用于控制系统的操作的控制器和方法
【专利摘要】根据本发明的方法(200)控制系统(300)的操作。所述系统通过控制器(307)来操作。所述控制器是根据所述系统的模型确定的基于模型的控制器。所述方法在所述操作期间基于极值搜索来更新所述模型，并且基于经更新的模型来更新所述控制器。
【专利说明】用于控制系统的操作的控制器和方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及基于系统的模型来控制系统的操作，并且更具体地，涉及基于 极值搜索来更新系统的模型。
【背景技术】
[0002] 图1A示出了示例性的致动器的示意图。图1A中的致动器是电磁致动器。所述致 动器包括壳体103、两个线圈104、两根弹簧105、橡胶垫102、活动元件（ME) 101和固定元件 100。
[0003] 通常，当致动器未被致动时，活动元件101与固定机械元件100相接触。为了使活 动元件101朝向壳体103移动，通过向线圈104中注入电流来对致动器系统进行致动。当 电流被撤消时，所述活动元件被由位于致动器壳体103与活动元件101之间的弹簧102所 产生的弹簧力推动抵靠于固定元件100。为了衰减接触力，在活动元件与壳体之间插设有橡 胶垫102。
[0004] 图1B示出了用于电梯制动系统中的致动器的另一示例。在该示例中，固定元件 110是弯曲的，并且表示电梯制动轮120。与电梯制动系统相接触的固定元件被称为电梯鼓 (drum)。通常，电梯轮具有两个对称的电梯制动系统130。这两个电梯制动系统是相同的，并 且类似地进行控制。出于说明目的，电梯制动系统被放大140,并且被示意性地显示出150。 活动元件155也是弯曲的，以与电梯鼓的形状相一致。其余的系统元件保持在适当的位置。
[0005] 电梯制动系统应当能够产生相对较大的力矩，并且能够快速地停止电梯轿厢和配 重（counterweight)。此外，制动系统可能位于建筑物居住者附近，所以安静的制动操作是 必要的。而且，因为制动器的位置并不总是可容易到达的，所以易于调整和维护的可靠的制 动系统受到重视。
[0006] 在一种方法[美国专利5, 717, 174]中，通过位置传感器反馈来控制制动，并且控 制器调整用于控制活动元件运动的电压信号以使冲击速度最小化。然而，对于相对于系统 老化的可实现的性能，不存在定量预测。而且，电子电路在两个方向上控制制动活动元件： 对抗弹簧力以使活动元件的运动减速，以及朝向弹簧力以使活动元件朝向电梯鼓的运动加 速。
[0007] 某些系统使用极值搜索控制器来增强系统性能。例如，一种方法[US 8, 027, 742B2]使用极值搜索来产生直接控制该过程中的一个致动器（例如，机械阀或机械 阻尼器）的控制信号。在该方法中，极值搜索妨碍了该过程的用以检测该过程中的故障的 一个输出。
[0008] 其他方法[US 7, 827, 831B2和US 8, 096, 140B2]使用极值搜索来获知系统的过程 的设定点。然而，提供一种使用极值搜索来进一步增强系统性能的系统也将是有利的。
【发明内容】
[0009] 发明的各种实施方式的目的在于提供一种用于控制致动器的操作的系统和方法。 例如，该致动器能够被用于电梯的制动系统中。某些实施方式的进一步的目的在于提供这 样一种方法，该方法降低了制动系统所产生的噪音，使制动系统的安装和维护的成本最小 化，并且适应于制动系统中的元件的劣化。
[0010] 本发明的某些实施方式基于另一种实现：基于致动器的模型控制活动元件的运动 是有利的。这种实现能够使监测致动器的操作的传感器的数量最小化，从而降低了致动器 的安装和维护的成本。例如，在一种实施方式中，仅一个传感器被用来感测致动器的线圈中 的电流。活动元件的实际位置是基于测量到的电流和致动器的模型来确定的。该实施方式 还降低了制动系统的安装和维护的成本。
[0011] 控制制动系统的困难之一是确保控制相对于系统劣化的鲁棒性。实际上，在制动 系统的寿命期间，连续的制动器关闭和开启可能例如导致弹簧常数的变化以及橡胶垫的阻 尼特性的变化。因此，本发明的某些实施方式在致动器的操作期间更新控制器。例如，响应 于致动器的操作，一种实施方式更新非线性控制器的增益。另一种实施方式修改系统的模 型，并且随后使用经修改的模型来更新非线性控制器。控制器的更新使得制动系统的噪音 和磨损最小化。
