专利名称：自动化的pid控制器设计的制作方法
自动化的PID控制器设计本申请根据美国法典第35条119款要求于2009年6月5日提交的临时专利申请No. 61/184, 615的优先权，通过引用将该临时专利申请的内容以其整体并入。
背景技术：
建模应用可以使用户在自由形状环境中创建系统模型，所述自由形状环境不将用户限制于创建特定阶的模型(例如一阶系统模型或具有时间延迟的一阶系统模型)。相反地，自由形状环境可以使用户创建几乎任何阶和/或类型的系统模型。用户可能常常觉得这些自由形状模型难以操作。 例如，用户可能觉得难以为在自由形状环境中开发的系统模型设计控制器。控制器设计可能是困难的，这是因为用户可能必须就特定参数而言来指定控制器，而这些特定参数可能是非直观的。假设用户希望实现用于在自由形状环境中开发的系统模型的比例积分微分(PID)控制器。用户心里可能想到控制器的期望特性，诸如相位裕度或闭环响应速度。常规的应用可能需要用户将这些期望的控制器特性与被用于设计控制器的P、I和D增益的特定值相关联。将期望特性与P、I和D的值相关联可能证明对于用户是困难的，因为P、I和D的增益与期望特性(例如相位裕度或闭环响应速度)的关联是复杂的、非线性的，并且对于自由形状建模应用的一般用户是非直观的。这些困难可能导致用户诉诸于对P、I和D的值的反复试错猜测，希望他/她最终设计出实现对于反馈系统(即控制器与系统的组合)的可接受或期望的响应的控制器。自由形状建模环境的用户在为自由形状模型设计控制器时所面临的困难可能阻碍用户利用自由形状环境来设计某些类型的控制器，诸如复控制器。
并入本说明书并且构成其一部分的附图示出了本发明的一个或多个实施例，并且连同描述一起说明了本发明。在附图中图I示出了用于实践本发明的实施例的示例性系统；图2示出了用于实践本发明的实施例的示例性功能图；图3示出了模型的示例性表示；图4示出了用于使非线性模型线性化的示例性逼近技术；图5不出了能够包括与本发明的原理相一致的控制器的模型的一般表不;图6示出了能够与用于设计控制器的技术一起被使用的示例性增益样板(template)；图7示出了用于选择PID控制器的示例性用户界面；图8示出了用于调谐PID控制器的响应的示例性用户界面；图9A和图9B示出了用于调谐PID控制器的响应的示例性用户界面；图IOA和图IOB示出了能够被用于实现本发明的实施例的示例性处理；
图11示出了用于实现本发明的实施例的示例性架构；以及图12示出了用于在自由形状模型中交互地设计和实现控制器的示例性分布式实施例。
具体实施例方式下面对与本发明的原理相一致的实现的详细描述参照附图进行。不同图中的相同参考标号可以标识相同或相似的单元。另外，下面的详细描述不限制本发明。相反地，本发明的范围由所附权利要求及其等同内容限定。 示例性实施例包括用于调谐比例积分(PI)和比例积分微分(PID)控制器的方法、计算机可读介质以及设备。这些实施例允许用户利用一般用户所熟悉的调谐参数来指定控制器性能规范，所述调谐参数诸如为(但不限于)闭环响应速度、闭环带宽、相位裕度等。这些性能规范不同于被用于控制器的调谐参数，诸如P、I和D增益。允许用户利用性能规范来设计控制器能够便于用户与控制器设计应用之间的直观交互，所述控制器设计应用诸如为控制器工具箱，其与自由形状建模环境一起操作。本发明的实施例允许用户在不必须手动确定和/或调谐控制器的P、I和D增益的情况下设计控制器。例如，实现可以根据开环频率响应操作并且能够与系统的单输入单输出(SISO)环路表示一起工作。其他实施例能够在系统一次一个环路地按顺序被处理时与多输入多输出(MIMO)系统一起工作。所述实施例能够在对受控体的阶没有限制或在受控体中不存在时间延迟的情况下工作。例如，用户可以设计出这样的PID控制器其实现诸如期望带宽和/或相位裕度的性能目标，而同时满足用户所限定的稳健性指标(例如过冲、增益裕度等)。用户可以通过指定像闭环带宽和相位裕度这样的参数来实现所述目标。相比之下，常规的方法可能需要用户一直试验P、I和D的值，直至用户最终获得令人满意的性倉泛。另一实施例可以向用户提供包括输入机构(例如滑块)的图形用户界面(GUI)，所述输入机构允许用户在控制器执行时改变相位裕度、闭环带宽和/或响应速度。