用于具有高维多约束的高级多变量控制的方法和设备的制作方法

用于具有高维多约束的高级多变量控制的方法和设备的制作方法
【专利摘要】用于具有高维多约束的物理设备的多变量控制的方法和设备包括：在数学上将受控物理设备的主要受控输出相互解耦，并且对伪输入/受控输出预期设备动态进行整形；跟踪主要控制参考，并且提供预期主要输出跟踪所生成的伪输入供选择；在数学上将约束相互解耦；在数学上将约束与受控物理设备的非交替主要受控输出解耦；对伪输入/约束输出预期设备动态进行整形；跟踪约束控制极限；提供预期约束输出跟踪所生成的伪输入供选择；选择最受限约束并且为解耦主要控制提供平滑伪输入；以及使用解耦非交替主要受控输出和解耦所选最受限约束来控制物理设备。
【专利说明】用于具有高维多约束的高级多变量控制的方法和设备
[0001] 相关申请到交叉引用 本申请要求2012年2月10日提交的美国临时申请序号61/597316以及2012年10月 25日提交的美国申请序号13/66005的优先权，通过引用将其完整公开结合到本文中。

【技术领域】
[0002] 本公开涉及当受控系统包括具有多个约束的多个控制目标时控制系统设计和操 作。

【背景技术】
[0003] 在具有将要对诸如推力、风扇可操作性、核心可操作等（例如对于喷气发动机）的 多个主要控制对象所控制的一个以上主要目标的控制系统中，控制系统将具有要控制的多 个输入和多个输出。这种控制系统应当解决具有多个约束的多变量控制的难题，特别是当 主要控制对象具有高瞬态和动态要求时。该难题基本上是一种协调控制，以保持尽可能多 的主要控制对象，同时实施能够满足所有潜在主动约束（active constraint)的主动约束 所选集合。
[0004] 按传统，单输入单输出（SIS0)控制用于一个主要控制对象一例如在燃气涡轮发 动机中仅用于风扇速度。所涉及的约束分别转换成控制致动器速率-燃料比，需求最大燃 料比的约束选择作为最受限约束并且被实施。在这里，存在如下假设：燃料比始终与风扇速 度变化成比例，并且风扇速度变化始终调准和支配推力响应和可操作性。这在许多工作条 件下可成立，但是对某些工作条件、例如常规发动机应用的超音速工作区不成立，更不用说 非常规发动机应用、例如动力提升操作。
[0005] 多个约束可以仅在一个子集中，也就是说，只有一个主要受控输出同时需要交替。 但是，存在多个约束处于要求交替两个或更多主要受控输出的两个或更多子集中的情况。 当然，子集的数量最多应当等于主要控制柄（control handle)的数量。例如，在燃气润轮 发动机示例中，如果"最大核心速度"和"最大排气温度"约束是主动的，则可需要交替两种 主要受控输出、即"风扇速度"和"压力比"以便获得更好的推力和可操作性性能，同时实施 "最大核心速度"和"最大排气温度"约束。一个难题是控制具有较高维多约束的多个变量。
[0006] 解决这个问题的先前方式在很大程度上过分简单化该问题或者增加相当大的复 杂度。过分简单化方式忽略了基本受控设备输入与必须进行的性能权衡和控制模式选择判 定之间的关系的基本混杂。这将其适用性局限于某些2X2多输入多输出（ΜΙΜΟ)系统，而 不是代表较高维ΜΜ0系统的健壮解决方案。过度复杂化方式将约束控制与主要控制耦合， 通常丧失预计控制对象优先级，并且牺牲控制解决方案的物理意义、健壮性、决定性和可维 护性。