[0012] 相应地，一种实施方式公开了一种用于控制系统的操作的方法。所述方法包括：通 过控制器来操作该系统，其中，所述控制器是根据所述系统的模型来确定的基于模型的控 制器；在所述操作期间基于极值搜索来更新所述模型；以及基于经更新的模型来更新所述 控制器，其中，所述方法的步骤通过处理器来执行。
[0013] 另一种实施方式公开了一种用于控制系统的操作的控制器。所述控制器包括用于 执行学习模块的处理器，其中，所述学习模块使用极值搜索来更新所述系统的模型。
[0014] 又一种实施方式公开了一种用于控制系统的操作的方法。所述方法包括基于极值 搜索来更新所述系统的模型的系数。所述方法的步骤通过处理器来执行。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1A是传统的致动器系统的示意图。
[0016] 图1B是传统的电梯制动系统的示意图。
[0017] 图2是根据本发明的某些实施方式的用于控制致动器的方法的框图。
[0018] 图3是根据本发明的某些实施方式的用于使用图2中的方法控制致动器的系统的 框图。
[0019] 图4是根据本发明的某些实施方式的非线性控制器的框图。
[0020] 图5是根据本发明的某些实施方式的电磁制动系统的模型的示意表示。
[0021] 图6是根据本发明的某些实施方式的学习模块的框图。
[0022] 图7是根据本发明的某些实施方式的学习模块的框图。
[0023] 图8是根据本发明的某些实施方式的用于控制系统的操作的方法的框图。
【具体实施方式】
[0024] 图2示出了根据本发明的某些实施方式的用于控制致动器的操作的方法200的框 图。所述致动器能够适用于电梯的制动系统中。然而，这些实施方式能够控制各种类型的 致动器（例如，电磁致动器）的活动元件（ME)。本发明的实施方式能够使用处理器201来 实施。
[0025] 所述方法200确定210作为时间的函数的活动元件的位置的轨迹215，并且基于所 述致动器的模型（例如，模型500)和所述轨迹215来确定220第一控制信号229。所述第 一控制信号被确定为根据所述轨迹来改变所述活动元件的位置。
[0026] 第二控制信号239被确定230为补偿由于致动器系统的模型的不确定性所造成的 操作误差的第一分量。例如，能够基于轨迹上的参考位置与速度232和活动元件在所述操 作期间的实际位置与速度234之间的位置与速度误差236来确定第二信号。在某些实施方 式中，还能够基于与所述第一控制信号相关联的线圈的参考电流231与在所述操作期间所 测得的线圈的实际电流233之间的电流误差235来确定第二信号。
[0027] 第三控制信号249被确定240为补偿由于致动器系统上的外部干扰所造成的操作 误差的第二分量，外部干扰的示例包括摩擦以及附加的未知干扰。例如，能够基于致动器的 实际能量与通过所述第一控制信号和所述第二控制信号操作的致动器的能量之间的能量 误差245来确定所述第三控制信号。在一种实施方式中，该能量误差基于位置与速度误差 236和电流误差235。例如，在一种实施方式中，该能量误差是有界的时变函数。所述致动 器系统的操作是基于所述第一控制信号、所述第二控制信号和所述第三控制信号的组合来 进行控制250的。
[0028] 图5示出了本发明的某些实施方式所使用的模型500的示例。模型500是出于说 明目的被提供的，并且不意在限制本发明的范围。根据模型500,致动器的机械部件是根据 以下微分方程来进行建模的：
[0029]
【权利要求】
1. 一种用于控制系统的操作的方法，该方法包括： 通过控制器操作所述系统，其中，所述控制器是根据所述系统的模型确定的基于模型 的控制器； 在所述操作期间，基于极值搜索来更新所述模型；以及 基于经更新的模型来更新所述控制器，其中，所述方法的步骤通过处理器来执行。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，更新所述模型包括： 更新所述模型的至少一个系数。
3. 根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括： 使表示所述系统的实际输出与期望输出之间的误差的成本函数最小化；以及 基于经最小化的成本函数的值和扰动信号来更新所述模型。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述模型被重复地更新，其中，每次重复包括： 将性能指标确定为由成本函数所描述的所述系统的实际输出与参考输出之间的误差， 其中，所述成本函数为正定函数；以及 基于通过扰动信号所修改的所述性能指标来更新所述模型的所述系数。
