專利名稱：確定控制系統(tǒng)控制參數(shù)的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及系統(tǒng)機器或過程的控制。具體地說，本發(fā)明涉及確定調整系統(tǒng)的控制器的控制參數(shù)，并獲得可接受的閉環(huán)控制。
背景技術：
控制系統(tǒng)用于廣泛的領域，如工業(yè)過程，環(huán)境系統(tǒng)，電子系統(tǒng)，機械系統(tǒng)和任何其它輸出表示測量的變量的系統(tǒng)，處理用戶規(guī)定的希望的輸出，產(chǎn)生控制改變系統(tǒng)的設備的信號。例如，眾所周知的振動系統(tǒng)適用于負載和/或運動以測試樣本。振動系統(tǒng)廣泛的用于性能評估，耐久力測試，和各種其它的用途，因為它們在產(chǎn)品研發(fā)中是高效的。例如，在汽車，摩托車等的研發(fā)中，機動車或其子結構進行模擬運行條件，如道路或試車跑道的實驗室環(huán)境的影響是十分普遍的。
為了研發(fā)能用于振動系統(tǒng)重新產(chǎn)生運行環(huán)境的驅動信號，在實驗室中的物理模擬包括眾所周知的數(shù)據(jù)采集和分析的方法。此方法包括將具有“遠程”傳感器的機動車裝備到操作環(huán)境的物理輸入端口。通常的遠程傳感器包括但不限于應變儀，加速計和位移傳感器，它們隱含地規(guī)定感興趣的運行環(huán)境。然后在運行環(huán)境中驅動機動車，同時記錄遠程傳感器的響應(內部的負載和/或運動)。在模擬安裝在振動系統(tǒng)中的機動車時，驅動振動系統(tǒng)的調節(jié)器，以便重新產(chǎn)生記錄的遠程傳感器對在實驗室中機動車的響應。
然而，在能出現(xiàn)模擬試驗前，必須調整控制系統(tǒng)。調整是建立控制器的內部邏輯，電路系統(tǒng)和/或變量的過程，以便控制器的輸出信號產(chǎn)生給定的控制器的反饋要求的效果。
通常，可以組織或定義整個系統(tǒng)為有兩個主要部件，即，“控制器”和“設備”。在閉環(huán)控制的運行中，控制器接收輸入或其它與設備期望的運行有關的存儲信息。控制器給設備提供制動信號，并從那里接收反饋信號，包括如上面討論的，與設備期望的響應和/或認為得到設備期望的響應必須的中間反饋信號有關的遠程傳感器。設備包括不是控制器部分的所有部件。用上面討論的振動系統(tǒng)作為例子，設備或物理系統(tǒng)包括伺服閥，其接收來自控制器的制動信號，同時使用控制器操作直動器對試驗樣本施以力或運動。設備也包括調節(jié)器和試驗樣本以及試驗樣本本身和所用傳感器(中間的和/或遠程的)之間的任何必須的聯(lián)接，以便向控制器提供反饋信號。
直到完成可接受的閉環(huán)控制前，控制系統(tǒng)的試運轉通常由構建合適結構的控制器、連接控制器到要控制的設備、激勵系統(tǒng)而同時調整控制參數(shù)(調整系統(tǒng))來完成。在單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)的情況中，調整過程要求有相當?shù)募夹g水平，并常常是十分冗長乏味的，在有高度交叉耦合的多路輸入多路輸出(MIMO)系統(tǒng)的情況中，調整是不可抗拒的。
因此，需要改進調整控制系統(tǒng)的方法。容易使用和要求最小實際設備操作的方法和系統(tǒng)是非常有用的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種確定控制系統(tǒng)的控制參數(shù)的方法。
為實現(xiàn)上述目的，確定控制系統(tǒng)的控制參數(shù)的方法包括控制器和設備，其中，建立設備模型和控制器模型，并計算閉環(huán)系統(tǒng)的性能指數(shù)作為控制器參數(shù)的函數(shù)，提供選擇的穩(wěn)定性邊緣。


圖1是實踐本發(fā)明示例環(huán)境的框圖；圖2是實現(xiàn)本發(fā)明的計算機；圖3是說明圖1環(huán)境的閉環(huán)控制系統(tǒng)的部件的框圖；圖4是說明本發(fā)明的調整裝配和其它方面的框圖；圖5是z-平面輪廓；圖6是s-平面輪廓；圖7是建立設備模型的方法的流程圖；圖8是脈沖響應函數(shù)和錐形函數(shù)圖；圖9是單通道的二維尼奎斯特圖；
