控制器、观测器及其应用的制作方法

专利名称：控制器、观测器及其应用的制作方法
技术领域：
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。
背景技术：
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⑴定义u=Kpe + Kj ^e + KDe(1)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( 给出U(s) = Gc (s) E (s), Gc (5) =(2)其中U(s)和E(S)分别为前文定义的的拉氏变换，而Ii(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Gc(s) = Kp+^ + KDs(3)状态反馈(SF)控制器SF控制器定义如下u=r+Kx(4)并且基于被控对象的状态空间模型x(t) = Ax(t) + Bu(t\ y (t) = Cx (t) +Du (t) (5)当状态χ不可测量时，通常可使用观测器k = Ax + Bu + L(y-y)(6)来求χ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(time)”。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，仍有待于进一步提尚。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-Speed Positioning Systems. " Control Eng. Practice, 4 :4, 527-536 ；Kim, B. K. , H. -T. Choi, W. K. Chung and I. H. Suh (2002). “ Analysis and Design of Robust Motion Controllers in the Unified Framework. " J. of Dynamic Systems, Measurement, and Control,124, 313 — 321 ；Lee, H.S. and M. Tomizuka (1996). " Robust Motion Controller Design for High-Accuracy Positioning Systems. " IEEE Trans.Ind. Electron. , 43 :1,48-55 ；Tesfaye, A., H.S.Lee and M. Tomizuka(2000). " ASensitivity Optimization Approach to Design of a Disturbance Observer in Digital Motion Control. " IEEE/ASME Trans, on Mechatronics, 5:1,32-38 ；Umeno, Τ.and Y. Hori(1991). " Robust Speed Control of DC Servomotors Using Modern Two Degrees of-Freedom Controller Design" . IEEE Trans. Ind. Electron. ,38 :5，363-368)，它采用一个简单的二项式Q型滤波器，使该观测器参数化，如采用一个单一的带宽参数对它整定。E. Schri jver和J. van Dijk在文章〃 Disturbance Observers for Rigid Mechanical Systems :Equivalence,Stability,and Design“ Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 124,no.4, PP. 539巧48，2002中，提出完全不同于P的模型来完成设计，但并没有给出除了应该尽量简单之外的设计指南，因而要小心它的稳定性和可能在品质方面无法满足要求。另一障碍是必须设计一个分立观测器来提供状态反馈给控制器。在现有的研究中，控制器采用导数近似的方式实现，但它们对性能和稳定性的影响仍有待分析。此外，该控制器设计依赖于扰动观测器(DOB)的设计，这意味着导数近似不能随意选择。利用多个扰动观测器(DOB)控制一个多变量的机器人时，把这个机器人处理成一系列解耦的单输-输出(SISO)系统，而且每一个都带耦合动态特性的扰动(Bickel， R. and Μ. Tomizuka (1999). “ Passivity-Based Versus Disturbance Observer Based Robot Control !Equivalence and Stability. “ J. of Dynamic Systems, Measurement， and Control,121,41-47 ；Hori, Y. , K.Shimura and M. Tomizuka(1992). “ Position/ Force Control of Multi-Axis Robot Manipulator Based on the TDOF Robust Servo Controller For Each Joint. “ Proc. of ACC，753-757 ；Kwon, S. J. andW. K.Chung (2002). “ Robust Performance of the Multi loop Perturbation Compensator. “ IEEE/ASME Trans. Mechatronics, 7 :2,190-200 ；Schrijver, E.and J. Van Dijk(2002)Disturbance Observers for Rigid Mechanical Systems !Equivalence， Stability, and Design. “ J. of Dynamic Systems, Measurement，and Control，124， 539-548.) ο另一种方法，被称为未知输入的观测器(UIO)，它是用一个线性扰动模型扩张一个线性被控对象模型，实现对被控对象状态和扰动的估计。(Burl，J. B. (1999). Linear Optimal ConP—ol，pp.308-314. Addison Wesley Longman，Inc.，California ；Franklin,
