控制器、观测器及其应用制造技术

本发明专利技术描述了控制器的参数化与尺度化。应用参数化与尺度化方法改善了包括但不仅限于控制器设计、整定和优化的技术。尺度化和参数化的方法适用于基于传递函数的控制器，包括ＰＩＤ控制器。同样，参数化方法也可用于基于状态反馈和状态观测器的控制器，以及线性自抗扰（ＡＤＲＣ）控制器。参数化的方法简化了ＡＤＲＣ的使用。本发明专利技术介绍了离散扩张状态观测器（ＤＥＳＯ）和广义扩张状态观测器（ＧＥＳＯ），它们提高了扩张状态观测器（ＥＳＯ）及其ＡＤＲＣ的性能。本发明专利技术还包括提高ＡＤＲＣ控制器性能的跟踪控制算法。描述了将ＡＤＲＣ应用到多输入多输出系统的通用算法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
此处描述的系统、方法、应用程序界面(API)、图形用户界面(GUI)、计算机可读介质等，一般都与控制器，更确切地说，与尺度化(scaling)和参数化(parameterizing)控制器相关，并使用观测器(observer)和跟踪机制(tracking)以改善控制器设计、整定(tuning)和优化。
技术介绍
反馈(闭环系统)控制系统10，见现有技术附图1，被广泛地应用于修正物理过程(记作对象(plant)110)的行为。因此，它的行为按照特定想要的方式随着时间变化。例如，尽管高速公路上存在有山坡和逆风的影响，可能期望使行驶中的汽车时速尽可能保持接近60英里；也可能期望使一架飞机不受阵风的干扰，飞行于某一想要的高度、方向和预安排的速度；也可能期望使化工过程的反应堆压力容器的温度和压力保持在想要的水平。现在，这一切都可以通过反馈控制来实现，无须人为干预，以上讨论的是设计自动控制系统的实例。 反馈控制系统的关键部件是控制器120，它确定了被控对象110的输出(例如，温度)和它的期望值的偏差，然后产生相应的控制信号u(例如，把一个加热器打开或关闭)。控制器的设计目标通常是尽快地使这种偏差变得尽可能小。现在，控制器已广泛地应用于机器人技术、航空航天、马达、运动控制和热力控制等领域。 经典的控制器 经典控制理论为工程师们提供了许多控制器设计方法。现有的线性、时不变、单输入单输出对象的控制器，大体可分为三种形式比例/积分/微分(PID控制)控制器，基于传递函数(TFB)的控制器和基于状态反馈(SF)的控制器。PID控制器可由式(1)定义 其中u是控制信号，e为设定值与被控过程输出值的之间的偏差。自二十世纪20年代初以来，这种控制器就被应用于工程和其它领域。这种以偏差为基础的控制器，不需要知道被控对象准确的数学模型。TFB控制器可由式(2)给出 U(s)＝Gc(s)E(s)， 其中U(s)和E(s)分别为前文定义的u和e的拉氏变换，而n(s)和d(s)则为s的多项式。依赖于被控对象的传递函数模型(Gp(s))，可以应用控制论的方法设计这种TFB控制器。由于PID控制器有下述等价的传递函数形式，所以PID控制器可认为是TFB控制器的一个特例 状态反馈(SF)控制器 SF控制器定义如下 并且基于被控对象的状态空间模型 y(t)＝Cx(t)+Du(t)(5) 当状态x不可测量时，通常可使用观测器 来求x的估计 。这里的r是输出要跟随的设定值。 控制器整定 这么多年以来，控制理论的发展为控制器设计提供了许多有益的分析和设计工具。结果，控制器设计从经验法(如利用齐格勒和尼科尔斯的PID参数整定法)发展为分析法(如极点配置法)。频率响应法(波德和奈奎斯特图法)也促进了分析控制设计。 在传统上，按照设计准则独立设计控制器，然后再单独整定，直到它们达到给定的性能指标。在实践中，工程师们设计控制器(例如，PID)时，先查表，然后再用试错方法整定控制器参数。但是每个控制器通常是单独设计、整定和测试的。 整定控制器经常使工程师们不知所措。在硬件实现和测试中，基于对象的数学模型开发的控制器，通常需要其参数能被调整或“整定(tune)”。这是由于数学模型往往并不能准确地反映对象的动态特性。在这种情况下确定适当的控制参数往往会出现问题，如生成的控制方案虽然可行，但会出现“病态”整定，从而导致性能下降和控制能量浪费。 附加地，和/或另选地，工程师设计时应用分析法(如极点配置)，但在整定时再次使用试错方法。由于许多工业机械及工程应用是建立在内在稳定的基础上，因而，可以应用常规方法设计和整定出可接受的控制器，但是该可接受的性能并不一定是最优的性能。 