圖10和圖11是三維尼奎斯特圖；圖12是多通道的幅度對頻率的圖；圖13是調整過程的流程圖；圖14是計算性能指數(shù)的流程圖；圖15是說明有多設備配置的調整裝配的框圖；圖16是說明圖1環(huán)境的閉環(huán)控制系統(tǒng)的第二種形式的部件的框圖；圖17是說明級聯(lián)控制環(huán)的框圖。
具體實施例方式
圖1說明設備或物理系統(tǒng)10。在實施例中，物理系統(tǒng)10一般包括具有伺服控制器14和調節(jié)器15的振動系統(tǒng)13。在圖1的原理性說明中，調節(jié)器15表示一個或多個調節(jié)器，它通過適當?shù)臋C械接口16連接到試驗樣本18。伺服控制器14提供調節(jié)器命令信號19到伺服閥25操作調節(jié)器15，同時激勵試驗樣本18。從調節(jié)器15，或從其它傳感器提供適當?shù)姆答?5A到伺服控制器14。在試驗樣本18上的一個或多個遠程傳感器20，如位移傳感器，應變儀，加速計等，提供測量的或實際的響應21。當輸入到伺服控制器14時，物理系統(tǒng)控制器23接收實際的響應21作為響應驅動17的反饋信號。在圖1的說明中，信號17是參考信號，信號19是操作的變量(對調節(jié)的設備的命令)，信號15A是反饋變量。也在圖3中說明此關系。雖然在圖1中說明單通道的情況，有包括N反饋分量的信號15A和包括M操作的可變分量的信號19的多通道的實施例是典型的，并認為是本發(fā)明的另一實施例。
雖然這里描述的環(huán)境包括振動系統(tǒng)13，下面描述的本發(fā)明的特征能用于其它設備。例如，在制造過程中，設備包括制造機器(例如，成型設備，構成機器等)，操作變量信號19提供對機器的命令信號，反饋信號15A包括設備的手動或和自動測量的參數(shù)。其它例子包括設備是處理設備的煉油廠，反饋信號15A包括關于它的運行的中間或最后參數(shù)。
圖2和相關的討論提供能實現(xiàn)本發(fā)明的適當?shù)挠嬎悱h(huán)境的簡要的描述。雖然不是必需的，至少部分的描述伺服控制器14，在計算機可執(zhí)行指令的一般內容中，如由計算機30執(zhí)行的程序模塊。一般來說，程序模塊包括執(zhí)行特殊任務或實現(xiàn)特殊抽象數(shù)據(jù)類型的常規(guī)程序，對象，組件，數(shù)據(jù)結構等。下面用框圖和流程圖說明程序模塊。本領域技術人員能對存儲在計算機可讀介質中的計算機可執(zhí)行指令實現(xiàn)框圖和流程圖。而且，本領域技術人員清楚，可用其它計算機系統(tǒng)配置實現(xiàn)本發(fā)明，包括多處理器系統(tǒng)，網(wǎng)絡的個人計算機，小型計算機，主體計算機等。本發(fā)明也可在由通過通訊網(wǎng)絡連接的遠程處理設備執(zhí)行任務的分布式計算機環(huán)境中實現(xiàn)。在分布式計算機環(huán)境中，程序模塊可位于本地的或遠程的存儲設備中。
在圖2中說明的計算機30包括常規(guī)的個人或桌上計算機，該計算機包括中央處理器(CPU)32，和系統(tǒng)總線36，該總線36連接包括存儲器34的各種系統(tǒng)部件到CPU32。系統(tǒng)總線36可以是總線結構的幾種類型中的任何一個，包括存儲器總線或存儲器控制器，外圍的總線和用總線結構變化的任何一種的本地總線。存儲器34包括只讀存儲器(ROM)和隨機存儲器(RAM)。如在啟動時，幫助在計算機30中的元件之間傳輸信息的包含基本常規(guī)程序的基本輸入/輸出(BIOS)存儲在ROM中。存儲設備38，如硬盤軟盤驅動器，光盤驅動器等連接到系統(tǒng)總線36，并用于程序和數(shù)據(jù)的存儲。本領域技術人員知道計算機可存取的其它類型的計算機可讀介質，如盒式磁帶，閃存卡，數(shù)字化視頻光盤，隨機存儲器等也可用作存儲設備。通常，程序伴隨或不伴隨數(shù)據(jù)從至少存儲設備38之一裝載到存儲器34。