G.F. , J.D.Powell and M. Workman (1998). Digital Control of Dynamic Systems, Third Edition，Addison Wesley Longman，California ; Johnson，CD. (1971). “ Accommodation of External Disturbances in Linear Regulator and Servomechanism Problems. “ IEEE Trans. Automatic Control，AC-16 :6,635-644 ；Liu, C.-S.，and
H.Peng (2002). 〃 Inverse-Dynamics Based State and Disturbance Observer for Linear Time-Invariant Systems. “ /. of Dynamic Systems,Measurement,and Control， 124,375-381 ；Profeta，J. A. 111，W. G. Vogt and M. H. Mickle (1990) · “ Disturbance Estimation and Compensation in Linear Systems. “ IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems,26 :2,225-231 ；Schrijver,E. and J.van Dijk(2002)“ Disturbance Observers for Rigid Mechanical Systems !Equivalence，Stability, and Design. “ J. ofDynamic Systems，Measurement，and Control，124，539-548)。它不像 DOB 结构，而像 Luenberger观测器，它的控制器和观测器可以分幵设计。但是，它仍然需要一个完好的数学模型，以在设计过程中确定观测器的增益。通常使用多重积分器(1/Sh)来表示外部扰动w。 在假定它们为分段常数的条件下，观测器只简单地扩张了一个状态，就可获得很好性能。扩张状态观测器(ESO)在这里，我们讨论的扩张状态观测器(ESO)大不相同。最初由Han. J. (1999)， “ Nonlinear Design Methods for Control Systems. “ Proc. 14th IF AC World Congi-ess)提出，釆用非线性UIO的形式，后来简化为一种单整定参数的线性化版本，见 Gao, Z. (2003). “ Scaling and Parameterization Based Controller Tuning. “ Proc. of ACC，4989-4996，ESO集成了 UIO的状态与扰动估计的特性和DOB单参数整定的优点，从而实质性地转变了基础的设计概念。传统的观测器是依赖于线性时不变模型，它经常被用于描述一个非线性时变过程。尽管DOB和UIO可以消除了这种标称对象的输入扰动，可是它们仍然没有直接解决系统的动态不确性问题。但是，ESO在一个简单的框架下解决了这两个问题。它为一大类不确定性系统制定一个简单可行的设计模型Pd = l/sn。这种Pd的选择，是为了简化控制器和观测器的设计，并在低频时迫使被控对象P按照 Pd而不是Pn特性工作。这样做的结果是把大部分对象的动态特性和外部扰动的影响集中到一个未知量中。利用ESO可以估计出这个量和输出的导数，从而它为高性能控制器的设计提供了一种直接而有效的方法。自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control, ADRC)Han, J. (1999)最早提出一种采用ESO的非线性非参数化的自抗扰控制方法，见文“Nonlinear Design Methods for Control Systems. “ Proc. 14th IFAC World Congress,而(iao，Ζ.提出了 ADRC控制器的线性化版本以及一个易于整定的参数化ES0，见文Gao，Z· (2003). 〃 Scaling and Parameterization Based Controller Tuning. 〃 Proc. of ACC，4989-4996.在已经实现的一些典型应用中，可以看出它的实用性并具有广泛的工业应用前景。(Gao，Z.，S.Hu*F.Jiang(2001).〃 A Novel Motion Control Design Approach Based on Active Disturbance Rejection. “ Proc. of 40th IEEE Conference on Decision and Control ；Goforth，F. (2004). 〃 On Motion Control Design and Tuning Techniques. “ Proc. of ACC ；Hu, S. (2001). “ On High Performance Servo Control Solutions for Hard Disk Drive. ” Doctoral Dissertation， Department of Electrical and Computer Engineering，Cleveland State University ；Hou，Y.，Ζ.Gao, F.Jiang and B. T.Boulter(2001). “ Active Disturbance Rejection Control for Web Tension Regulation. 〃 Proc. of 40th IEEE Conf. on Decision and Control ；Huang， Y.