所述实施例可以在用户操纵输入机构时显示响应曲线，例如幅值相对时间的曲线，从而支持交互式控制器设计。实施例也能够支持代码生成，由此能够生成用于控制器的可执行代码。例如，用户可以限定用于在汽车中所使用的燃料喷射系统的PID控制器。用户可以生成实现控制器的代码，例如C++代码，并且可以将所述代码传送到将在汽车中实现控制器(例如汽车中的嵌入式控制器)的处理设备。示例性系统图I不出了用于实践实施例的不例性系统100。系统100可以被用于构建包括一个或多个实体的模型、设计和实现用于该模型的PID控制器和/或生成用于该控制器的代码。系统100可以包括计算机105、获取逻辑110、操作系统115、建模环境120、模型130、输入设备140、显示设备150、模型表示160以及受控体170。图I中的系统是示意性的，并且系统100的其他实施例能够包括更少的设备、更多的设备和/或采用与图I的配置不同的配置的设备。
计算机105可以包括执行处理操作、显示操作、通信操作等的设备。例如，计算机105可以包括能够被用于执行和/或支持代表用户的处理活动的逻辑，诸如一个或多个处理或存储设备。计算机105的实施例可以包括台式计算机、膝上型计算机、客户端、服务器、大型机、个人数字助理(PDA)、可以上网的蜂窝电话、智能手机、智能传感器/致动器，或者执行指令以执行一个或多个活动和/或生成一个或多个结果的另一计算或通信设备。计算机105还可以通过向另一设备(未在图I中示出)发送数据或从该另一设备接收数据来执行通信操作。数据可以指的是具有可以适于供在一个或多个网络中使用和/或供一个或多个设备使用的大体上任何格式的任何类型的机器可读信息。数据可以包括数字信息或模拟信息。数据还可以是分组的 和/或非分组的。获取逻辑110可以从计算机105外部的设备获取数据，并且可以使数据对计算机105可用。例如，获取逻辑110可以包括被用于使数据对计算机105可用的模拟到数字转换器、数字到模拟转换器、滤波器、多路复用器等。计算机105可以使用所获取的数据来执行建模操作、PID控制器设计活动等。操作系统115可以管理与计算机105相关联的硬件和/或软件资源。例如，操作系统115可以管理与接收用户输入、操作计算环境105、分配内存、按优先顺序对系统请求进行排列等相关联的任务。在一实施例中，操作系统115可以是虚拟操作系统。操作系统115 的实施例可以包括 Linux、Mac OS、Microsoft Windows、Solaris、UNIX 等。操作系统115还可以在能够由计算机105提供的虚拟机上运行。建模环境120可以提供计算环境，该计算环境允许用户执行与学科有关的仿真或建模任务，所述学科诸如为(但不限于)数学、自然科学、工程学、医学、商学等。建模环境120可以支持一个或多个执行指令以允许用户构建具有可执行语义的模型的应用。例如，在一实施例中，建模环境120可以允许用户创建具有可执行语义的自由形状模型(例如一阶模型、二阶模型、三阶模型、四阶模型、五阶模型等)。建模环境120还可以支持基于时间、基于事件等的建模活动。模型130可以包括用于文本模型或图形模型的信息。例如，模型140可以包括用于文本模型或图形模型的信息，所述模型可能是基于时间的模型、基于事件的模型、状态转换模型、数据流模型、部件图、实体流图、基于方程的语言图等。模型130的图形实施例可以包括表示用于执行操作的可执行代码的实体(例如块、图标等)。所述实体的代码可以被执行以利用模型来执行仿真。可以利用在模型中表示用于将数据从一个实体传送到另一实体的路径的线将实体连接在一起。输入设备140可以接收用户输入。例如,输入设备140可以将用户运动或动作转变成能够由计算机105解释的信号或消息。输入设备140可以包括但不限于键盘、指示设备、生物计量设备、加速度计、麦克风、摄像机、触觉设备等。显示设备150可以向用户显示信息。显示设备150可以包括阴极射线管(CRT)、等离子显示设备、发光二极管(LED)显示设备、液晶显示(IXD)设备等。显示设备150的实施例可以被配置为在需要时接收用户输入(例如经由触敏屏幕)。在一实施例中，显示设备150能够向用户显示一个或多个图形用户界面(⑶I)。⑶I可以包括模型140和/或其他类型的信息。模型表示160可以包括由模型130提供的视觉表示。例如，模型表示160可以被显示给用户并且可以包括由线连接的多个实体。当模型130被执行时，模型表示160可以改变为示出例如通过模型的数据流。受控体170可以包括向计算机105提供数据的一个或多个设备。例如，受控体170可以包括引擎系统，利用诸如加速度计、热电耦、光电收发器、应变仪等的传感器来监控所述引擎系统。在一实施例中，获取逻辑110可以接收来自受控体170的、采用模拟或数字形式的信号，并且可以将所述信号转变成适于在计算机105中使用的形式。示例性建模环境