如鍵盤，指示設備(鼠標)的輸入設備40允許用戶提供對計算機30的命令。監(jiān)視器42或其它類型的輸出設備還通過適當?shù)慕涌谶B接到系統(tǒng)總線36，并對用戶提供反饋。提供參考信號17作為對通過通訊連接如調制解調器，或通過存儲設備38的可移動介質的計算機30的輸入?；谟捎嬎銠C執(zhí)行的程序模塊，提供操作變量信號19到圖1的設備，并通過適當?shù)慕涌?4，計算機30連接到振動系統(tǒng)13。接口44也接收反饋信號15A。然而，伺服控制器14也可包括有或沒有眾所周知的數(shù)字管理的模擬控制器。依賴于伺服控制器14的性能，可連續(xù)的提供驅動17或存儲在伺服控制器14中?？刂破?3和14的功能可結合為一個計算機系統(tǒng)。在另一計算環(huán)境中，控制器14是在另一個計算機的網(wǎng)絡總線上可操作的單板機，該單板機可以是控制器23或其它管理計算機。通常確定圖2的原理圖代表這些和其它合適的計算環(huán)境。
雖然下面描述關于試驗機動車，應該了解下面討論的本發(fā)明不限于僅僅試驗機動車，而能用于其它處理、試驗樣本、子結構或部件的類型。
圖4說明伺服控制器14和連同調整或優(yōu)化部件60的設備10。通常，調整部件60基于用戶的約束，確定伺服控制器14的控制參數(shù)或變量。例如，控制參數(shù)包括一個或多個通常用于閉環(huán)控制結構的值，在設備10實際運行時，產(chǎn)生部分基于反饋15A的信號19。然而，調整部件60能確定離線的沒有設備10的重復運行的控制參數(shù)，因此，節(jié)約了時間和最小化對設備10的磨損或損壞。
通常，為了評估性能指數(shù)作為控制器參數(shù)設置和用戶約束的函數(shù)，在一個實施例中，調整部件60使用在頻域中的系統(tǒng)控制器14的模型64和設備10的模型70。使用優(yōu)化算法如Nelder-Mead，性能指數(shù)的優(yōu)化產(chǎn)生伺服控制器14的控制器參數(shù)的最好或優(yōu)化的設置。這里使用的“最好”或“優(yōu)化”涉及由給定用戶約束的調整部件60已確定的那些控制器參數(shù)的值。如本領域技術人員知道的一樣，由用戶對確定控制器參數(shù)作可能的進一步手動調整，產(chǎn)生系統(tǒng)性能的進一步改善。然而，由調整部件60提供的確定的控制器參數(shù)可以取得基于用戶約束的期望的系統(tǒng)性能，因此，被認為“最好”或“優(yōu)化”。
調整部件60包括優(yōu)化模塊62和性能計算器63。性能計算器63使用系統(tǒng)控制器14的模型64和設備10的模型70。在進一步描述性能計算器63和優(yōu)化模塊62的運行前，描述伺服控制器模型64和設備模型70的結構是有幫助的。
如上面描述的，伺服控制器14可包含在數(shù)字計算機中，如在圖2中說明的計算機30。在許多情況中，包含控制結構為模塊或實現(xiàn)控制功能的儀器，如加法器，減法器，積分器，差分和濾波，只是提及很少。用模塊或儀器計算信號19，如果需要，通過眾所周知的數(shù)字到模擬變換器變換為模擬值。同樣的，如果提供模擬形式，參考信號17和反饋信號15A能通過適當?shù)哪M到數(shù)字變換器變換為數(shù)字值。然后由定義控制結構的模塊使用參考信號17和反饋信號15A的數(shù)字值。
然后很好的定義伺服控制器14的控制結構。在頻域中構建伺服控制器14結構的數(shù)學表示或模型是眾所周知的。為了說明，簡單的例子控制器結構可以是Gc＝Km*(Kp+Kd*(z-1)/Tz+Kdd*((z-1)/Tz)^2)，其中Km是標量，Kp，Kd，Kdd是長度等于要控制的通道數(shù)的矢量。此形式是對如伺服-水壓系統(tǒng)的集成設備的情況。通常，結構包括用根據(jù)圖5的圖的z離散值替代各控制器分量。在一個實施例中，沿四分之一圓周81的線性間隔和沿單位圓周83的對數(shù)間隔實現(xiàn)有最小數(shù)據(jù)點數(shù)的精確模型。也應該注意到此模型的形式涉及變換函數(shù)(TF)。復數(shù)值的矢量成為相應控制器元件的頻域表示。此模型也排列在通常矢量沿矩陣對角線安排的矩陣中，但不排除其它的形式。
