自动定标度的控制器及其使用方法技术

本文提供一种自动定标度的控制器及其应用方法，控制输入和控制系数都乘以定标度值（６１）。然后，应用一种基于降序的优化方法，调谐定标度值（６４），以使得系统误差信号最小化。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术与如下未决申请有关，它们已转让给本专利技术的同一受让人系列号为08/076601、申请日为1993年6月14日题目为“NeuralNetwork and Method of Using Same(中性网络及其应用方法)”的专利申请；和申请日为1994年6月30日、题目为“Auto-Tuning Controller andMethod of Use Therefor(自动调谐控制器及其应用方法)”的专利申请。上述的相关申请的主题事物引用在本专利技术的讨论中作为参考。本专利技术涉及自动控制系统，具体涉及能够自动调谐其参数使其性能最佳化的控制系统。当今控制系统已广泛地应用于机器、装置和工业界及经济界的流程中。一种通用的控制系统配置如附图说明图1所示，被控的系统10连接在具有控制器12的一个反馈配置中，试图驱动系统输出18到基准输入14的数值上。系统输出18经由反馈通路16反馈，再与基准输入14相减，以产生一个误差信号22。该误差信号22由控制器12处理，以产生一个控制输出20，随后被馈送到系统10的输入端。虽然现有多种多样的控制结构和配置在使用中并且从整体来看是起主导作用的，但本领域的普通技术人员承认图1所示的方框图代表了这些控制器的基本构成的方框图。一种具体的控制器的实施例是所谓的PID控制器，或即比例积分和微分控制器。这种控制器之所以如此命名，是因为其控制输出是从输入、输入的积分和输入的微分三者的加权和中导得的。这种控制策略已广泛地用于工业界，其原因可能是由于它可以用以作为一个独立单元的事实。然而，PID控制器有两个主要缺点(1)难以针对一个具体应用确定(或调谐)控制器的控制系数；(2)控制规律法则的简单性使这种控制器不适用于高度复杂、高阶或高度非线性的系统。一种用以调谐PID控制器参数的方法是Ziegler和Nichols研制的。如本领域的技术人员已知的，因为Ziegler/Nichols方法预定用于手动调谐控制参数，故要求由熟练的操作者来参与。第二种用以调谐PID控制器的方法是由stuckman等人在“Engineering Optimization”杂志、1990年16卷第275-289页的文章“ System Optimization Using ExperimentalEvaluation of Design Performance”和在1989年6月Simulation andModelling第17届IASTED国际讨论会会刊、第320-321页的文章“Iterative Global Design of PID Controllers for Systems WithoutModels”中提出的。虽然这种方法是自动运行的，但它应用了一种复杂的Bayesian整体优化法，这要求异常的计算量，来概括一组控制参数。此外，这种自动调谐控制器受限于基础的PID控制结构的基本局限性，因而不适用于许多高度复杂的或非线性的系统。另一类控制器的实施是所谓自调谐的自适应控制器。按照这种策略，被控的系统泛用地被模型化，并且该模型根据系统的性能在数学上不断地更新。虽然自适应控制器针对某些应用提供合适的性能，但在其实施中要求极复杂的控制算法和大量的计算。还要求有一个非常精确的系统模型，以使自适应控制器高效率地工作，当该模型与实际系统之间的误差高于额定等级时，控制器的性能将快速地劣化。控制器实施例的又一个例子是模糊逻辑控制器。模糊逻辑控制器的控制决定是根据一系列模糊逻辑规则，利用一种非线性传递特性，将控制输入转换成为控制输出。虽然模糊逻辑控制器的性能是固定的，甚至在系统模型与实际系统之间存在明显的误差时，也能维持完全的控制功能，但是模糊逻辑控制器的诸多参数难以按照它们给定的非直观关系调谐系统输出。经验还表明，大而复杂的系统难以实施模糊逻辑控制器的设计。再一类控制器的实施例是多项式控制器。在多项式控制器中，控制输出是控制输入的一种多项式函数。