图2示出了建模环境120的示例性实施例。建模环境120可以包括仿真工具210、实体库220、接口逻辑230、编译器240、控制器逻辑250、优化器260、仿真引擎270、报告引擎280以及代码生成器290。图2所示的建模环境120的实施例是示意性的，并且建模环境120的其他实施例可以包括更多的实体或更少的实体而不背离本发明的精神。仿真工具210可以是用于构建模型的应用。仿真工具210可以被用于构建具有可执行语义的文本模型或图形模型。在图形模型的情况下，仿真工具210可以允许用户创建、修改、诊断、删除模型实体和/或连接，等等。仿真工具210可以与图I或图2所示的其他实体进行交互以接收用户输入，执行模型，显示结果，生成代码等。实体库220可以包括代码模块或实体(例如块/图标)，用户能够将代码模块或实体拖放到包括模型表示160的显示窗口中。在图形模型的情况下，用户还可以利用连接来耦合实体以产生诸如受控体170的系统的图形模型。接口逻辑230可以允许建模环境120向设备(例如目标环境)或软件模块(例如应用程序接口)发送数据和/或信息或者从该设备或软件模块接收数据和/或信息。在一实施例中，接口逻辑230可以使获取逻辑110与建模环境120连系。编译器240可以将模型编译成可执行的格式。由编译器240产生的编译代码可以在计算机105上被执行以产生建模结果。在一实施例中，编译器240也可为诊断与模型相关联的错误提供调试能力。控制器逻辑250可以被用于创建和实现模型130中的控制器。例如，控制器逻辑250可以为表示模型表示160中的控制器类型的实体提供功能。当模型执行时，控制器逻辑250可以通过与模型表示160中的实体进行交互而对模型执行控制操作。在一实施例中，控制器逻辑250可以包括在模型表示160中实现控制器(例如PID控制器)的控制算法。控制器逻辑250的实施例可以被配置为在独立的或分布式的实现中操作。优化器260可以为模型优化代码。例如，优化器260可以优化代码以与在代码没有被优化的情况下执行代码相比使代码占据更少内存，使代码更高效地执行，使代码更快地执行，等等。优化器260也可以为控制器逻辑250执行优化，例如优化控制器的参数。在一实施例中，优化器260可以与编译器240、控制器逻辑250、代码生成器290等一起操作，或者可以被集成到其中。仿真引擎270可以执行用于执行模型以对系统进行仿真的操作。仿真引擎270可以被配置为基于用户偏好或系统偏好执行独立的或远程的仿真。报告引擎280可以基于建模环境120中的信息产生报告。例如，报告引擎280可以产生指示PID控制器是否满足设计规范的报告、指示控制器是否以稳定的方式操作的报告、指示模型是否正确地编译的报告，等等。报告引擎280的实施例能够产生采用电子格式以供在显示设备150上显示的报告、采用硬拷贝格式的报告和/或采用适于在存储设备中存储的格式的报告。代码生成器290能够根据模型生成代码。在一实施例中，代码生成器290可以接收第一格式的代码，并且可以将该代码从第一格式转变成第二格式。在一实施例中，代码生成器290能够根据模型的至少一部分生成源代码、汇编语言代码、二进制代码、接口信息、配置信息、性能信息、任务信息等。例如，代码生成器290能够根据模型生成C、C++、SyStemC、Java、结构文本等代码。代码生成器290的实施例还能够根据图形模型(例如系统建模语言(SysML)、可扩展标记语言(XML)、实时和嵌入式系统的建模和分 析(MARTE)、硬件描述语言(HDL)、汽车开放式系统架构(AUT0SAR)等)的一些或全部生成基于统一建模语言(UML)的表示和/或扩展。在一实施例中，优化器270能够与代码生成器290进行交互以生成根据参数(例如内存使用、执行速度、多路处理等)被优化的代码。