)分析法等，也被稱為經(jīng)典控制理論。

二、現(xiàn)代控制理論概述

50年代末，美國的Bellman（貝爾曼）、

Kalman（卡爾曼）和前蘇聯(lián)的龐德里亞金等考慮用常微分方程作為控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)字計算機(jī)的發(fā)展使得十年前尚無法進(jìn)行的計算問題成為可能，這時李雅普諾夫的工作被引人到控制理論中來，而由Wiener（維納）等人在第二次世界大戰(zhàn)期間關(guān)于最優(yōu)控制的研究也被用來研究系統(tǒng)狀態(tài)軌跡的優(yōu)化問題。這種方法在標(biāo)準(zhǔn)形式或狀態(tài)形式的常微分方程的基礎(chǔ)上直接引進(jìn)并大量使用了計算機(jī)。這種方法通常稱為“現(xiàn)代控制理論”，以區(qū)別于60年代以前的“經(jīng)典控制理論”。第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日第07頁現(xiàn)代控制理論的重要標(biāo)志：狀態(tài)空間法被引入到控制理論中來

Kalman提出了能控性與能觀測性。表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的重要概念?！皟?nèi)部研究”代替了傳統(tǒng)的“外部研究”。并使分析與綜合過程建立在嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)之上。主要分支學(xué)科：線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論和特大系統(tǒng)理論等。一些分支學(xué)科還滲透到相鄰學(xué)科中去，如濾波技術(shù)、自學(xué)習(xí)理論與人工智能、建模理論與系統(tǒng)工程等。第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日第08頁第三節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)一、自動控制的概念

1、手動控制

水箱水位的手動控制：

觀測實際水位，將實際水位與要求的水位值相比較，得出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，即當(dāng)實際水位高于要求值時，關(guān)小進(jìn)水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進(jìn)水量，從而改變水箱水位，使之與要求值保持一致。第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日第09頁2、自動控制浮子：測量作用連桿：比較作用放大器、伺服電動機(jī)和減速器：

調(diào)節(jié)作用閥門：執(zhí)行元件作用自動控制是在人不直接參與的情況下，利用外加設(shè)備或裝置（稱為自動控制裝置）使被控對象（如機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過程等）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行，使被控對象的一個或多個物理參數(shù)（如溫度、流量成分等）能夠自動地在一定的精度范圍內(nèi)，按照給定的規(guī)律變化。第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日第10頁當(dāng)實際水位低于要求水位時，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號將有正的變化，電動機(jī)帶動減速器使閥門開度增加，直到實際水位重新與水位要求值相等時為止。水位自動控制的目的：使偏差消除或減小，使實際水位達(dá)到要求的水位值。第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日第11頁二、自動控制系統(tǒng)

為達(dá)到某一目的，由相互制約、相互聯(lián)系的各個部件按照一定規(guī)律構(gòu)成且具有獨立功能的整體稱為系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)是由被控對象和自動控制裝置按照一定方式連接起來，能完成一定自動控制任務(wù)的總體。自動控制系統(tǒng)的被控制量稱為系統(tǒng)輸出量影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入稱為系統(tǒng)的擾動輸入量輸入量分類：

給定輸入（或稱參考輸入、希望值等）：指對系統(tǒng)輸出量的要求值

擾動輸入：指對系統(tǒng)輸出量有不利影響的輸入量第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日第12頁系統(tǒng)方框圖：為了清楚地表示控制系統(tǒng)的組成及各組成部分之間信號的傳輸關(guān)系，畫出的控制系統(tǒng)元件作用圖稱為系統(tǒng)方框圖。共有四種圖例：（1）裝置用方框表示（2）信號用帶箭號的線段表示（3）信號引出點（4）信號相加點（比較點）第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日第13頁（－）自動控制系統(tǒng)的組成