一种示例性的设计PID控制器的传统技术包括获取开环响应，以及如果有的话，还要确定需要加以改进的东西。作为示例，设计者需要建立一个有反馈回路的候选系统，并猜想PID中的三个增益(例如，Kp，Kd，Ki)的初始值，再根据上升时间、稳态误差等来观察控制器的性能。然后，设计者也许要通过调整比例增益，来改善上升时间。同样，设计者也可能会增加或修改微分控制器，以改善超调而用积分控制器来消除稳态误差。每个元件都有自己的增益，且需要进行单独整定。因此，在传统上，设计者们常常需要面对选择PID控制器的三个元件，并对每个元件进行单独整定。此外，如果使用TFB或状态反馈状态观测器(SFSOB)控制器，则设计工程师们可能需要整定更多的设计参数。 控制器设计还存在另一个问题即不可移植的问题。也就是说，每一个控制的问题是独立解决的，因而，不可能轻易地修改它的方案，以解决另一个控制问题。这就意味着，对于每一个控制问题都必须重复进行繁琐的设计和参数整定过程。状态观测器不仅能进行系统的监测和恒值调控，而且也能检测和识别动态系统的故障。由于几乎所有的观测器设计都依赖于对象的数学模型，因此，在实际应用中，现场中存在的扰动、动态不确定性、非线性等因素，对观测器的设计都构成了巨大挑战。为此，近来高性能的鲁棒观测器设计问题，已成为了一个热点话题，并有若干种高级的观测器设计方法被提出来。虽然在某些方面它们也取得了令人满意结果，但是在观测器设计及其在控制系统中应用方面，仍有待于进一步提高。 状态观测器 观测器从控制对象的输入-输出数据中提取出对象内部状态的实时信息。由于观测器的性能很大程度上依赖于对象模型的数学精度，所以观测器往往要假设对象具有精确的模型信息。闭环控制器需要这两种类型的信息。在图32的3200中描述了它们的关系。然而，由于作为设计过程的一部分的模型构建，在工业应用中仍面临着挑战，所以，这样的假设常常使该方法在工程应用中变成不切实际。另外，为了分别处理系统非线性和时变问题，而各自加入了增益调度和自适应技术，这样更增加了它的复杂性。 扰动估计观测器和抗扰 近来，抗扰方法已被用于处理实际应用中的不确定性问题，并在复杂非线性系统的控制中得到了成功应用。解决模型精度问题的前提是反过来用一个等效输入扰动d来构建系统模型。这里的扰动d表示实际对象P和对象的导出或选择的模型Pn之间的差异，包括外界干扰w。然后设计观测器以实时地估计出扰动，再提供反馈信号以消除扰动。因此，在低频段时，扩张系统的行为与对象模型Pn相似，使该系统能准确模似Pn，并为Pn设计一个控制器。这个概念体现在图39的3900中。 这些方法中最常使用的是扰动观测器(DOB)构架(Endo，S.，H.Kobayashi，C.J.Kempf，S.Kobayashi，M.Tomizuka and Y.Hori(1996).″Robust Digital Tracking Controller Design for High-SpeedPositioning Systems.″Control Eng.Practice，44，527-536；Kim，B.K.，H.-T.Choi，W.K.Chung and I.H.Suh(2002).″Analysis and Design ofRobust Motion Controllers in the Unified Framework本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计算机实现的方法，用于控制动态系统的速度，该方法包括以下步骤：　指定由ｖ（ｔ）＝ｆ（ｔ）＋ｂｕ（ｔ）所定义的速度值，其中ｆ（ｔ）表示对象的内部动态特性和外部扰动的组合效果，ｕ（ｔ）是控制信号，ｂ是一个近似值的常数；　将速度值 转换为一阶状态空间模型；　利用线性扩张状态观测器估计ｆ（ｔ）的值，该观测器为一个单一性能参数的函数；　利用线性扩张状态观测器的估计，消除ｆ（ｔ）对速度的影响。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：高志强，R米克罗索维克，A拉德克，周万坤，郑青，
申请(专利权)人：克利夫兰州立大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]