本发明的实施例可以被用于交互地设计供在大体上任何阶和/或延迟的非线性模型中使用的控制器。这些实施例可以被配置为使用精确的线性化技术来产生能够表示非线性模型的至少一部分的线性非时变模型。示例性模型表示图3示出了模型300的示例性表示。模型300示出了用于控制以期望速度310行进的车辆的速度的系统，该期望速度可以是用户限定的速度。在模型300中，巡航控制系统330可以被设计用于汽车350。将期望速度310与实际速度360进行比较以得出速度误差320。速度误差320可被输入巡航控制系统330，并且巡航控制系统330可以调节汽车的速度。巡航控制系统330与加速器位置命令340通信以设定加速器踏板的位置，从而调节汽车350的速度。汽车350能够通过速度计以实际速度360的形式提供输出反馈，用于再次与期望速度310进行比较。在图3中，实际速度360是被称为反馈信号的信号。实际速度360被用于计算速度误差320，该速度误差320是期望速度310与实际速度360之间的差。巡航控制系统330被设计成响应于速度误差320并且计算加速器位置命令340以改变汽车350的速度。设计巡航控制系统330可能需要汽车350的行为是已知的。巡航控制系统330的成功设计可能还需要理解加速器踏板的位置是如何随时间影响汽车350的速度的。对汽车350的行为的精确理解可允许稳健的巡航控制系统330的设计。在一些情形下，汽车的行为能够在系统|吴型中被捕捉。在一些情况下，诸如在巡航控制系统中，物理系统的精确模型需要非常复杂的描述。例如，汽车可能是非线性系统，分析和控制设计技术对于其可能是不可用的。例如，希望对非线性汽车进行仿真的用户可能需要使用逼近以在数值上表示汽车。举例来说，可以使用诸如线性化的技术来逼近非线性的汽车模型。线性化可以被应用于汽车模型的单个部分(例如应用于操作点)，或者被应用于汽车模型的若干部分。当线性化被应用于模型的多个部分时，可以通过将在多个操作输入下获得的线性化模型结合以得出对汽车模型的逼近而使用增益调度技术将各个逼近结合。仍然参照图3，当在模型的一部分上对模型300线性化时，可以选择线性化点。例如，可以使用图标370来标识第一线性化点，并且可以使用图标380来标识第二线性化点。线性化点370和380可以被用于标识模型300的要被线性化的一部分。实施例可以允许用户选择线性化点370、380，或者可以通过编程来确定线性化点370、380(例如在没有用户输入的情况下)。开环点390可以被指定，并且可以指示反馈环路360的打开或断开。使反馈环路360断开可以有助于使模型300的一部分线性化。例如，图标370、380和390能够被用于仅指定汽车模型的线性化，即没有闭合环路和控制器。当线性化点370、380和开环点390被选择时，可以选择操作点。操作点可以是这样的点在该点附近，模型300被线性化，并且该点可以限定模型300在特定时间下的状态。
例如，在汽车发动机的模型中，操作点一般可以由诸如发动机转速、节气门角度、发动机温度以及周围环境条件的变量来描述。模型的行为或者通常所称的“动态(dynamics) ”通常受操作点的值影响。例如在汽车中，如果汽车在高海拔处或低海拔处被操作，那么发动机的行为能够大幅地变化。在这种情况下，海拔对于汽车发动机是操作点的一部分。线性模型是可以在系统操作点附近的小区域中有效的逼近。在操作点附近，逼近可能较好，而在远离操作点处，逼近可能较差。在3000英尺处被操作的汽车的线性模型在接近3000英尺的海拔处将非常精确，但是当汽车在例如海平面处行进时将没那么精确。在图4中示出了一示例，该示例示出了应用于非线性函数的线性逼近技术。图4示出了操作点440以及示例性的非线性函数405,其被指示为y = x2。如果线性逼近410被选取为在X = O. 3处，则原始函数可以被逼近为y ^ O. 09+0. 6 (χ-0. 3)。这个线性逼近410是直线的方程。原始函数与线性逼近在X = O. 3处相交。在X = O. 3附近的区域中，该逼近非常精确；然而，当X进一步移动远离X = O. 3时，该逼近变得非常差。通常，对于复杂物理系统的线性化，逼近在选定的操作点附近是精确的。因此，对操作点的指定直接确定线性化所给出的结果。