應該注意到，如果伺服控制器14由模擬部件構成，伺服控制器模型64由用根據(jù)圖6的圖的離散值s替代各控制器分量形成。為此簡單的說明的控制器結構是Gc＝Km*(Kp+Kd*s+Kdd*s^2)，其中Km，Kp，Kdh和Kdd是如上面所述的。此形式是對如伺服-水壓系統(tǒng)的集成設備的情況。為了最小化數(shù)據(jù)點數(shù)，可使用在s平面中沿四分之一圓周85的線性間隔和沿虛數(shù)軸87的對數(shù)間隔。對隨后的計算基于s或z輪廓的模型可能是更加有效的(數(shù)據(jù)量少10倍)，同等重要的是從此數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性分析起源于復數(shù)分析的基本原理。此近似直接使用FRF表示的簡化，在一些狀況中是有益的。必須適應的實際控制器結構典型的是很復雜的，但替代z和s輪廓的方法是同樣的。
在第一實施例中，用圖7的方法80由模型建立模塊74從經(jīng)驗數(shù)據(jù)可以獲得設備模型70。從步驟82開始，運行圖1的伺服控制器14產(chǎn)生操作變量信號19作為有寬譜內容的驅動17的函數(shù)。例如，驅動17可包括瞬變過程，和/或有隨機相位的重復的周期信號。形成驅動17的適當?shù)姆椒ㄔ诿绹鴮＠?385564中有描述，合并在此作為參考。在設備10運行期間，記錄操作變量信號19和相應的反饋信號15，這在圖4的84原理性的說明。
在步驟86，從記錄的操作變量信號19和記錄的反饋信號15A計算FRF(頻率響應函數(shù))。在步驟88計算FRF的逆變換獲得脈沖響應函數(shù)。應該注意到在存儲器84中收集的數(shù)據(jù)的基本屬性提供設備10的有足夠保真度和可信度的一個動態(tài)估計。此外，存儲器84表示收集的這些數(shù)據(jù)，實際存儲或實時的使用。因此，依賴于執(zhí)行調整部件60和/或控制器14的計算機的能力，“在線”(當設備10正運行時)或設備10還沒有運行的“離線”確定控制參數(shù)是可能的。
為了降低在信號中可能存在的噪聲，在步驟89，逆響應函數(shù)可以是錐形的，以提高模型的保真度。圖8說明在90的脈沖響應函數(shù)的表示。錐形函數(shù)92可作用于脈沖函數(shù)90，去除稱為噪聲的內容。根據(jù)噪聲，衰減等，系統(tǒng)的特征，除了表示被截的實際可實現(xiàn)的元素的傅立葉變換，可以調整錐形函數(shù)92的特性(即錐形的周期和形狀)。
在步驟96，執(zhí)行沿著復數(shù)z域輪廓(圖5)，或復數(shù)s域輪廓(圖6)的離散值脈沖響應函數(shù)(可能的，錐形)的正向變換，因此產(chǎn)生與上面描述的伺服控制器模型64一致的頻域模型70。此過程最小化數(shù)據(jù)點數(shù)并產(chǎn)生與伺服控制器模型64一致的模型。
在步驟98，為了容易解釋在下面討論的優(yōu)化時使用的值，可以歸一化頻域模型70的元素。例如，表示位移的反饋的元素可歸一化為相應于在低頻的l/s。在步驟100，存儲設備模型70和歸一化因數(shù)。
在適當?shù)挠嬎銠C上實現(xiàn)調整部件60，例如，上面討論的計算機30。通常，如上面討論的，為了估計性能指數(shù)為控制器參數(shù)設置和用戶約束的函數(shù)，調整部件60使用在頻域上的系統(tǒng)控制器14的模型和設備10的模型。用優(yōu)化算法如Nelder-Mead優(yōu)化性能指數(shù)產(chǎn)生伺服控制器14的控制器參數(shù)的最好的設置。
在詳細討論由調整部件60執(zhí)行的運行前，簡要的回顧多變量控制理論是有幫助的。
確定在圖3中說明的所有術語，可以計算閉環(huán)(c1)頻率響應如下Gcl＝[I+Km*H*Gp*Gc]-1*Km*Gp*Gc (1)從此關系可以看到，如果元件是穩(wěn)定的(沒有“rhp”(右半平面)極點)，因此，在閉環(huán)解決方案中的任何rhp極點從逆運算產(chǎn)生。如果逆表示為伴隨矩陣/行列式，可以看到從方程的rhp根產(chǎn)生任何rhp極點。
行列式([I+Km*H*Gp*Gc])＝0 (2)因此，分析行列式可以確定穩(wěn)定性，在此情況中表示為復數(shù)頻率的標量值函數(shù)。
因此行列式的尼奎斯特圖可用于確定穩(wěn)定性(注意，在此情況中原點的周圍)。然而，這不產(chǎn)生穩(wěn)定性邊緣的測量。建立穩(wěn)定性邊緣的方法是使用Schur分解來分解項H*Gp*Gc(有Km因數(shù)的開環(huán))，獲得行列式(U*[I+Km*GHt]*U′)＝0 (3)其中，GHt是頻率函數(shù)的三角形矩陣，U是函數(shù)的酉矩陣，“′”表示共軛變換。