【发明内容】

[0007] 本公开提供一种控制系统设计方法，其将简单、决定性、健壮和系统化解决方案与 对高维多约束问题的高级多变量控制的明确物理意义相结合，其中交替主控制输出基于设 备物理（例如发动机或者取决于应用的其它设备特性）预先确定。所公开的方法提供一种 用于具有多个约束和/或多个高维约束的MMO控制的问题的基本解决方案，接下来所产生 的解决方案充分协调具有所选多主动约束实施的多变量控制，使得在没有约束时，主要多 变量控制具有其如所设计的优化性能；当被约束时，通过分别替换预定交替主要控制输出， 来正确选择并且自然地实施正确的最受限主动约束。如果实施最受限约束，则约束的其余 部分能够自动满足。它们共同使总体系统仍然具有预期主要控制性能，同时在所实施约束 下运行，并且交替主要控制输出具有自然结果（fall-out)。
[0008] 将具有多约束的多变量控制看作是一完整空间。一个子空间是具有将是主动的 约束的仅一个子集以及将要交替的仅一个主要控制输入的类--这是单维多约束情况。空 间的其余部分具有将是主动的约束的两个或更多子集以及将要交替的两个或更多主要控 制--这是高维多约束情况。由本公开所提供的控制系统设计方法不仅用于单维多约束情 况，而且还用于高维多约束情况。
[0009] 由本公开所提供的控制系统设计方法产生基于简单物理的选择逻辑以及与解耦 约束控制的数学上解耦的主要控制。也就是说，主要受控输出在数学上相互解耦，控制中的 所选约束在数学上相互解耦，以及所选约束与主要受控输出在数学上解耦。接下来每个解 耦控制目标可经由其特定性能要求的单输入单输出（SIS0)控制方式来设计。
[0010] 按照本公开，物理设备的控制系统（非限制性地例如燃气涡轮发动机控制、飞行 控制、卫星控制、火箭控制、汽车控制、工业过程控制）的一实施例可包括：控制参考信号的 集合；来自物理设备的受控输出反馈信号的集合；向积分动作提供控制命令微分的多输入 多输出（ΜΜ0)主要解耦控制器（并且实现主要控制输出的预期健壮控制的整形）；能够分 别扩展解耦主要SIS0环路的带宽的SIS0超前/滞后控制器的集合；受控输出跟踪的解耦 SIS0控制器的集合，其分别接收主要受控输出跟踪误差并且提供预期伪输入；多输入多输 出（ΜΜ0)约束解耦控制器，将约束相互解耦，将约束与非交替主要受控输出（non-traded off primary controlled output)解稱，并且基于选择逻辑（以下所述）的预期约束响应 来提供伪输入；约束输出跟踪的解耦SIS0控制器的集合，其分别接收约束输出跟踪误差并 且对预期约束响应进行整形；选择逻辑，其将约束的各子集所生成的伪输入与关联那个子 集的主要受控输出所生成的伪输入进行比较，选择那个子集的最受限约束，并且确定进入 SIS0超前/滞后和ΜΜ0主要解耦控制器的最终伪输入。通过这种架构，积分动作成为主要 控制和约束控制所共享的公共SIS0积分器的集合。