在一些实现中，单个线性逼近，例如逼近410可以被用于表示非线性系统。在其他情形中，两个或更多个线性逼近可以被用于表示非线性系统的各个部分。例如，逼近410、逼近420以及逼近430可以被用于在三个操作点处逼近非线性函数405。被设计用于这三个操作点的控制器能够利用增益调度技术被结合以得出用于非线性系统的总控制器。示例性控制技术用于实现本发明的实施例的技术提供如下。具有单输入单输出(SISO)反馈环路的系统的概括表示在图5中被示出。例如，图5的系统可以是图3的汽车巡航控制系统的概括表示。在图5中，PID控制器520能够表示巡航控制系统330，并且受控体525能够表示汽车350。在图5的实现中，受控体525可以是线性的、非时变的模型，控制器520可以是PID控制器，信号R 505可以表不基准信号,信号515可以表不能够被表不为e = r-y的误差信号，信号D 530可以表不输出干扰,并且信号Y可以表不输出。当设计控制器520时，用户可以具有控制器520在与受控体525 —起操作时应当实现的目标。例如，用户可以指定闭环稳定性、零稳定状态误差、响应时间(例如在确定的区间内上升并且建立的、对阶跃输入r或d的响应y)、稳健性要求(例如阶跃响应具有小的过冲，并且增益和相位裕度足够大，诸如6dB的增益裕度和45度的相位裕度。)具有可调谐参数P、I、D和N的标准连续时间PID控制器能够由下式表示Φ) - P + r-i-(方程 I)
应用常规技术来设计满足诸如上文所标识的那些的设计目标的PID控制器的用户可能需要找出P、I、D和N，其中N表示其中微分项有效的频率范围，或者在采用(1+s/N)形式的情况下，其表示微分滤波器的极点位置。确定控制器的四个参数可能需要对例如四维(4D)空间进行计算量很大的搜索。例如，为P、I、D和N搜索其中每个维度包括100个数据搜索点的4D空间将需要测试IOO4 (100，000，000)个数据点。结果，4D搜索可能太慢而不能支持交互式应用，诸如允许用户交互地设计模型的PID控制器的应用。示例性的实施例能够便于PID参数的迅速调谐，使得交互式PID设计应用能够被支持。事实上，实施例能够实时地操作，使得用户能够修改输入并且立即(即没有给一般用户带来不便的延迟)看到反映修改后的控制器的显示。例如，在一实施例中，能够固定ω。，该ω。为开环响应L = GC的增益首次穿过OdB线的频率。在该实施例中，ω。与闭环带宽直接有关，而闭环带宽则与控制器的响应速度直接有关。该实施例也能够固定Gm，该0m为交界频率下的期望相位裕度。θπ也可以部分地控制与控制器相关联的过冲的量。该实施例还能够允许针对给定的相位裕度目标Θ m调节ω。，或者允许针对给定的交界频率目标ω。调节Qm。一旦ω。和θπ被选定，就能够通过用ω。下的增益交界频率和ω。下的相位裕度θ m使PID参数化来调谐PID控制器的两个剩余参数。所述参数化能够被写成
权利要求
1.包含一个或多个可执行指令的一个或多个计算机可读介质，当在处理逻辑上被执行时，所述可执行指令为用于任意非线性模型的比例积分微分(PID)控制器确定參数，所述介质包含用于以下操作的ー个或多个指令 自动确定所述任意非线性模型的要被线性化的部分； 使所确定的所述任意非线性模型的部分线性化，所述线性化产生线性模型； 计算所述线性模型的开环频率响应； 接收代表用户的设计规范，所述设计规范限定 所述开环响应的期望増益交界频率，或 所述增益交界频率下的期望相位裕度；以及 利用所述频率响应和所接收的输入自动调谐PID控制器參数，所述自动调谐 用于在所述PID控制器控制所述线性模型时实现期望的性能；以及 用代数方法确定所述參数中的两个。
2.根据权利要求I所述的介质，其中所述期望的性能是 由所述用户指定的，或者 通过编程指定的。
3.根据权利要求I所述的介质，其中所述输入经由图形用户界面(GUI)被接收，其中所述GUI与在所述任意非线性模型中表示所述PID控制器的部件相关联。
4.根据权利要求I所述的介质，其中 利用与图形用户界面(⑶I)相关联的可移置滑块来指定所述期望増益交界频率和所述期望相位裕度；或者 利用所述可移置滑块指定所述期望増益交界频率，并且自动选择所述期望相位裕度。
