带有未定型动力的系统所用的观测器校正器控制系统技术方案

系统（１０）具有状态观测器（２６）和校正器滤波器（１８），其中系统用于从动力系统（１２）的输出信号中抽取信号分量。状态观测器用于跟踪动力系统输出信号中表示主要动力的信号分量，并提供表示动力系统输出信号中估算信号分量的估算信号。校正器滤波器用于补偿估算信号与表示输出信号中主要动力的实际信号分量之间的失配。估算信号与校正器滤波器输出信号的组合可提供一个合成信号，合成信号包括了表示输出信号中主要动力的信号分量。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

Observer corrector control system for systems with undefined power

The system (10) has a state observer (26) and a corrector filter (18), wherein the system is used for extracting signal components from an output signal of a power system (12). The state observer is used to track the signal component representing the main power in the output signal of the power system, and to provide an estimation signal representing the estimated signal component in the power system output signal. The corrector filter is used to compensate for mismatch between the estimated signal and the actual signal component representing the main power in the output signal. The combination of the estimated signal and the corrector filter output signal can provide a composite signal comprising a signal component representing the main power in the output signal.

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
1.专利
本专利技术一般涉及控制系统，更具体地说，涉及用于降低受控制的现实系统中未定型动力的影响的系统和方法。2.先有技术现实的动力系统经常表现出共振特性，这与正常工作不需要也不想要的高阶动力相关。高阶影响强加在系统的主要动力上，这反而对获得所需功能是必要的。典型的例子是机械系统，诸如旋转机械、机床、机械操纵器和空间结构，它们常常表现出与机械部件的不可避免的弹性相关的多种共振情况。在许多实际情况下，较高阶动力难以识别以及保证从系统的理论模型中排除。在应用反馈控制以改善动力系统的工作时，较高阶动力的存在会产生不需要的振荡，影响整体稳定性，并导致控制性能有限。鉴于高阶动力对动力系统输出的影响程度，可以识别以下两种控制应用类别在第一类别中，在给定工作条件下高阶动力的影响超出了系统输出中可接受的误差。典型的例子可在光机械操纵器和空间结构中找到，其中过多的构件和链节的偏转直接影响了定位精度。偏转可由外部激励或内部驱动导致，比如在机械操纵器的情况中执行命令的轨迹分布图。由于高阶动力的存在导致输出中不可接受的误差，因此需要选择并设计控制系统以考虑并抑制较高阶动力的影响。在此领域中的先有技术策略包括以下类别的控制方法表示受控制的系统的高阶动力的状态变量的反馈；适用于开环和闭环实现的输入整形方法；机械系统的边界控制技术；以及机械系统的无源、半有源和有源振动衰减策略。第二类别包括一些动力系统，其中，在受控制的输出上的高阶动力的影响保持在可接受的限度内，因此可以容许而不会牺牲所需的精度。然而，这种情况下，高阶动力可能降低整体稳定性并成为控制性能的限制因素。在正常工作所需的带宽接近受控系统的最低共振频率和/或没有足够的固有阻尼以防止不稳定性时，这些困难经常会出现。系统带宽定义为系统的输出以满意的方式跟踪输入正弦波所用的最大频率。按照惯例，对于具有非零DC增益的线性系统，带宽是输入的频率，在该频率，相对于DC增益，输出衰减为输入的0.707倍的因子(或下降3dB)。此类别中的典型示例应用包括工业机器人和精密机床。尽管粗糙的设计防止结构偏转超出所需精度，但用于这些应用的高性能伺服控制器要处理大量稍微衰减的共振条件。通常，以上所列的用于第一类别的控制方法可考虑作为可能的解决方案。然而，由于以下的一个或多个要求和复杂情况，这些方法的实际使用是有限的受控系统的完整精确的模型是必需的，需要其它传感和/或驱动设置，计算和/或硬件复杂性不合需要地增加，或者对系统参数变化的敏感程度是不可接受的。由于高阶动力的存在不会影响输出精度超出可接受限度，因此，直接抑制高阶动力对系统输出的影响不是关键的。因此，诸如低通滤波器和带阻滤波器的实现等更简单的方法最好在实践中用于提高稳定性和增强控制性能。