现代汽车电子设备控制 笔记

自动控制: 在人不直接参与的情况下，通过控制器使被控对象自动地按照预定的规律进行工作。
  一、军事、航天领域:  火炮、雷达、跟踪系统；人造卫星；宇宙飞船。
  二、工业生产过程控制:  轧钢过程；工业窑炉；车辆工程；石油化工；水泥建材；玻璃、造纸等。 

自控理论: 是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。按发展进程分为
 经典控制理论: 50年代末期60年代以前
   系统数学模型的建立
   时域分析祛
   频率特性法
   根轨迹法
   系统综合与校正
   非线性系统
   采样控制系统分析法等

  两个典型的古代自动控制系统
 
  最早的稳定性研究：
   J.C.Maxwell（麦克斯韦尔），1868年发表《论调节器》，研究调节器的微分方程，线性化处理，系统稳定性取决于微分方程的特征根是否都具有一对负的实部，
   针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，特征多项式系列应满足的条件。
  系统稳定准则：
               Hurwitz（霍尔维茨）和 E.J.Routh（劳斯）提出的劳斯-霍尔维茨稳定判据
   A.M.Lyapunov（李雅普诺夫）提出了李雅普诺夫第一法与第二法
              H.Nyquist（奈魁斯特）提出奈氏判据，
   Bode(波德）提出了对数频率特性的方法。
              二战期间，军事科学的需要大大促进了反馈控制理论的发展。美国麻省理工学院雷达实验室的科学家们将反馈放大器理论、PID（比例-积分-微分）控制以及N.Wiener（维纳）的随机过程理   论等结合在一起，形成了一整套被称为随动控制系统的设计方法。
  根轨迹方法：
               W.R.Evans（伊万斯）提出的方法和规则是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。目前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方法。
 
 现代控制理论:
              50年代末，美国的Bellman（贝尔曼）、 Kalman（卡尔曼）和前苏联的庞德里亚金等考虑
  用常微分方程作为控制系统的数学模型。
  由于数字计算机的发展，李雅普诺夫的工作被引人到控制理论中，Wiener（维纳）等人在第二次世界大战期间关于最优控制的研究被用来研究系统状态轨迹的优化问题。
  这种方法在标准形式或状态形式的常微分方程的基础上大量使用计算机。这种方法称为“现代控制理论”。
        现代控制理论的重要标志是卡尔曼的状态空间法被引入控制理论,其重要概念 能控性与可观测性,
            表征系统的结构特征
            “内部研究”代替“外部研究”。
            使分析与综合过程建立在理论基础上。
  主要分支学科： 
   线性系统理论
   最优控制理论
   系统辨识与自适应控制
   大系统理论
   特大系统理论

  分支学科还渗透到相邻学科：
   滤波技术
   自学习理论与人工智能
   建模理论与系统工程

 手动控制：观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改   变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。
 
 自动控制：在人不直接参与的情况下，利用外加设备或装置使被控对象（机器、设备、生产过程等）自动地按照预定的规律运行，使被控对象的一个或多个物理参数（温度、流量等）
  能够自动地在一定的精度范围内，按照给定的规律变化。
 
  浮子：测量作用  连杆：比较作用  放大器、伺服电动机和减速器：调节作用  阀门：执行元件作用
 当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位与水位要求值相等时为止。
       水位自动控制的目的：使偏差消除或减小，使实际水位达到要求的水位值。

自动控制系统： 为达到某目的，以相互联系与制约的各个部件按照一定规律构成具有独立功能的整体，系统。使被控对象和自动控制装置按照一定方式连接起来，完成一定自动控制任务的总体。
  给定输入（或称参考输入、希望值等）：指对系统输出量的要求值。
  系统输出量：实际的被控制量。
  扰动输入：指对系统输出量有不利影响的输入量。
  扰动输入量：影响系统输出量的外界输入。
系统方框图：
        控制系统元件作用图：清楚地表示控制系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系。
  装置：方框
        信号：带箭号的线段
        信号引出点
        比较点：信号相加点
 
自动控制系统的组成：
 被控对象和自动控制装置（有时也称为控制器）
 （1）测量元件（或测量装置）： 测量被控量的实际值或对被控量进行物理量变换的装置。
 （2）比较元件（或比较器）： 将被控量的实际值（常取负号）与被控量的要求值（常取正号）相比较，得到偏差的大小和符号。
 （3）调节元件：  通常包括放大器和校正装置。它能将偏差信号放大，并使输出控制信号与偏差信号之间具有一定的数值运算关系（也称为调节规律或控制算法）。
 （4）执行元件：  接受调节元件的输出控制信号，产生具体的控制效果，使被控制量产生预期的改变。