5.根据权利要求I所述的介质，其中代表与以下各项进行交互的部件执行所述调谐 兼容Simulink的语言， Simulink 模型， 兼容MATLAB的语言，或 MATLAB 模型。
6.包含一个或多个可执行指令的一个或多个计算机可读介质，当在处理逻辑上被执行吋，所述可执行指令使表示控制器的块与生成用在所述块中的控制器的算法相连系，所述介质包含用于以下操作的ー个或多个指令 接收 线性非时变(LTI)模型，所述LTI模型 在表示任意非线性模型的一部分的操作条件下逼近所述任意非线性模型， 能够具有延迟，并且 能够具有大体上任何阶， 性能和稳健性特性，所述性能和稳健性特性用于控制所述LTI模型的控制器，所述性能和稳健性特性标识 开环增益交界频率，和 开环相位裕度；以及 提供所述性能和稳健性特性给调谐算法，所述调谐算法生成满足所述特性的控制器，所述调谐算法自动调谐满足所述性能和稳健性特性的控制器參数。
7.根据权利要求6所述的介质，其中所述任意非线性模型处在自由形状建模环境中。
8.根据权利要求6所述的介质，其中所述块包括使所述控制器參数被写入所述块中的调谐机构。
9.根据权利要求6所述的介质，其中所述块允许所述用户在以下各项之间交互地进行折衷 控制器稳健性，和 控制器性能。
10.根据权利要求6所述的介质，其中所述控制器被实时地提供给所述模型，其中实时包括不会不利地损害用户对所述块或所述控制器算法的交互操作的处理延迟。
11.根据权利要求6所述的介质，其中所述控制器是以下各项中的至少ー个 比例⑵控制器； 积分⑴控制器； 比例微分(PD)控制器，所述ro控制器 具有微分滤波器，或 没有所述微分滤波器， 比例积分(PI)控制器，或 PID控制器，所述PID控制器 具有所述微分滤波器，或者 没有所述微分滤波器。
12.包含一个或多个可执行指令的一个或多个计算机可读介质，当在处理逻辑上被执行吋，所述可执行指令调谐与线性化的受控体模型一起被使用的控制器，所述介质包含用于以下操作的ー个或多个指令 启动交互式调谐界面，所述交互式调谐界面用于 计算环路响应， 用图形显示所述环路响应， 计算性能和稳健性信息， 用图形显示所述性能和稳健性信息， 调谐所述控制器的參数，以及 接收用户输入； 使所述受控体模型线性化以产生线性化的受控体模型，所述线性化的受控体模型在所述受控体执行时由所述控制器控制； 接收用户输入，所述用户输入确定 増益交界频率，和 开环相位裕度； 调谐所述控制器的參数，所述调谐 基于所指定的増益交界频率和所述开环相位裕度用代数方法为所述控制器求解特定參数，所述求解自动被执行，在减小的捜索空间内优化剰余的控制器參数，所述优化自动被执行，以及产生调谐控制器，所述调谐控制器具有对应于所指定的输入的特性；以及显示对于所述调谐控制器的响应，所述响应指示在所述受控体执行时所述调谐控制器如何与所述受控体一起操作。
13.根据权利要求12所述的介质，其中所述交互式调谐界面与Simulink模型中的比例积分微分(PID)控制器块一起被使用。
14.根据权利要求12所述的介质，其中所述调谐控制器的特性满足价值函数。
15.根据权利要求12所述的介质，其中所述调谐还包括用于以下操作的ー个或多个指令 执行相对于除固定參数以外的參数的优化。
16.根据权利要求12所述的介质，其中所述交互式调谐界面还包括用于以下操作的一个或多个指令 针对所述调谐控制器，显示以下各项中的至少ー个 上升时间， 建立时间， 过冲， 峰值， 増益裕度， 相位裕度， 最大灵敏度， 最大补偿灵敏度，或 闭环稳定性。
17.根据权利要求12所述的介质，其中所述受控体能够被表示为单输入单输出(SISO)环路。
18.根据权利要求12所述的介质，其还包括用于以下操作的ー个或多个指令 为所述任意非线性模型选择操作点，所述操作点指示 所述受控体在何处被线性化，以及 所述受控体在何处被设计， 其中所述调谐控制器控制接近所述操作点的任意非线性模型。
19.根据权利要求18所述的介质，其还包括 为所述任意非线性模型选择第二操作点； 产生用于控制接近所述第二操作点的任意非线性模型的调谐控制器；以及执行增益调度以调度用于所述第一操作点的调谐控制器和用于所述第二操作点的调谐控制器。