由兩大組成部分，即被控對象和自動控制裝置（有時也稱為控制器）自動控制裝置又可分為下列幾個部分：（1）測量元件（或測量裝置）。用于測量被控量的實際值或?qū)Ρ豢亓窟M(jìn)行物理量變換的裝置。（2）比較元件（或比較器）。它將被控量的實際值（常取負(fù)號）與被控量的要求值（常取正號）相比較，得到偏差的大小和符號。（3）調(diào)節(jié)元件。通常包括放大器和校正裝置。它能將偏差信號放大，并使輸出控制信號與偏差信號之間具有一定的數(shù)值運算關(guān)系（也稱為調(diào)節(jié)規(guī)律或控制算法）。（4）執(zhí)行元件。接受調(diào)節(jié)元件的輸出控制信號，產(chǎn)生具體的控制效果，使被控制量產(chǎn)生預(yù)期的改變。第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日第14頁（二）自動控制系統(tǒng)的工作原理從圖1-5可知

，當(dāng)被控量偏離給定值（通常是給定值變化或因擾動而引起）時，測量元件測得被控量的值，并經(jīng)物理量變換后由比較元件將其與給定值比較得出偏差，調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)和運算，將輸出的控制信號送到執(zhí)行器產(chǎn)生具體的控制作用。這一控制作用使被控量恢復(fù)或趨近于給定值，從而消除或減少偏差。通過測量、比較得到偏差，由偏差信號產(chǎn)生控制作用，最終使偏差消除或減少的原理稱為負(fù)反饋原理。

自動控制系統(tǒng)的主要特點是：（1）從信號的傳送來看，采用的是負(fù)反饋原理；（2）從控制作用的產(chǎn)生來看，是由偏差產(chǎn)生的；這種由偏差產(chǎn)生的控制作用稱為偏差控制。具有上述兩個特點的自動控制系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)或偏差控制系統(tǒng)。這一類系統(tǒng)的工作原理稱為反饋控制原理。第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日第15頁三、自動控制系統(tǒng)分類從信號傳送的結(jié)構(gòu)特點可將控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)。按照其他分類原則還可分為：（一）隨動系統(tǒng)與自動調(diào)整系統(tǒng)

隨動系統(tǒng)又稱為伺服系統(tǒng)。特點：給定值是預(yù)先未知的、隨時間任意變化，要求系統(tǒng)被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值變化。

自動調(diào)整系統(tǒng)又稱為恒值控制系統(tǒng)、定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)或自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)。特點：系統(tǒng)輸入量（即給定值）不變，但由于擾動使被控量偏離要求值，該系統(tǒng)能根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，使被控量恢復(fù)到要求值，并以一定的準(zhǔn)確度保持在要求值附近。（二）線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)

線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件的靜態(tài)特性為直線，能用線性常微分方程描述其輸出與輸入關(guān)系的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特點是具有疊加性和齊次性。第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日第16頁本課程研究線性定常系統(tǒng)（或稱為線性時不變系統(tǒng)、自治系統(tǒng)）非線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件中有一個以上具有非直線的靜態(tài)特性的系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還可分為非線性時變系統(tǒng)與非線性定常系統(tǒng)。

嚴(yán)格地說，實際上不存在線性系統(tǒng)，這是因為各種實際的物理系統(tǒng)總是具有不同程度的非線性，但只要非線性不嚴(yán)重，在一定范圍內(nèi)能用線性系統(tǒng)的理論和方法對待的系統(tǒng)都可視為線性系統(tǒng)。（三）連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)

連續(xù)系統(tǒng)，各部分的輸入和輸出信號都是連續(xù)變化的模擬量，可用微分方程來描述各部分輸入-輸出關(guān)系的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)，某一處或多處的信號以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)也有線性離散系統(tǒng)和非線性離散系統(tǒng)、定常離散系統(tǒng)和時變離散系統(tǒng)之分。第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日第17頁（四）單輸入-單輸出系統(tǒng)與多輸入-多輸出系統(tǒng)

（五）確定系統(tǒng)與不確定系統(tǒng)若系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、預(yù)先可知的，系統(tǒng)的輸入信號（包括給定輸入和擾動）也是確定的，則可用解析式或圖表確切地表示，這種系統(tǒng)稱為確定系統(tǒng)。系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定或作用于系統(tǒng)的輸入信號不確定時，則稱這種系統(tǒng)為不確定系統(tǒng)。