自动控制系统的工作原理：
       当被控量偏离给定值（通常是给定值变化或因扰动而引起）时，测量元件测得被控量的值，并经物理量变换后由比较元件将其与给定值比较得出偏差，调节元件根据偏差的大小进行运算和调节，
 将输出的控制信号送到执行器产生具体的控制作用。这一控制作用使被控量恢复或趋近于给定值，从而消除或减少偏差。通过测量、比较得到偏差，由偏差信号产生控制作用，
 最终使偏差消除或减少的原理称为负反馈原理。 
        自动控制系统的主要特点是：
  （1）从信号的传送来看，采用的是负反馈原理；
  （2）从控制作用的产生来看，是由偏差产生的；
           这种由偏差产生的控制作用称为偏差控制。具有上述两个特点的自动控制系统称为反馈控制系统、闭环控制系统或偏差控制系统。这一类系统的工作原理称为反馈控制原理。

自动控制系统分类：
 开环控制系统与闭环控制系统：信号传送的结构特点。
 随动系统与自动调整系统：
        随动系统： 伺服系统。特点：给定值是预先未知的、随时间任意变化，要求系统被控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。
        自动调整系统： 恒值控制系统、定值调节系统或自动镇定系统。特点：系统输入量（即给定值）不变，但由于扰动使被控量偏离要求值，该系统能根据偏差产生控制作用，使被控量恢复到要求值，   并以一定的准确度保持在要求值附近。
 线性系统和非线性系统：
        线性系统： 组成系统的元器件的静态特性为直线，能用线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性。
    本课程研究线性定常系统（或称为线性时不变系统、自治系统）。
  非线性系统： 组成系统的元器件中有一个以上具有非直线的静态特性的系统。非线性系统还可分为非线性时变系统与非线性定常系统。            
          严格地说，实际上不存在线性系统，因为各种实际的物理系统总是具有不同程度的非线性，但只要非线性不严重，在一定范围内能用线性系统的理论和方法对待的系统都视为线性系统。
 连续系统与离散系统：
  连续系统： 各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统。
  离散系统： 某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。
 单入单出系统与多入多出系统：
  单输入-单输出系统的输入量和输出量各只有一个，也称为单变量系统。
  多输入-多输出系统的输入量和输出量个数多于一个，也称为多变量系统。
 确定系统与不确定系统：
  确定系统：    系统的结构和参数是确定的、预先可知的，系统的输入信号（包括给定输入和扰动）也是确定的，可用解析式或图表确切地表示。
  不确定系统：  系统本身的结构和参数不确定或作用于系统的输入信号不确定时。 
 集中参数系统和分布参数系统
  能用常微分方程描述的系统称为集中参数系统。
  不能用常微分方程而必须用偏微分方程描述的系统称为分布参数系统。
 本课程中涉及的内容主要是单变量、集中参数、线性、定常、连续系统，同时对非线性系统及线性离散系统也作必要的阐述。

开环控制与开环控制系统:
 开环控制是一种最简单的控制方式。特点是在控制器与被控对象之间只有正向控制而没有反馈控制，系统的输出量对输入量没有影响。输入量直接送入控制器，产生控制量作用于被控对象，从而改变被控制量。
 
 直流电动机转速开环控制系统：
  给定电压ug经放大后产生电枢电压ua，当电动机励磁电压恒定时，改变ua可得到不同的转速n。n与ua具有一一对应的关系。例如当u=ua1时，n=n1；该系统的信号通路不闭合，所以是开环系统。当有扰动  引起转速变化时，无法克服扰动造成的影响，因此ua与n之间的对应关系是不准确的。要进行补偿就必须借助人工改变输入电压ua。
 

闭环控制与闭环控制系统：
        凡是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，即输出量对控制作用具有直接影响的系统称为闭环控制系统。
将检测得到的输出量回送到系统输入端，并与输入量进行比较，构成信号的反馈。输入信号与反馈信号之差即为偏差信号，该偏差信号作用于控制器，使系统的输出量趋于给定的数值，这就是闭环控制，也称为反馈控制，其实质就是利用负反馈来减少或消除系统的偏差。
 