20.包含一个或多个可执行指令的一个或多个计算机可读介质，当在处理逻辑上被执行时，所述可执行指令为具有ー个、两个、三个或四个參数的控制器确定參数，所述控制器用于控制非线性模型，所述介质包含用于以下操作的ー个或多个指令 在自由形状建模环境中使所述非线性模型的至少一部分线性化，所述线性化产生在特定区域内有效的线性模型；计算所述线性模型的开环频率响应； 接收对于以下各项的输入 所述开环响应的期望増益交界频率，或 所述增益交界频率下的期望相位裕度；以及 利用以下各项自动调谐增益 所述频率响应，和 所接收的输入； 其中， 所述自动调谐实现期望的性能目标；并且 所述自动调谐在支持用于所述任意非线性模型的交互式PID控制器设计的时间区间期间被执行。
21.一种用于控制任何阶的受控体的计算机实现方法，所述方法包括 利用能显示在非线性系统模型中的交互式控制器块与所述系统模型进行交互； 利用所述交互式控制器块使所述系统模型线性化； 产生供在所述系统模型中使用的受控体，所述受控体； 基于所述线性化产生， 具有任何确定的阶，以及 在所述系统模型执行时由所述交互式控制器块控制； 在所述交互式控制器块执行时接收指定所述交互式控制器块的特性的用户输入，所述输入包括 増益交界频率，和 相位裕度， 其中所述输入经由与所述交互式控制器块相关联的图形用户 界面(GUI)被接收；以及 调谐与所述交互式控制器块相关联的控制器，所述调谐自动被执行，所述调谐包括 在有两个或更少的參数时求解所述控制器的參数，和 在有多于两个控制器參数时求解两个參数并且为剰余的參数进行优化。
22.一种用于控制任何阶的受控体的设备，所述设备包括 用干与非线性系统模型进行交互的装置； 用于使所述系统模型线性化的装置； 用于产生供在所述系统模型中使用的受控体的装置，所述受控体 基于所述线性化产生， 具有任何确定的阶，并且 在所述系统模型执行时由交互式控制器装置控制； 用于接收指定所述交互式控制器装置的特性的用户输入的装置，所述输入指定 増益交界频率，和 相位裕度， 其中所述输入经由用户界面装置被接收；以及 用于调谐与所述交互式控制器装置相关联的控制器的装置，所述调谐自动被执行，所述调谐包括 在有两个或更少的參数时求解所述控制器的參数；以及 在有多于两个控制器參数时求解两个參数并且为剰余的參数进行优化。
23.ー种用于调谐比例积分微分(PID)控制器的方法，所述方法包括 标识所述PID控制器的设计目标，所述设计目标包括 确定的闭环稳定性，和 确定的稳健性量度； 指定表示所述开环的増益交界频率的第一值； 指定表示所述开环的相位裕度的第二值；以及 在所述第一值和所述第二值被指定时调节所述PID控制器的自由參数，所述调节调谐所述PID控制器，使得被调谐的PID控制器满足所述设计目标。
24.根据权利要求23所述的方法，其中 所述固定參数包括ω。和θπ，并且 所述自由參数包括α和β。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述稳健性量度包括 过冲、增益裕度或价值函数。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述固定參数和所述自由參数被用于以连续时间表达式来表达所述PID控制器，所述连续时间表达式被表示为
27.ー种利用开环频率响应评价用于受控体的比例积分微分(PID)控制器设计的稳定性的方法，所述方法包括 确定值，其中所述值为整数； 确定所述受控体在频率栅格内的增益值和展开相位值； 确定所述PID控制器的开环幅度和相位； 标识所述PID控制器的増益交界频率； 在所述频率栅格上确定所标识的増益交界频率的对应相位值； 利用所述整数值确定第一交界频率下的相位角是否处于区间内； 确定其他交界频率的相位角满足关系，其中所述关系指示所述其他交界频率的相位角对所述PID控制器的闭环稳定性大体上没有贡献；以及 确定相位裕度至少满足另外的交界频率下的相位裕度值。
28.根据权利要求27所述的方法，其中 所述整数值为r ； 所述频率栅格被表示为 所述开环相位被表示为φ(ω); 所述第一交界频率下的相位角为(Po，并且所述区间能够被表示为[(2r-l) π + θπ，(2r+l) Ji - Θ J ； 所述关系能够被表示为对于k = 1，...， ,μ(φ2^ι) = μ(φ20;以及 所述相位裕度由91]1给出，并且所述另外的交界频率能够被表示为ω 2m°