單輸入-單輸出系統(tǒng)的輸入量和輸出量各只有一個，也稱為單變量系統(tǒng)。

多輸入-多輸出系統(tǒng)的輸入量和輸出量個數(shù)多于一個，也稱為多變量系統(tǒng)。（六）集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)能用常微分方程描述的系統(tǒng)稱為集中參數(shù)系統(tǒng)。不能用常微分方程而必須用偏微分方程描述的系統(tǒng)稱為分布參數(shù)系統(tǒng)。

本課程中涉及的內(nèi)容主要是單變量、集中參數(shù)、線性、定常、連續(xù)系統(tǒng)，同時對非線性系統(tǒng)及線性離散系統(tǒng)也作必要的闡述。第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日第18頁第四節(jié)開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)控制是一種最簡單的控制方式。特點：在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用，即系統(tǒng)的輸出量對輸入量沒有影響。輸入量直接送入控制器，產(chǎn)生控制量作用于被控對象，從而改變被控制量。

實際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中，根據(jù)有無反饋作用，又可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。

一、開環(huán)控制與閉環(huán)控制的概念（－）開環(huán)控制與開環(huán)控制系統(tǒng)第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日第19頁直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)

給定電壓ug經(jīng)放大后產(chǎn)生電樞電壓ua，當(dāng)電動機(jī)勵磁電壓恒定時，改變ua可得到不同的轉(zhuǎn)速n。n與ua具有一一對應(yīng)的關(guān)系。例如當(dāng)u=ua1時，n=n1；該系統(tǒng)的信號通路不閉合，所以是開環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)有擾動引起轉(zhuǎn)速變化時，無法克服擾動造成的影響，因此ua與n之間的對應(yīng)關(guān)系是不準(zhǔn)確的。要進(jìn)行補償就必須借助人工改變輸入電壓ua。第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日第20頁（二）閉環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng)圖1-8閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖凡是系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，即輸出量對控制作用具有直接影響的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1-8所示。將檢測得到的輸出量回送到系統(tǒng)輸入端，并與輸入量進(jìn)行比較，構(gòu)成信號的反饋。輸入信號與反饋信號之差即為偏差信號，該偏差信號作用于控制器，使系統(tǒng)的輸出量趨于給定的數(shù)值，這就是閉環(huán)控制，也稱為反饋控制，其實質(zhì)就是利用負(fù)反饋來減少或消除系統(tǒng)的偏差。第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日第21頁反饋控制是一種基本的控制規(guī)律，它具有自動修正被控制量偏離給定值的作用，因而可以抑制內(nèi)部擾動及外部擾動的影響，從而達(dá)到自動控制的目的。本課程所指的自動控制系統(tǒng)即指反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)，而實際中應(yīng)用最多的是負(fù)反饋控制系統(tǒng)。在直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)中引入測速發(fā)電機(jī)，構(gòu)成一個直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1-9所示。第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日第22頁（三）開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較

閉環(huán)控制過程：1、輸出量高于給定值-〉檢測出偏差-〉控制運算-〉執(zhí)行-〉減少輸出量-〉輸出量趨于給定值；2、輸出量低于給定值-〉檢測出偏差-〉控制運算-〉執(zhí)行-〉增加輸出量-〉輸出量趨于給定值。優(yōu)點：閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較高的控制精度；不論何種原因引起被控制量的變化，都將進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以消除和減小偏差。

缺點：使用元件較多，線路比較復(fù)雜；系統(tǒng)要工作就必須有偏差存在，這是由于閉環(huán)系統(tǒng)是以偏差作為控制原因來消除偏差的，因此這類系統(tǒng)的精度也是有限的（雖然比開環(huán)系統(tǒng)的精度高出許多）；閉環(huán)系統(tǒng)不易穩(wěn)定工作；精度與穩(wěn)定性是一對矛盾。

閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了負(fù)反饋，因此對系統(tǒng)外部擾動和內(nèi)部參數(shù)的變化（內(nèi)擾動）引起的偏差能自動進(jìn)行調(diào)整?？梢圆捎镁炔惶?、成本比較低的元件來組成一個精確度較高的控制系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)沒有反饋，故沒有自動消除偏差的能力，外部擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化都將引起系統(tǒng)精度的降低。第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日第23頁從穩(wěn)定性