因為乘積的行列式是行列式的乘積，對角線矩陣的行列式是對角線的乘積，結果是行列式([I+Km*GHd])＝0(4)其中GHd包含GHt的對角線元素(本征函數(shù))。
寫作為(I+Km*GHd(1))*(I+Km*GHd(2))*…＝0(5)可以看到乘積最接近零的項(Km*GHd(i)最接近負的一個)確定穩(wěn)定性邊緣。也應看到所有Km*GHd(i)項的圖隨Km線性增長。
如上面指出的，調整部件60部分的基于在圖4框圖的101說明的用戶約束優(yōu)化控制器參數(shù)。通常，用戶約束可包括獨立變量約束，即，控制器的參數(shù)和對系統(tǒng)性能的約束(即，穩(wěn)定性邊緣和閉環(huán)頻率響應的尖峰)。
圖9說明分析穩(wěn)定性邊緣的常規(guī)表示。在此例子中，“-1，0”附近的圓圈102表示用戶約束的穩(wěn)定性邊緣的邊界。此形狀是用戶可調整的。雖然顯示常數(shù)半徑，可以使用其它形狀的穩(wěn)定性邊緣邊界限制。在此例子中，畫出單通道的本征值軌跡。
在另一實施例中，三維的畫出三維頻率的尼奎斯特穩(wěn)定性，說明穩(wěn)定性邊緣為管或柱104，這里有中心在“-1，0”的常數(shù)半徑。圖10是此說明的例子。
應該注意到圖10說明多通道例子。用此說明的形式，用戶能容易的確定影響穩(wěn)定性的重要頻率如畫出本征值軌跡所看到的。
在另一實施例中，可允許穩(wěn)定性邊緣邊界限制變化為頻率的函數(shù)。圖11說明穩(wěn)定性邊緣邊界(這里有中心在實數(shù)-虛數(shù)平面上變化位置的不同半徑的部分的管106)，允許在更大的不確定區(qū)域，如在更高的頻率增加的穩(wěn)定性邊緣。如本領域人員所了解的，可以按要求改變圖10和11的三維透視圖的觀測，允許容易看到關于穩(wěn)定性邊緣的軌跡。雖然可以調整穩(wěn)定性邊緣的邊界106的形狀，但可由用戶存儲和選擇預先確定的形狀。
如上面討論的，除了計算穩(wěn)定性，其它可能的系統(tǒng)性能用戶約束可包括頻域尖峰。圖12圖示的說明整個頻譜上的絕對的上限108。圖12也說明是用戶可選擇的“調整帶寬”110。調整帶寬確定了閉環(huán)性能的主要感興趣的頻率區(qū)域。
參考調整部件60，調整步驟一般在圖13的130說明，在步驟132，獲得如上面討論的控制器模型64和設備模型70。
在步驟133，用戶能選擇調整或優(yōu)化的所有通道或其子集(操作的變量和反饋響應)。在許多系統(tǒng)環(huán)境中，在通道之間的交叉耦合對一些通道比其它通道可能是更普遍的。例如，在背景技術部分討論的道路模擬器中，負載和運動可作用于從連接到各機動車主軸的負載部件分離的各種機動車主軸。各負載部件包括運行施加關于軸的正交系，通常相當于主軸的一個軸的力和運動的分離的調節(jié)器和聯(lián)接器。各負載部件包括一組控制調節(jié)器的伺服值的操作變量信號和一組相當?shù)姆答佇盘枴Ｈ绻鳈C動車主軸包括負載部件，因此對伺服控制器提供四組通道(操作變量信號和反饋信號)。然而，一些負載部件組之間，或甚至在任何一個負載部件中的一些通道之間的交叉耦合可以是最小的。例如，通常在機動車前和后主軸負載部件之間的交叉耦合是低的。
步驟133允許用戶選擇調整或優(yōu)化那一個通道(子集或所有的)。在此方式中，如果愿意，用戶可以各自選擇要優(yōu)化的信號輸入和信號輸出通道。通常，優(yōu)化大量通道的子集或部分設備比立刻優(yōu)化整個設備更快。在處理子集中的設備時，忽略一些交叉耦合，而如上面所述的，這是給予設備的配置所可接受的。
也應注意到，允許用戶選擇要優(yōu)化的單個通道或子集通道，可提供設備的診斷。例如，從設備模型或從優(yōu)化過程，通道紊亂或性能不好是顯然的。在此方式中，可使用優(yōu)化或調整過程診斷在設備中的問題。當在所有通道上重復的使用單通道調整時這是特別正確的，因為這確定了各個通道運行性能適當，沒有與其它通道的相互作用。
在步驟134，用戶提供用戶約束值。如上面描述的，用戶約束值包括穩(wěn)定性邊緣，如果有要求，如頻率函數(shù)，頻率尖峰界限和調整帶寬。
在一個實施例中，由運行的額定頻率用頻率歸一化控制器模型64的增益。在步驟134，用戶約束值也可包括期望的系統(tǒng)帶寬110(圖12)。
在步驟136，提供調整參數(shù)的初始值。如果調整參數(shù)是歸一化的，可以設置各初始值為它們的一個額定值。