一种用以调谐多项式控制器的方法是Stuckman和Laursen在1989年1月“IEEE Transactions on AutomaticControls”刊物AC-34卷、第1期的文章“A Method of Control systemDesign Using Global Search”中提出的。该方法应用了一种复杂的Bayesian整体优化法，它要求异常大量的计算。这种方法还只能工作于低因次(low-dimensional)的系统中，并且未示出具有多于10项的多项式控制器的功能。据此，现在明显需要一种性能相当稳定的控制器，在模型与实际系统之间存在明显误差时能够提供充分的控制。现在明显地还需要一种能自动调谐参数的控制系统。现在明显地也需要一种控制器设计，能够处理高因次、高度复杂性和非线性的系统。现在明显地又需要一种调谐控制器参数的方法，能提供出短的产品开发周期，其中该调谐能够以一种相当简单和有效的方式由一个不必是控制专家的人员来执行。据此，本专利技术的一个优点是控制系统的诸多参数可以自动地被调谐。本专利技术的另一个优点是提供了一种控制器，可在高元、高度复杂性或高度非线性的系统中工作。本专利技术的再一个优点是相当简单和有效的工作方式，按照这种方式可调谐控制器的诸多控制参数。在本专利技术的一个实施例中，提供了一种用以调谐控制器的诸多控制系数的方法。控制系数的值是借助于将控制器的多项式函数符合于控制传递特性数据、而从控制传递特性数据中计算得出的。诸多控制系数再乘以一个定标度值。然后，根据系统输出与所需输出之差，得出一个误差信号。接着，应用基于降序的优化方法，调谐该定标度值，以使输出误差信号最小化。在本专利技术的另一个实施例中，提供了一种用以调谐控制器的方法。该方法包括借助于将控制器的多项式符合于多个传递特性数据而计算多个控制系数的每个数值的步骤。然后，将诸多控制系数乘以一个第一定标度值，并将控制输入乘以一个第二定标度值。再根据系统输出与所需输出之差，按时间计算出输出误差信号。第一和第二定标度值是利用基于降序的优化方法调谐的，以使输出误差信号最小化。在本专利技术的又一个实施例中，提供了一种用以调谐控制器的方法。该方法包括将多个控制输入的每个分别乘以相同的多个初始定标度值中的一个相应值的步骤。再根据系统输出与所需输出之差，按时间计算出输出误差信号。多个第一定标度值是利用一种优化方法调谐的，以使输出误差信号最小化。在本专利技术的再一个实施例中，提供了一种控制器，用以控制一个系统得到所需的输出。该控制器含有计算装置，借助于将多项式控制函数符合于控制传递特性数据，从控制传递特性数据计算出诸多控制系数值。设置第一乘法装置，用以将控制系数值乘以一个初始的第一定标度值。误差计算装置，根据系统输出与所需输出之差，按时间计算出输出误差信号。该控制器的调整装置，被用来使用基于降序的优化方法调谐第一定标度值，以使输出误差信号最小化。本专利技术已在所附的权利要求书中具体地指明了。然而，本专利技术的其它特点将结合以下附图并参考下文的详细描述就会一目了然，并对本专利技术更加理解。图1示出一种先有技术的控制系统。图2示出本专利技术的一个实施例的方框图。图3示出配合本专利技术的一个实施例所应用的多项式函数控制器50的方框图。图4示出配合本文档来自技高网...

【技术保护点】
在一种用以控制系统于所需输出的控制器中，该被控系统具有一个基于时间的系统输出，控制器的工作基于一个多项式函数，该函数具有一种阶次、多个控制系数和相同的多个多项式的项，一种用以调谐控制系数的改进，其特征在于，该改进包括：计算装置，可操作地 耦合到该控制器，借助于使多项式函数符合于多个控制传递特性数据，用以计算多个控制系数的每个的数值；第一乘法装置，可操作地耦合到该计算装置，用以将该控制系数值乘以一个初始的第一定标度值；误差计算装置，根据系统输出与所需输出之差，用以按时 间计算出一个输出误差信号；调整装置，可操作地耦合到该计算装置和控制器，应用基于降序的优化方法，调谐该第一定标度值，以使输出误差信号最小化。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹坦，谢伊平T王，
申请(专利权)人：摩托罗拉公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]