        反馈控制是一种基本的控制规律，它具有自动修正被控制量偏离给定值的作用，因而可以抑制内部扰动及外部扰动的影响，从而达到自动控制的目的。
 
 闭环控制过程： 1、输出量高于给定值-〉检测出偏差-〉控制运算-〉执行 -〉减少输出量-〉输出量趋于给定值；
   2、输出量低于给定值-〉检测出偏差-〉控制运算-〉执行 -〉增加输出量-〉输出量趋于给定值。
  优点：闭环控制系统具有较高的控制精度；不论何种原因引起被控制量的变化，都将进行自动调节，以消除和减小偏差。
        缺点：使用元件较多，线路比较复杂；系统要工作就必须有偏差存在，这是由于闭环系统是以偏差作为控制原因来消除偏差的，因此这类系统的精度也是有限的（虽然比开环系统的精度高出许多）；
        闭环系统不易稳定工作；精度与稳定性是一对矛盾。

开环控制系统与闭环控制系统的比较：
        闭环控制系统的优点是采用了负反馈，因此对系统外部扰动和内部参数的变化（内扰动）引起的偏差能自动进行调整。可以采用精度不太高、成本比较低的元件来组成一个精确度较高的控制系统。
        开环系统没有反馈，故没有自动消除偏差的能力，外部扰动和系统内部参数的变化都将引起系统精度的降低。
        从稳定性的角度看，开环系统结构简单，系统总能稳定地工作。而闭环系统的稳定性始终是一个重要问题，如果参数选择不当，将使系统发生振荡或发散，失去对被控量的控制。

采用开环控制和闭环控制的原则：
 如果系统的输入量预先知道，并且不存在外部扰动，采用开环控制，如果存在无法预计的扰动，或系统中元器件参数不稳定，则采用闭环控制
       当对整个系统的性能要求较高时，为了解决闭环控制精度和稳定性之间的矛盾，往往将开环系统和闭环系统的功能结合在一起，即采用复合控制系统。

自动控制系统举例：
（－）恒温箱控制系统
 
 

（二）机床工作台位置控制系统
 

自动控制理论与自动控制系统需要研究的问题密切联系。
要研究的问题有两个方面:
（－）自动控制系统的分析:
  ①稳定性分析:     给出判断系统稳定性的基本方法，并阐述系统的稳定性与系统结构（或称控制规律）及系统参数间的关系。
  ②稳态特性分析:    表征了系统实际稳态值与希望稳态值之间的差值，即稳态误差，表征了控制系统的控制精度。给出计算系统稳态误差的方法，指出系统结构和参数对稳        态特性的影响。
  ③动态特性（暂态特性或瞬态特性）分析:     系统的输入一定时，一般将由初始稳态向终止稳态过渡。初始稳态与终止稳态之间的过渡过程称为系统的动态过程（或瞬态过程、暂态过程）。
        分析系统结构、参数与动态特性的关系，并给出计算系统动态性能指标的方法和讨论改善系统动态性能的途径。
（二）自动控制系统的设计与综合:
 设计一个系统比分析一个系统要复杂得多，要有控制理论的知识，并对控制元件、控制规律都要十分熟悉，还要将理论与实际问题结合起来。
 本课程的一个重要内容是讨论当控制系统的主要元器件和结构形式确定以后，为满足动态性能指标和稳态性能指标的要求，需要改变系统的某些参数或附加某种装置的方法。这种方法称为控制系统的校正。
 改变系统参数或附加校正装置的过程称为系统的综合。

自动控制理论的主要内容:   
 在阐述自动控制与自动控制系统相关基本概念的基础上，从控制系统的数学模型入手，分别介绍时域分析法、频率特性分析法，根轨迹分析法。围绕着系统稳定性、稳态特性和动态特性进行分析。
 掌握上述基本分析方法后，将进行系统校正与综合的讨论，这是比系统分析更深层次的内容，主要介绍根轨迹法和频率特性法校正与系统综合的原理与思路。  
 此外，还要介绍针对非线性系统的描述函数法和相平面分析法。
 最后还要学习线性离散控制系统的基本分析方法。

本章小节:     
 介绍了自动控制理论的应用领域、发展过程和分类。通过一些控制系统实例讨论了手动控制、自动控制、自动控制系统的工作原理、方框图、系统分类等相关基本概念。
本章重点:
      要求掌握手动控制与自动控制、自动控制系统及其工作原理与组成、方框图、开环控制与闭环控制、系统输入量与输出量的相关基本概念。