[0011] 按照本公开，物理设备的控制系统包括：积分动作控制单元，提供物理设备的控制 信号；多输入多输出（ΜΜ0)主要解耦控制器，向积分动作控制单元提供控制命令微分，并 且由此至少形成解耦受控设备；以及多输入多输出（ΜΜ0)约束解耦控制器，将约束输出与 物理设备解耦，并且向上述解耦受控设备提供伪输入。在一更详细实施例中，选择逻辑段用 于从下列控制器所计算的那些伪输入中选择主要解耦控制器的伪输入：1) ΜΜ0约束解耦 控制器和约束跟踪控制器；2)主要ΜΙΜ0解耦控制器和输出跟踪控制器。在另一详细实施 例中，控制系统还包括解耦单输入单输出（SIS0)受控输出跟踪控制器的集合，其接收受控 输出跟踪误差信号并且向解耦控制器设备提供伪输入信号。在另一详细实施例中，选择逻 辑包括比较来自ΜΜ0约束解耦控制器的伪输入和来自SIS0受控输出跟踪控制器的伪输入 信号，并且选择至少一个最受限约束以确定对（SISO)超前/滞后控制器的伪输入。作为替 代或补充，选择逻辑包括比较来自MM0约束解耦控制器的伪输入和来自SIS0受控输出跟 踪控制器的伪输入信号，并且选择至少一个最受限约束以确定对（MM0)主要解耦控制器 的伪输入。
[0012] 在一实施例中，控制系统还包括单输入单输出（SIS0)超前/滞后控制 器的集合，以扩展解耦主要SIS0控制环路的带宽，从而向主要解耦控制器提供 I； *(v-d〇t-star)。作为替代或补充，ΜΜ0约束解耦控制器通过拒绝作为已知扰动输入的 非交替主要受控输出，来将约束与非交替主要受控输出解耦。作为替代或补充，ΜΜ0约束 解耦控制器将约束输出相互解耦，并且将约束与非交替主要受控输出解耦。作为替代或补 充，控制系统还包括单输入单输出（SIS0)约束输出跟踪控制器的集合，其接收来自物理设 备的约束输出跟踪误差，并且基于ΜΙΜΟ约束解耦控制器来对预期约束响应进行整形。这类 约束输出跟踪误差可至少部分基于预定约束极限与约束输出之间的差来确定。
[0013] 按照本公开，一种用于不仅具有多个输入和多个输出、而且还具有高维多约束的 物理设备的多变量控制的方法包括下列步骤：将多个主要受控输出相互解耦，解耦多个主 要受控输出的步骤使用多输入多输出（ΜΜ0)主要解耦控制器；将多个约束出相互解耦并 将多个约束与非交替主要受控输出解耦，解耦多个约束的步骤涉及多输入多输出（ΜΜ0) 约束解耦控制器；以及向ΜΜ0主要解耦控制器提供伪输入，其中由约束所生成的伪输入 是与主要受控输出所生成的伪输出可比较的。该方法还包括选择ΜΜ0主要解耦控制器的 一个或多个最受限约束的步骤；其中选择最受限约束的步骤包括下列步骤：将约束的给定 子集所生成的伪输入与关联那个子集的主要受控输出所生成的伪输入进行比较，并且至 少部分基于那些比较来选择最受限约束。ΜΜ0主要解耦控制器可使用动态逆（dynamics inversion)来提供解耦控制。该方法还可包括下列步骤：使用ΜΜ0主要解耦控制器上游 的单输入单输出（SIS0)超前/滞后控制器的集合来扩展解耦主要控制环路的带宽以及将 多个约束与非交替主要受控输出解耦的步骤包括拒绝作为已知扰动输入的非交替主要受 控输出的步骤。
[0014] 按照本公开，一种用于不仅具有多个输入和多个输出、而且还具有高维多约束的 物理设备的多变量控制的方法包括下列步骤：在数学上将受控物理设备的主要受控输出相 互解耦；在数学上将约束相互解耦；在数学上将所选约束与受控物理设备的非交替主要受 控输出解耦；以及使用解耦主要受控输出和/或解耦所选约束（其与非交替主要受控输出 解耦）来控制物理设备。这种方法还包括选择一个或更多最受限约束的步骤。
[0015] 现在将介绍和论述对高维多约束的高级多变量控制的开发。