然后，在步驟138調用優(yōu)化的例行程序，如Nelder-Mead。優(yōu)化的例行程序重復的提供一組控制器參數(shù)140到性能計算器63，直到達到優(yōu)化值(即在選擇的公差范圍中)，從性能計算器63返回性能指數(shù)142。優(yōu)化的例行程序是可容易地得到的并是眾所周知，如在從Mathworks，Inc.ofNatick，Massachusetts，USA得到的例行程序。
在圖9中說明由性能計算器63計算性能指數(shù)的方法150。在步驟152，由性能計算器63從優(yōu)化模塊62接收一組調整參數(shù)(獨立變量)。通常，調整參數(shù)包括導數(shù)增益，二次導數(shù)增益(如果存在)，各種反饋和/或正向環(huán)路濾波器設置?？蛇x擇的，可包括成比例的增益的函數(shù)。在許多例子中，成比例的增益可合并到性能指數(shù)，即，最大化成比例的增益可以是單通道系統(tǒng)的期望的參數(shù)。
在步驟154，計算開環(huán)TF模型(H*Gp*Gc)為調整參數(shù)的函數(shù)，調整參數(shù)說明包括濾波器設置的獨立變量的任何約束。應該注意到，這些約束也可以方便的由直接管理約束的優(yōu)化的例行程序管理。
在步驟156，用產(chǎn)生本征函數(shù)的Schur分解，逐個頻率的分解開環(huán)TF模型。如果有要求，可使用本征值分解。
在步驟158調整主增益Km(典型的迭代算法)，使得本征函數(shù)軌跡接觸穩(wěn)定性邊緣區(qū)域(額定區(qū)域，例如，包括復平面的(-1，0)的圓圈，橢圓等)。
在步驟160，計算閉環(huán)設備響應為[I+Km*H*Gp*Gc]-1。如果閉環(huán)響應的尖峰超過規(guī)定的最大值，在獲得規(guī)定的最大值前減低Km(典型的迭代算法)。Km的特性是增加穩(wěn)定性邊緣，所以仍滿足穩(wěn)定性的約束。
在步驟160獲得的Km值可選擇的加上附加的加權性能值，在步驟162返回到優(yōu)化模塊62。
此時應該注意到在圖15中說明的另一實施例，設備可包括在10，10A和10B指出的多配置。例如，不同的配置10，10A和10B可以是對不同的試驗樣本或無樣本，設備運行水平，或其它各種設備運行。對各設備配置10，10A和10B，獲得相應的設備模型70，70A和70B。調整部件60能確定最好的一組控制器參數(shù)，這是在所有的各種設備配置中可使用的。特別是，在步驟152，提供一組調整參數(shù)，而各個步驟154，156，158和160執(zhí)行各個設備配置。直到各設備配置滿足所有系統(tǒng)模型配置的穩(wěn)定性邊緣，在步驟158，需要調整主增益Km。當確定產(chǎn)生所有模型的穩(wěn)定性的最大的主增益Km時，如果需要，在步驟160，主增益Km進一步減小，因此尖峰界限滿足所有設備配置的所有通道的交叉。在實施例中，尖峰界限可以是各通道的函數(shù)和/或頻率的函數(shù)。
參考圖13，在步驟170，可對用戶提供直觀表現(xiàn)，用優(yōu)化的參數(shù)顯示穩(wěn)定性和系統(tǒng)性能。包括本發(fā)明的另一特征，此表現(xiàn)能包括上面描述的任何三維尼奎斯特圖。由畫出本征函數(shù)軌跡，因為軌跡不與選擇的穩(wěn)定性邊緣在視覺上相交，用戶能容易的確認系統(tǒng)的穩(wěn)定性已滿足。同樣能直觀表現(xiàn)頻率尖峰，如在圖12中說明的。
如果基于處理大量的通道子集優(yōu)化設備，用基于優(yōu)化在子集計算中的參數(shù)確定的控制器參數(shù)，校驗系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性和性能是有用的。在步驟172，相似于步驟170的直觀表現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性，可對用戶提供整個系統(tǒng)的系統(tǒng)性能。如果任何本征函數(shù)軌跡直觀的與選擇的穩(wěn)定性邊緣相交，系統(tǒng)穩(wěn)定性是不可接受的。同樣，由直觀表現(xiàn)的系統(tǒng)性能如在圖12中說明的，可以校驗頻率尖峰。應該注意到直觀表現(xiàn)不是必需的，而是解釋系統(tǒng)穩(wěn)定性和/或系統(tǒng)性能方便的形式。當然，其它的指示形式(例如，數(shù)字的表格，聽得見的警報等)，能對用戶提供傳達系統(tǒng)模型穩(wěn)定性或系統(tǒng)模型性能的破壞。