29.ー种用于评价比例积分微分(PID)控制器设计的方法，所述方法包括 标识所述PID控制器设计的第一自由參数和第二自由參数，所述PID控制器设计包括第一固定參数和第二固定參数； 标识所述第一自由參数的多个值； 标识所述第二自由參数的多个值； 将包括所述第一自由參数和所述第二自由參数的值中的ー个或多个的范围划分栅格，利用栅格划分技术来执行所述栅格划分； 标识供与所述栅格划分技术一起被使用的所述第一自由參数和所述第二自由參数的ー个或多个值使用的约束； 丢弃所述第一自由參数和所述第二自由參数的违反所述约束或未能满足奈奎斯特稳定性测试的值； 评价包括未被丢弃并且满足所述奈奎斯特稳定性测试的所述第一自由參数的值和所述第二自由參数的值的对的价值函数；以及 为确定的交界频率选择产生所述价值函数的最小值的对，其中所述交界频率是所述第一固定參数或所述第二固定參数中的ー个。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一固定參数是増益交界频率ω。，而所述第二固定參数是相位裕度9m。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述第一自由參数为α，而所述第二自由參数为β。
32.根据权利要求29所述的方法，其中利用所述栅格划分技术以确定的增量执行所述栅格划分。
33.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一自由參数为α，而所述第二自由參数为β，并且其中所述约束确定ニ维范围并且被表示为O < α < β < 90和Δφ-90 < β-α。
34.根据权利要求29所述的方法，其中所述价值函数涉及灵敏度函数和补偿灵敏度函数。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述价值函数被表示为
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述价值函数具有指定如下的下限
37.根据权利要求36所述的方法，其还包括 在所述价值函数的最小值超过所述上限时，修改所述交界频率。
38.ー种用于评价比例积分微分(PID)控制器设计的方法，所述方法包括标识所述PID控制器设计的第一自由參数和第二自由參数，所述PID控制器设计包括第一固定參数和第二固定參数； 标识所述第一自由參数的多个值； 标识所述第二自由參数的多个值； 捜索包括所述第一自由參数和所述第二自由參数的值中的ー个或多个的范围，利用优化技术执行所述搜索； 标识供所述第一自由參数和所述第二自由參数的ー个或多个值使用的约束； 丢弃所述第一自由參数和所述第二自由參数的违反所述约束或未能满足奈奎斯特稳定性测试的值； 评价包括未被丢弃并且满足所述奈奎斯特稳定性测试的所述第一自由參数的值和所述第二自由參数的值的对的价值函数，所述价值函数以所述优化技术操作；以及 为确定的交界频率选择产生所述价值函数的最小值的对，其中所述交界频率是所述第一固定參数或所述第二固定參数中的ー个。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述第一自由參数为α，而所述第二自由參数为β。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述价值函数选择α和β的值。
41.根据权利要求40所述的方法，其中α和β被用在下面的表达式中
42.根据权利要求38所述的方法，其中所述优化技术包括直接搜索技术或梯度下降技木。
全文摘要
实施例提供了允许用户在自由形状建模环境中执行对诸如PID控制器的控制器的交互式设计的技术、计算机可读介质以及设备。用户能够利用一般用户所熟悉的特性来调谐控制器，而不是必须为所述控制器指定增益值，将所述增益值与控制器的性能相关联对于用户可能是困难的。
文档编号G05B13/04GK102713771SQ201080035134
公开日2012年10月3日 申请日期2010年3月30日 优先权日2009年6月5日
发明者B·埃里尔马斯, P·加希内, R·陈 申请人:数学工程公司