经典控制理论与汽车控制ppt课件.ppt
第六章 经典控制理论与汽车控制,6.1 系统校正分类6.2 模拟PID控制6.3 数字PID控制6.4 PID调节器参数选择6.5 汽车巡航控制,（1）系统校正 在系统中增加一些元件和装置，以使系统达到所要求的性能指标 按照校正装置在系统中的连接方式，控制系统的校正方式有四种，即串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正. 串联校正：一般接在系统误差测量点之后和放大器之前，串联接于系统前向通道之中。 反馈校正：接在系统局部反馈通路中,6.1系统校正分类,3,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。,4,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。,反馈矫正,模拟PID控制系统原理框图,6.2 模拟PID控制,PID控制原理,PID是一种线性控制器，它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制方案：PID的控制规律为:,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。,PID控制原理,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Kp60，Ki1，Kd3，输入指令为 其中，A1.0，f0.20Hz 被控对象模型选定为：,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,连续系统的基本PID仿真,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。,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,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：,6.3 离散PID控制,可得离散表达式：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。,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。,试凑法确定PID调节参数 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,6.4 PID调节器参数选择, 在凑试时，可参考以上参数分析控制过程的影响趋势，对参数进行先比例，后积分，再微分的整定步骤，步骤如下： 整定比例部分 如果仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到设计要求时，则需加入积分环节 若使用比例积分器，能消除静差，但动态过程经反复调整后仍达不到要求，这时可加入微分环节, 常见被控量的PID参数经验选择范围,阶跃曲线法 整定数字控制器参数的步骤： 数字控制器不接入控制系统，系统开环，并处于手动状态，再手动给对象输入阶跃信号 纪录系统对阶跃信号的响应曲线 根据曲线求得滞后时间 、被控对象的时间常数T ，它们的比值T / ，并控制度(描述对象特征的主参：放大倍数K、滞后时间、时间常数),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： 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,在响应曲线拐点处（斜率最大）处作一切线，求滞后时间和被控对象的时间常数T,确定的连续调节器, 根据选定的控制度，查表求得T、Kp、TI、TD的值/u0=1,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,应用事例,阶跃响应曲线测试Uo=0.3y=50T=1170=70加热炉模型y =UoG(0) =Kc=167T=1170=70连续PID参数K=0.12Ti=140sTd=29.4s,应用事例,Matlab仿真,应用事例,Matlab仿真结果分析.K=0.12Ti=140sTd=29.4s,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,发动机转速变化,设定期望车速,电控单元ECU,匀速,二. 汽车巡航控制系统的分类,1. 定速巡航,减轻驾驶疲劳车速稳定，节省燃油，降低排放,2.自适应巡航,减轻驾驶疲劳提高驾驶安全,3. 走-停巡航,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,三. 汽车巡航控制系统的组成,控制器,节气门执行器,发动机及底盘,节气门控制信号,节气门开度调节,期望车速,实际车速,汽车巡航控制系统组成与原理图,四. 汽车巡航控制系统的控制器设计,车速偏差：,节气门控制信号：,对偏差信号的比例运算(P)与积分运算(I)求和，作为控制器输出,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,四. 汽车巡航控制系统的控制器设计,期望速度,PI控制模块,汽车纵向动力学模型,Scope1：期望车速,Scope2：车速对比,