，K·Xu and J. Han(2001). “ Flight Control Design Using Extended State Observer and Nonsmooth Feedback. “ Proc. of40th IEEE Conf. on Decision and Control ；Sun， B and Z.Gao(2004). “ A DSP-Based Active Disturbance Rejection Control Design for alKW H-Bridge DC-DC Power Converter. “ To appear in :IEEE Trans，on Ind. Electronics ；Xia，Y.，LWu，K. Xu, and J. Han (2004). ” Active Disturbance Rejection Control for Uncertain Multivariable Systems With Time-Delay.，2004 Chinese Control Conference). It was also applied to a fairly complex multivariable aircraft control problem(Huang,Y. ,K. Xu and J. Han(2001). 〃 Flight Control Design Using Extended State Observer and Nonsmooth Feedback. “ Proc. of 40thIEEE Conf. on Decision and Control).对于负责控制某个系统的人员来说，整个工业应用系统是很复杂且有很多东西他们不知道，需要的是应用系统中的一个控制框架。在缺乏必要的专门知识情况下、比目前流行的方法(如多回路PID控制)需要更少的整定参数，同时保持甚至改善性性和鲁棒性。线性自抗扰控制器(LADRC)除了上述控制器外，近来从自抗扰控制器(ADRC)演生出来一种更实用的控制器。下面说明用于ニ阶对象的其线性化形式(LADRC)。下文以为例介绍该控制器。ADRC的特点 是，它在很大程度上独立于控制对象的数学模型，因而在实际应用中它的性能和鲁棒性比 大多数控制器优秀。 以控制- y = -cry-by-\-w-\-bu 其中y和U分别为输出和输人，而W是输人扰动。这里的两个参数a和b都是未 知的，不过其中b可能有部分值是已知的(如b。。b由阶跃响应中y的初始加速度可以导
来)。重写方程(7)可得 y^-ay-by + w + (b-b0)u + b0u^f + b0u
=一妙-~ + w +，f被称为一般化的扰动或扰动，因为它包含了未知内
部动态特性-砂-紗+ (ろ-ろ。)〃和外部扰动W(t)这二者。
/V水阶对象为例(7)出不(8)
式来，则控制律〃 =^T^将对象简化为
b
0
要是f的估计，能够计算个带有扰动(/-/)的双积分单位増益的控制问题け=(/-/)む。
重写方程(8)中的对象为状态空间形式
权利要求
1.一种向系统提供健康监测的方法，包括 确定恰当的控制输入与控制输出对； 确定每个输入/输出对的阶数；建立匹配的扩张状态观测器以估计状态和扰动； 调整至少一个整定参数的值从而获得稳定的输出跟踪； 为估计扰动确定至少一个标称条件；在计算机组件中实现匹配的扩张状态观测器，所述计算机组件接收来自与所述系统可操作地连接的传感器的信号；使用所述匹配的扩张状态观测器处理所述信号以估计所述扰动； 监视所述至少一个标称条件与估计的扰动之间的变化；和从所述变化提取故障信息。
2.一种监测系统健康的方法，包括接收来自传感器的感测数据，所述传感器可操作地与所述系统连接以测量输出(y)； 存储与所述输出(y)耦合的被应用于所述系统的输入(u)；使用扩张状态观测器来处理所述输入(U)和所述输出(y)，所述扩张状态观测器被设计为估计与耦合所述输入(U)与所述输出(y)的模型关联的扰动(f)和至少一个状态；以及比较所述扰动(f)与标称扰动以得出变化。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括 对与特性变量关联的系统故障建模；以及通过比较所述变量与所述扰动来确定故障。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括通过将所述扰动馈送到抗扰控制器中以创建适于消除所述扰动的新命令信号来消除所述扰动。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述扰动(f)包括未建模的动态特性(fm)、未建模的外部扰动(fd)、状态标称对象不准确性(fs)、时变的对象退化(ft)、大模型结构变化引起的故障(ff)、时变模型参数(fp)以及健康退化(fh)。
6.根据权利要求2所述的方法，还包括适于消除所述扰动(f)的抗扰控制器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述抗扰控制器消除所述扰动以使得与所述系统关联的对象动态特性和扰动被从所述系统去除。
8.根据权利要求7所述的方法，其中一控制器被应用于所述系统以使得所述输出(y) 跟随参考项(r)。
9.一种用于对象的健康监测系统，包括计算机，所述计算机适于接收来自传感器的信号，所述传感器可操作地与所述对象连接；所述对象的输出(y)，所述对象的输出(y)是根据所述信号确定的； 输入(u)，所述输入(u)是根据被应用于所述对象的控制信号确定的； 扩张状态观测器，所述扩张状态观测器适于估计与所述输入(U)和所述输出(y)关联的扰动(f)和状态；监测器，所述监测器适于比较所述扰动(f)与标称的扰动；和与所述监测器匹配的特定故障信息的模型，用于确定特定的故障。
10.根据权利要求9所述的系统，还包括抗扰控制器，所述抗扰控制器适于生成去除未知的扰动和对象动态特性的消除信号。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括一控制器，其中该控制器输出一新输入(UO)以使得所述输出(y)跟随参考项ω ；以及包含所述新输入(UO)和所述消除信号之和、来自所述计算机的、经由所述输出被应用于所述对象的控制信号。
全文摘要
本发明涉及一种向系统提供健康监测的方法、监测系统健康的方法以及用于对象的健康监测系统。本发明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。
文档编号G05B13/04GK102354104SQ201110136608
公开日2012年2月15日 申请日期2006年9月18日 优先权日2005年9月19日
发明者A·拉德克, R·米克罗索维克, 周万坤, 郑青, 高志强 申请人:克利夫兰州立大学