在步驟174，用存儲的設備模型和控制器模型的歸一化值，計算控制器14的控制參數(shù)為優(yōu)化一組由優(yōu)化的例行程序確定的控制器參數(shù)的函數(shù)。
“性能指數(shù)”是伺服系統(tǒng)的“優(yōu)質”的量度標準。通常這是控制帶寬的量度標準。當使用歸一化的設備(比例到1/s)時，控制器參數(shù)和控制帶寬之間有便利的關系，這是
FBW＝Km*Kp*2ПHz(6)注意，對歸一化的設備，Kp可處理為有弧度/秒，環(huán)帶寬的單位。
在多通道的系統(tǒng)中，Kp是長度等于通道數(shù)的矢量(Km總是標量)。如果Kp是等于常數(shù)的矢量(如果歸一化，即，成比例的增益在互相之間有選擇的關系)，因此，所有的通道有由Km*Kp確定的環(huán)帶寬值的相等的環(huán)帶寬。因此在調整參數(shù)(導數(shù)增益，濾波器設置等)上最大化Km是有意義的。運行有同樣環(huán)帶寬的所有通道在系統(tǒng)中，如多軸軌跡系統(tǒng)中是高度期望的。在此情況中，系統(tǒng)性能必須由最弱的通道所限制。
由各環(huán)的動態(tài)和與其它通道的交叉耦合確定在系統(tǒng)中最弱的通道。當存在交叉耦合時，在某種意義上通道分享穩(wěn)定性。因此增加一個通道的環(huán)帶寬能要求降低在一個或更多其它通道上的環(huán)帶寬。
在優(yōu)化Km前，Kp矢量的元素設置為不同值，可以完成在通道中的環(huán)帶寬分配。使它的相關環(huán)帶寬最小的通道產(chǎn)生優(yōu)化的Km值。
在可期望有與所有其它通道一起運行在盡可能高的環(huán)帶寬的各通道的情況中，優(yōu)化處理有更復雜的形式。有用的例子是 ωref設置為額定環(huán)帶寬，x有0和1之間的值有額定值0.5。此性能指數(shù)在最弱的通道中表達最大的增強，而鼓勵不受交叉耦合損害的通道具有盡可能高的環(huán)帶寬。用此性能指數(shù)，必須在Kp和前面提到的調整參數(shù)上執(zhí)行優(yōu)化。大于0.5的x值在最弱的通道中表達甚至更大的增強，而小于0.5的x值在最弱的通道中表達較小的增強。
另一有用的性能指數(shù)的改變包括對特殊頻率范圍表達更多注意的因數(shù)。例子是在用戶規(guī)定的頻率范圍上最小閉環(huán)頻率響應(在圖12的109圖解說明的)。這也能作用于每個單個通道(對角線元素)或在所有對角線元素上取作最小。
當作用于單個通道(對角線元素)時，此效果可邏輯的包括在方程7的環(huán)平衡性能指數(shù)中。
另一性能指數(shù)的改變是使用方程7到預先選擇的通道組中而不是各單個通道。在和中的各項是相對該組平衡的組的性能的量度標準。在對稱的情況中，這可能是特別有用的，例如，設備的通道一邊對一邊對稱。在此情況中，相應的左邊和右邊通道能處理為對，并在整個處理中形成組。
用圖3說明的圖例能表示多變量的伺服系統(tǒng)模型的廣闊種類。然而在其它的多變量系統(tǒng)中，圖16作為選擇的實施例是有用的。在此配置中，設備10表示為許多控制器方框的組合(例如，四個)。特別是，有分離的方框或各反饋變量類型的模型。在說明的例子中，各模型G1，G2，G3和G4表示各控制的變量為所有在多變量系統(tǒng)意義中的操作的變量的函數(shù)。例如，在振動系統(tǒng)中G1-G4的輸出，分別相當于控制的變量，位移反饋，速度反饋和加速度反饋。Kp，Kd和Kdd分別是G2，G3和G4的可調整的增益矢量。Km是相似于上面討論的主增益。
以相似于圖3的最佳方式，用調整部件60可以調整圖16的配置，其中，閉環(huán)頻率響應可表示為Gc1＝G1*[I+Km*(KpG2+KdG3+KddG4)]-1*KmKp(9)其中特征方程是行列式[I+Km*(KpG2+KdG3+KddG4)]＝0(10)也應該注意到，本發(fā)明也能作用到涉及在環(huán)中的環(huán)的伺服控制配置。一個例子是有內部環(huán)180和外部環(huán)182的眾所周知的級聯(lián)配置，外部環(huán)182包括如在圖16中說明的內部環(huán)180。調整過程首先作用到內部環(huán)180。用確定的內部環(huán)180的控制參數(shù)，內部環(huán)180成為外部環(huán)182的部分設備，那么，在這一點調整過程作用到外部環(huán)182確定其控制參數(shù)。在另一實施例中，外部環(huán)182的調整或優(yōu)化過程可包括作為部分性能指數(shù)的計算，內部環(huán)180的調整過程。
