[发明专利]自抗扰控制的优化参数化

说明书

一种用于对控制系统进行整定的系统使用简化的整定过程来生成鲁棒稳定整定参数，该鲁棒稳定整定参数减小或消除存在长的系统空载时间或相位滞后时的不期望的系统振动。使用一种控制方法来建立受控系统的对象参数和参数化自抗扰控制器的整定参数之间的关系，该整定参数确定为对控制系统而言最优或基本上最优。所述对象参数包括系统增益、时间常数和空载时间。对应的整定参数包括控制器带宽和系统增益估计。将系统增益估计用作整定参数能够减轻大空载时间或相位滞后对系统响应的影响。一旦这些固定关系被建立，其就能够用来基于系统的系统增益和主要约束为具体的运动或过程控制应用确定适合的整定参数。

技术领域

概括而言，本公开内容涉及运动控制，并且具体而言，涉及在给定系统的系统增益和主要约束的情况下自动确定控制系统的整定参数。

背景技术

许多自动化应用采用运动控制系统来控制机器位置和速度。这样的运动控制系统通常包括一个或更多个电动机或在控制器的引导下运行的其他运动装置，该控制器依据用户定义的控制算法向电动机发送位置或速度控制指令。一些运动控制系统在闭环配置下运行，由此，控制器指示电动机移动到目标位置或转变到目标速度(期望状态)，并且接收指示电动机的实际状态的反馈信息。控制器监测该反馈信息来确定电动机是否已经达到目标位置或速度，并调整控制信号来修正实际状态和期望状态之间的误差。类似的控制技术也用于过程控制应用。在这样的应用中，控制器所生成的控制信号依据控制算法来调节一个或更多个过程变量，并且过程变量的测量值被提供给控制器作为反馈，这允许控制器基于过程变量相对于期望的设置点的实际值来根据需要调整控制信号。

运动控制和过程控制系统的设计者力图实现性能和系统稳定性之间的最佳平衡。例如，激进地整定的控制器可以导致以高精度和快速响应时间来跟踪期望位置的系统，但在存在系统噪声和不确定因素的情况下会呈现出不稳定。替代地，更保守地整定控制器会改善系统稳定性，但以牺牲性能为代价。理想地，应当选择控制器增益系数以优化性能和系统稳定性之间的平衡。为控制器选择适当的增益系数的过程被称作整定。

对控制器增益系数的整定决定了控制器的带宽，该带宽是受控系统对控制信号的变化的响应性的测量。受控系统对来自控制器的信号的响应部分地是控制器的带宽和受控系统的物理特性(例如，惯性、阻尼、摩擦、耦合刚度、相位滞后等)的函数。一般而言，更高的控制器带宽会导致对控制信号更快的输出响应、更好的干扰抑制和更小的跟踪误差。然而，将带宽设置得太高能够通过致使系统呈现出对噪声更敏感以及降低闭环鲁棒性(系统在合理的系统不确定性和干扰的范围内保持稳定的能力)而带来系统不稳定性，特别是在存在内在不确定的电动机负载动态的情况下。例如，对于小阻尼运动系统，过高的控制器带宽能够对系统过激励而导致不期望的振荡，这转而会因为控制器试图稳定所导致的振荡而引起控制器饱和。通过减小控制器带宽能够使系统更稳定，但以牺牲性能为代价。由于至少这些原因，必须谨慎地为给定运动控制系统选择整定参数以实现鲁棒性能和鲁棒稳定性。

在实现最佳控制器整定时增加了这些困难，一些机械系统或过程被设计成使得在由控制器发出控制指令和相应的系统响应之间存在相当大的延迟，该延迟被称作空载时间。具有高空载时间或相位滞后的系统响应于干扰或设置点改变而经常经历不期望振荡，从而导致性能降低并使得对这样的系统的整定更加困难。

发明内容

本公开内容的一个或更多个实施例涉及用于在给定已知的或估计的系统空载时间的情况下自动确定控制系统的适合的整定参数的系统和方法。该系统配置为生成充分优化的整定参数，所述整定参数使与大空载时间或相位滞后相关联的振荡和其他性能问题减少或减轻，同时通过减少需要设置的整定参数的数量来简化整定过程。为了这些和其他目的，使用鲁棒稳定性分析来对整定参数和对象参数之间的关系进行建模，其能够通过计算或系统识别来获得。使用这种模型，通过向模型提供针对运动控制系统的识别出的系统参数(例如，系统增益、空载时间和时间常数)，能够自动确定针对给定运动或过程控制系统的适合的控制器带宽和系统增益估计，从而相对于试错法更快地提供充分优化的整定参数。

附图说明