闭环控制中的信息时序

交互时序图

在以目标前轮转角作为横向控制接口的自动驾驶系统中，路径跟踪算法给出的转角指令并不会立即变成实际前轮转角。控制器首先读取车辆状态和当前转角反馈，在离散时刻计算新的目标转角；指令经过软件链路、车辆接口和车载通信到达下层转向控制器，再由电机、传动机构和转向机械产生实际转角。新的转角测量随后沿反馈链路返回上层控制器，闭环才得以继续。

下图以三组周期事件形象展示上述链路：

• 反馈生成表示转角传感器、状态估计器或车辆接口产生一条新转角反馈的时刻。
• 决策更新表示上层运动控制路径跟踪算法读取当时可用的输入并计算新控制量的时刻。
• 指令执行是对下层转向控制器离散执行上层控制指令的时刻；它不表示电机和前轮在该时刻已经完整完成物理响应。

圆形标记表示周期事件，三角形表示反馈或指令在目标一侧变为可用的时刻，斜虚线连接同一条信息的来源和到达时刻；只有来源与到达点同时位于可视范围内时才绘制连接线。实心三角形表示下一次对应的决策或执行发生时，该信息仍是最新可用的一条；空心三角形表示在下一次事件发生前已经有更新的信息到达。

对于决策指令链路，决策更新行的每个圆点表示一条新控制指令的生成时刻；指令经过传输延迟到达电机控制器，其到达时刻由指令执行上方的三角形表示。实心三角形表示在紧随其后的下一次指令执行触发时，该指令仍是已经到达的指令中最新的一条；空心三角形表示在该次执行触发之前，还会有生成时间更晚的指令到达，因此它届时不再是最新可用的指令。

相应地，对于反馈链路，反馈生成行的每个圆点表示一条新转角反馈的生成时刻；反馈经过反馈延迟到达上层运动控制算法，其到达时刻由决策更新下方的三角形表示。实心三角形表示在紧随其后的下一次决策更新触发时，该反馈仍是已经到达的反馈中最新的一条；空心三角形表示在该次决策更新触发之前，还会有生成时间更晚的反馈到达，因此它届时不再是最新可用的反馈。

使用说明

• 拖动当前决策圆点，可以移动当前决策时刻所处位置；拖动其他决策圆点，可以调整决策更新周期。
• 在反馈生成和指令执行两行中，拖动最左侧圆点会平移整组事件；拖动其他圆点会调整该组周期。
• 拖动反馈可用或指令可用三角形，可以调整对应链路的固定传播延迟。
• 同步反馈生成与指令执行会令两组事件强制共享周期和相位，这代表电机控制器在同一个指令周期内完成指令执行和状态反馈。

分析

对于运动控制路径跟踪算法，通常可以把电机控制器及其执行机构视为一个整体，建立从目标前轮转角到实际前轮转角的等效模型，而不在上层算法中展开电机控制器和机械执行机构的内部过程。这种整体化处理并不意味着可以忽略内部过程；理解下层控制器如何处理指令、执行机构如何产生实际转角以及反馈如何形成，有助于在建立等效模型时更准确地处理这些细节，并明确模型的适用边界。

对上层运动控制器而言，闭环通信延迟包含图中的反馈延迟和传输延迟。因此，控制器在当前决策时刻能够使用的是过去生成的状态反馈，而当前计算的控制指令要到之后某个时刻才具备执行条件。最新反馈所对应的时刻与新指令最早能够作用于下层执行的时刻之间，形成一段尚未被新反馈覆盖的状态演化区间。

系统辨识在这里用于根据输入输出数据建立从控制指令到实际转角的动态响应模型。在线运行时，再结合该模型、最近一次反馈以及此后实际下发的历史指令，推算尚未被新反馈覆盖的状态演化。随着决策周期推进，可利用新的观测校正此前的推算结果，再从更新后的状态估计继续向后推算。这里的反馈用于更新或约束状态估计，并不表示它能够直接确认系统的真实状态。

与真实系统的区别

延迟被视作为固定常数

真实系统中的通信延迟受物理传输链路影响，可能出现抖动；不同层级固有周期之间的相位差，也可能产生额外的时间差。在进行系统辨识时，多次实验得到的结果也是会产生差异。

电机控制器对控制指令的处理更加复杂

图中把一次“指令执行”表示为单个离散事件。真实电机控制器通常还包含位置环、速度环以及电流环或转矩环等不同时间尺度的内部闭环。上层指令到达后，也可能先经过时间戳检查、队列缓存、覆盖或有效性判断；为解耦较慢的上层指令周期与更快的内部伺服周期，下层还可以对相邻目标值进行插补或平滑。因此，图中的三角形只表示指令已经到达，圆点只表示一次下层更新边界；二者不能单独确定某条指令最终以何种轨迹进入内部控制回路。

实际执行机构的固有特性

即使指令的生成、传输和执行时刻完全确定，实际前轮转角也不会在执行触发时瞬间等于目标值。电机、减速机构和转向机械可能存在死区、零位偏置、摩擦与迟滞，并受到转角范围、转角速率、驱动能力和外部负载等约束；这些因素还可能随工况变化，使等效转向动态呈现非线性或时变特征。