[发明专利]基于频率响应对控制系统的自动调谐

说明书

技术领域

本发明涉及用于马达控制器的自动调谐的方法和系统。更具体地，本发明涉及这样的方法和系统：通过该方法和系统，基于频率响应来自动调谐用于马达和相关联的负载的控制系统的控制器。

背景技术

控制系统一般包括控制器和通过反馈环路连接到该控制器的待被控制的设施(例如，驱动负载的马达)。在操作中，设施由控制器的输出控制，并且设施输出经由反馈路径反馈，在反馈路径中从基准输入中减去设施输出以形成误差信号。该误差信号由控制器处理来生成到设施的经修改的控制输入。在由于柔量、反冲和摩擦等导致诸如马达/负载惯性、共振的特有属性存在改变的情况下，控制器需要调谐以维持命令响应、抗干扰性、稳定性以及噪声敏感性的最优化。

控制器通常包括滤波器和控制规则。控制规则放大误差信号，并且添加前馈项以创建命令信号。诸如PID(比例-积分-微分)控制规则的控制规则由于其通用设计被广泛使用。如在此所使用的，术语PID型控制规则涵盖PID补偿器的所有变化和组合，包括P、PI和PD配置。PID型控制规则被如此命名，是由于其控制输出是从与输入成比例的一个项、与输入的积分成比例的另一个项以及与输入的微分成比例的又一个项的加权和得到的。PID型控制规则同时在比例控制模式、积分控制模式和微分控制模式下进行控制，使得系统在尽可能快的时间段内达到稳定状态下的目标值。这样的控制规则包括带有比例增益参数K_P的比例放大单元、带有积分增益参数K_I的积分单元，以及带有微分增益参数K_D的微分单元。

对控制规则进行调谐是对控制规则的控制规则增益(例如，Kp、KI、KD)进行设置或调整以实现期望的性能的过程。例如，因为运动控制器的稳定性可能由于与负载情况的相互作用而变化，所以控制规则的增益必须被定期调谐(即，调整)以在控制器的特定应用中有效操作。调谐较差的控制规则动作过于激烈或过于迟缓，或带有不充分的稳定性裕量。当干扰或过程动态特征中的不确定性很大时，对控制规则的调谐经常很难。结果，过去的调谐过程通常需要对系统进行手动调谐的非常有经验的技术人员。然而，虽然对控制器进行手动调谐是可能的，但是其经常是繁琐的，并且结果常常是非最佳的。

动态信号分析器(DSA)通常用来执行频率响应分析，其能够提供频域调谐。DSA生成多频信号，其能够作为命令被注入控制系统中。对注入信号的响应被返回给DSA并且通常采用波特图进行分析。然而，DSA单元是相当昂贵的。此外，对DSA可用的用于注入测试信号的点的数量常常少于期望的。结果，这样的装备的使用通常限于研究室，并且在用户场所一般是不可用的。

发明内容

通过提供基于频率响应函数执行马达控制器自动调谐的方法和系统，解决了上面认识到的问题，并且在本领域实现了技术进步。

本发明可以以多种方式来实现，包括作为系统、设备/装置、方法或计算机可读介质来实现。在下面论述了本发明的若干实施例。

一个实施例包括确定用于对控制器进行调谐的最佳调谐参数集的方法，该控制器用在具有设施(马达和相关联的负载)的过程控制环路中，该方法包括：(a)在增益-相位图上提供涵盖稳定性裕量不充分的预定义区域；(b)提供与该区域相关联的预定义成本函数，其中成本函数表示基于对该区域的相对渗透深度的稳定性成本；(c)将包含跨越预定义范围的频率的分量的激励测试信号应用到控制系统，并且接收控制系统响应于该激励测试信号的频率响应数据以获取设施测量；(d)搜索多个调谐参数集，基于关于所搜索的每一个调谐参数集的设施测量的模拟响应数据来识别具有最小成本的最佳调谐参数集，并且将成本函数应用于该模拟响应数据；以及(e)输出最佳调谐参数。

进一步的实施例包括与基于模拟响应数据与目标响应的比较另外的成本函数、基于干扰响应的另外的成本函数、基于传感器噪声响应的另外的成本函数进行关联。总成本此后可以基于所有成本函数的加权和。目标可以是理想响应、对于所有感兴趣的频率在0dB、0度相位处的平坦闭环波特图。

可以关于相位和增益裕量来定义区域。例如，在增益-相位图上，区域的中心是在0dB和180度处，其中相位在x轴上以度为单位，并且增益在图的y轴上以dB为单位。在更具体的实施例中，区域的边界上的四个点在(x，y)坐标上是(GM dB，180度)、(-GM dB，-180度)、(0dB，-180+PM度)以及(0dB，-180+PM度)。可以将区域的边界按比例调整成更大或更小。区域可以呈现基本上是椭圆的形状。在此也预期其他形状。