5. 根据权利要求4所述的方法，该方法进一步包括： 基于扰动信号的集合来确定所述模型的待更新的系数的集合，其中，所述扰动信号的 频率满足收敛条件。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，根据所述收敛条件，所述集合中的第一扰动信号 的第一频率和第二扰动信号的第二频率之和不等于第三扰动信号的第三频率。
7. 根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括： 根据如下方程式来确定成本函数在迭代k次的值Q[k]: Q [k] = Ci (xref [k] -xest [k]) 2+C2 (xref [k] -xest [k])2 其中,q和C2为正常数,xMf为所述系统的参考状态，并且xest为所述系统的实际状态； 以及 根据如下方程式来确定所述模型的系数β i : yjk+l] = yJkG+ai Λ TsirKc^k Λ T+<J〇Q[k] β i [k] = yi [k]+ai sin (ω ^ Λ Τ+Φ)，对于 i = 1，... η 其中，yjk]为中间积分变量在迭代k次的值，ΛΤ为抽样时间，即t = kAT，i sin(c〇 I ikAT+Φ)为扰动信号，其中，所述扰动信号为具有振幅ap频率和相位φ的 正弦函数，i = 1，…η，η为扰动信号的数量，并且ejk]为所述系数I在迭代k次的值。
8. 根据权利要求7所述的方法，该方法进一步包括： 选择所述频率以满足如下收敛条件： ωρ+ω, ^ ωΓ. P, q, r = 1, *··η〇
9. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述系统是包括具有活动元件的致动器的制动 系统，并且其中，所述参考状态是所述活动元件的参考位置，并且所述实际状态是所述活动 元件的实际位置。
10. -种用于控制系统的操作的控制器，该控制器包括： 处理器，所述处理器用于执行学习模块，其中，所述学习模块使用极值搜索来更新所述 系统的模型。
11. 根据权利要求10所述的控制器，其中，所述学习模块 使表示所述系统的实际输出与期望输出之间的误差的成本函数最小化；以及 基于经最小化的成本函数的值和扰动信号来更新所述模型。
12. 根据权利要求10所述的控制器，其中，所述学习模块在所述系统的操作期间重复 地更新所述模型。
13. 根据权利要求10所述的控制器，其中，所述学习模块 根据如下方程式来确定成本函数在迭代k次的值Q[k]: Q [k] = Ci (xref [k] -xest [k]) 2+C2 (xref [k] -xest [k])2 其中,q和C2为正常数,xMf为所述系统的参考状态，并且xest为所述系统的实际状态； 以及 根据如下方程式来确定所述模型的系数β i : yjk+l] = yJkG+ai Λ TsirKc^k Λ T+<J〇Q[k] β i [k] = yi [k]+ai sin (ω ^ Λ Τ+Φ)，对于 i = 1，... η 其中，yjk]为中间积分变量在迭代k次的值，ΛΤ为抽样时间，即t = kAT，i sin(c〇 I ikAT+Φ)为扰动信号，其中，所述扰动信号为具有振幅ap频率和相位φ的 正弦函数，i = 1，…η，η为扰动信号的数量，并且ejk]为所述系数I在迭代k次的值。
14. 一种用于控制系统的操作的方法，该方法包括： 基于极值搜索来更新所述系统的模型的至少一个系数，其中，所述方法的步骤通过处 理器来执行。
15. 根据权利要求14所述的方法，该方法进一步包括： 基于经更新的模型来更新操作所述系统的控制器。
16. 根据权利要求15所述的方法，该方法进一步包括： 在所述系统的操作期间重复地更新所述模型和所述控制器。
【文档编号】F24F11/00GK104246380SQ201380021426
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年4月30日 优先权日:2012年5月10日
【发明者】M·本诺斯曼 申请人:三菱电机株式会社