然而，由于低通滤波器一般会引入振幅失真和相位滞后不稳定，而带阻滤波器不适合共振条件在工作期间变动、由于经常性的磨损而改变、或因为生产不一致性而变化的应用，因此，这些方法的效果是有限的。专利技术概述在第一方面，本专利技术提出一种系统，它从动力系统的输出信号中抽取表示动力系统主要动力的信号分量。在一个实施例中，系统包括状态观测器和校正器滤波器。状态观测器用于跟踪动力系统的输出信号中表示主要动力的信号分量，并提供表示估算信号分量的估算信号，而该估算信号分量表示动力系统输出信号中的主要动力。校正器滤波器用于补偿估算信号与表示输出信号中主要动力的实际信号分量之间的失配。估算信号与校正器滤波器输出信号的组合可提供一个合成信号，合成信号包括了表示动力系统输出信号中主要动力的信号分量。在另一方面，本专利技术提出一种方法，它从动力系统的输出信号中抽取表示动力系统主要动力的信号分量。在一个实施例中，该方法包括估算表示动力系统输出信号中主要动力的信号分量；以及补偿估算信号分量与表示动力系统输出信号中主要动力的实际信号分量之间的失配。估算信号分量可以与表示估算信号分量与实际信号分量之间失配的补偿的信号进行组合，从而提供合成信号，合成信号包括了表示输出信号中主要动力的信号分量。在又一方面，本专利技术提出一种减小受控系统中高阶动力的不稳定影响的方法。在一个实施例中，该方法包括跟踪表示受控系统输出信号中主要动力的信号分量；以及提供表示估算分量的估算信号，该估算分量表示受控系统输出信号中的主要动力。通过组合估算信号与校正器滤波器输出信号而形成合成反馈信号，从而补偿估算信号与表示主要动力的实际信号分量之间的失配。合成反馈信号包括表示受控系统输出信号中主要动力的信号分量，并且被输入到受控系统的控制器，其中动力系统输出信号中的未定型高阶动力信号分量的不稳定影响会减小或基本上消除。图形简述以下描述将结合附图，说明本专利技术的上述方面和其它特征，其中附图说明图1是结合了本专利技术特征的系统的示意图；图2是示范测试机械操纵器的示意图；图3是图2的测试机械操纵器的顶视图；图4是结合了本专利技术特征的观测器校正器控制系统的示范测试实现的框图；图5a、5b和5c是图2和图3中所示的示范机械操纵器的测试移动的相应命令位置、速度和加速度分布图的图示；图6a、6b和6c是图4中所示的示范实施例的电动机的测试移动的速度分布图的图示；图7a、7b和7c是对照常规控制的、跟踪图4所示的测试实现的电动机误差的图示。优选实施例的详细描述参照图1，其中表示结合了本专利技术特征的系统10的示意图。虽然本专利技术将结合图中所示实施例来描述，但应理解，本专利技术可包括许多其它形式的实施例。此外，可以使用任何适当大小、形状或类型的元件或材料。如图1所示，系统10一般包括状态观测器16和校正器滤波器18。如图1所示的系统10的组件的一般配置可用于从系统12的输出信号中抽取表示动力或受控系统12主要动力的信号分量，动力或受控系统12在本文中也称为设备12。术语“主要动力”在本文中使用时，表示那些对于实现系统所需功能性和正确操作必要的动力系统的动力特性，例如，在灵活的机械操纵器的情况下的刚体运动。在替代实施例中，系统10可包括此类其它适当组件，用以抽取表示动力系统12输出信号中主要动力的信号分量。如图1所示，本专利技术的一个实施例也可包括控制器14。本专利技术的一个特征是提供输入到控制器14的合成反馈信号ys，合成反馈信号包括表示从设备12的输出信号中抽取的主要动力的信号分量，并且不包括设备12输出信号y的任何高阶动力分量。由于高阶动力未在反馈信号ys中反映出来，因此，状态观测器16和校正器滤波器18的设置减小或基本上消除了诸如受控制的现实系统等动力系统中发现的未定型动力的影响。术语“未定型动力”在本文中使用时，表示“高阶动力”。术语“高阶动力”表示正常操作不需要且不想要的动力特性，一般可包括与诸如设备12等现实动力系统相关的共振特性。例如，此类现实动力系统的典型示例可包括旋转机器、机床、机械操纵器、空间结构以及表现出与机械部件弹性相关的共振条件的此类其它系统。在许多情况下，高阶动力难以识别和保证排除在设备12的理论模型以外。如图1所示，术语“r”表示参考信号，“e”是控制误差，“u”表示控制动作，“d”是外部干扰，“n”代表测量噪声，“y”代表设备12的输出，“yo”表示状态观测器16的输出，“yc”是校正器滤波器18的输出，以及“ys”是合成反馈信号。上述符号可表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在动力系统的输出信号中抽取表示主要动力的信号分量的系统，它包括：状态观测器，用于跟踪表示所述动力系统的输出信号中的主要动力的实际信号分量，并且提供表示估算信号分量的估算信号，所述估算信号分量表示所述动力系统的输出信号中的主要 动力；以及校正器滤波器，用于补偿所述估算信号与表示所述输出信号中主要动力的所述实际信号分量之间的失配；其中所述估算信号与所述校正器滤波器的输出信号的组合可提供合成信号，所述合成信号包括表示所述输出信号中主要动力的所述信号分量 。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：M霍赛克，JT穆拉，H埃尔马利，
申请(专利权)人：布鲁克斯自动化公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]