因此，當描述遠沒有覆蓋閉環(huán)調整/優(yōu)化時，因為穩(wěn)定性不受開環(huán)級補償?shù)挠绊?，包括開環(huán)級補償是直接延伸系統(tǒng)/模式。
雖然已參考優(yōu)選的實施例描述本發(fā)明，本領域的技術人員認識到不偏離本發(fā)明的精神和范圍可以作形式和細節(jié)的改變。例如，在一些情況中，當頻域計算常常是最佳時，使用其它模型形式如有限元模型或動態(tài)模型是有利的。
權利要求
1.一個確定有控制器和設備的控制系統(tǒng)的控制參數(shù)的方法，方法包括建立設備的模型和控制器的模型；計算閉環(huán)系統(tǒng)的性能指數(shù)為控制器參數(shù)的函數(shù)，說明選擇的穩(wěn)定性邊緣。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括提供優(yōu)化的例行程序，優(yōu)化的例行程序重復的執(zhí)行計算性能指數(shù)的步驟。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于優(yōu)化的例行程序重復的執(zhí)行計算性能指數(shù)的步驟直到達到優(yōu)化值。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于設備的模型和控制器的模型各包括多通道，其中控制器參數(shù)包括有關于控制器模型的各通道的成比例的增益的元素的矢量Kp，成比例的增益在互相之間有選擇的關系，其中性能指數(shù)是作用到控制器模型的各通道的主要成比例的增益Km的函數(shù)，其中性能指數(shù)重復計算到最大Km值。
5.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于設備的模型和控制器的模型各包括多通道，其中控制器參數(shù)包括有關于控制器模型的各通道的成比例的增益的元素的矢量Kp，其中性能指數(shù)是作用到控制器模型的各通道的主要成比例的增益Km的函數(shù)，其中計算性能指數(shù)為以下的函數(shù) 其中ωref設置為額定環(huán)帶寬，x包括0和1之間的值，i是在控制器模型的所有通道上的運行指數(shù)。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于穩(wěn)定性邊緣是頻率的函數(shù)并以三維表示。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于計算的性能指數(shù)包括說明頻域尖峰的限制。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于限制包括常數(shù)。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于計算的性能指數(shù)包括在規(guī)定的頻率范圍上說明頻率響應的最小值。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于建立的控制器的模型和設備的模型包括在頻域建立控制器的模型和設備的模型。
全文摘要
一個確定有控制器(14)和設備(10)的控制系統(tǒng)的控制參數(shù)的方法包括建立設備的模型(70)和控制器的模型(64)，并計算閉環(huán)系統(tǒng)的性能指數(shù)為控制器參數(shù)的函數(shù)，說明選擇的穩(wěn)定性邊緣。
文檔編號G05B13/02GK1618044SQ02827862
公開日2005年5月18日 申請日期2002年12月18日 優(yōu)先權日2001年12月18日
發(fā)明者理查德·A·倫德 申請人:Mts系統(tǒng)公司