【专利附图】

【附图说明】
[0016] 图1是能够作为按照本公开、对高维多约束的多变量控制或者对单维多约束的单 变量控制实施例的控制系统架构的框图表示； 图2是按照本公开的示范控制系统架构的一示范实现的框图表示； 图3是供与本实施例一起使用的示范公共单输入单输出（SIS0)积分器的框图表示； 图4是遵循最小/最大（min/max)选择原则的一维约束集合的选择逻辑的简图表示； 图5是遵循不同的最小/最大选择原则的一维约束集合的选择逻辑的简图表示；以及 图6是按照本公开、用于高维约束集合的示范选择逻辑过程的流程图表示。

【具体实施方式】
[0017] 本公开提供一种控制系统设计方法，其将简单、决定性、健壮和系统化解决方案与 具有高维多约束问题的高级多变量控制的明确物理意义相结合，其中交替主控制输出基于 设备物理和性能要求（例如发动机或者取决于应用的其它设备特性）预先确定。该解决方 案将多变量控制与所选多个主动约束实施进行协调，使得在没有约束时，主要多变量控制 具有其如所设计的优化性能；在被约束时，通过分别替换预定交替主要控制输出来正确地 选择和自然实施正确的最受限主动约束。如果实施最受限约束，则约束的其余部分能够自 动满足。它们共同使总体系统仍然具有预期主要控制性能，同时在所实施约束下运行，并且 交替主要控制输出具有自然结果。
[0018] 当主要多变量控制未受约束时，它应当达到其预期性能。当主要控制受到约束时， 约束控制应当将最受限约束保持停留在其极限之内；以及同时，由于约束控制使用部分或 全部主要控制柄，主要控制应当按照可接受方式来交替，同时主要控制的预计非交替部分 应当不爱实施最受限约束影响。
[0019] 基于上述控制设计目的，首先，主要多变量设计成具有解耦输入/输出映射。然 后，多约束控制基于产生于主要控制设计的新受控设备来设计，使得约束控制不仅将约束 相互解耦、将约束与一个或多个非交替主要受控输出解耦，而且还提供伪输入，其是与主要 受控输出所生成的伪输入可比较的。通过这种架构以及作为中心环节的伪输入，ΜΜ0主要 控制和ΜΙΜΟ约束控制产生简单决定性SIS0环路设计。
[0020] 用于得到具有对多约束问题的高级多变量控制的明确物理意义的简单、决定性、 健壮和系统化解决方案的机制包括：（1)将约束候选分类为特定子集，并且各约束子集对 应于主要控制输出的一个交替目标；(2)约束子集的数量应当等于或少于主要控制柄； (3)对于高维多约束、即来自将要同时是主动的不同子集的约束，它们应当在构造各子集 中的SIS0约束控制器之前解耦；(4)各约束子集计算其交替目标--基于这个约束子集 中的每个约束调节器的特定伪输入；(5) ΜΜ0主要控制应当解耦主要受控输出；(6)因 此，多维约束应当逐维来解耦并且与非交替主要受控输出解耦--接下来上述约束控制 器是具有基于相对其相对次数（relative degree)的约束ΜΙΜΟ动态逆的预期动态的解奉禹 SIS0调节器；（7)最受限约束应当产生于比较各子集中的约束所生成的伪输入和基于预 定选择逻辑的关联主要受控输出；(8)应用由最受限约束所生成的伪输入，以替换预先确 定为交替的主要控制；(9) 一个或多个最受限约束主动/被动（active/inactive)转换由 选择逻辑平滑地管理（示例如图6所示）。
[0021] 下面描述对高维多约束的高级多变量控制的设计过程和方式。
[0022] 原始受控设备 不失一般性，假定原始受控设备为：

【权利要求】
1. 一种用于物理设备的控制系统，包括： 积分动作控制单元，提供物理设备的控制信号； 多输入多输出（MMO)主要解耦控制器，将受控输出相互解耦，并对伪输入/受控输出 预期设备动态进行整形，并且向所述积分动作控制单元提供控制命令微分，由此形成新受 控设备的至少一部分；以及 多输入多输出（MMO)约束解耦控制器，将约束输出相互解耦并且与一个或多个非交 替受控输出解耦，并对伪输入/约束输出预期设备动态进行整形，并且向所述新受控设备 提供伪输入。
2. 如权利要求1所述的控制系统，还包括选择逻辑段，用于基于主要解耦控制、从所述 ΜΙΜΟ约束解耦控制器所计算的所述伪输入和所述受控输出跟踪控制器所计算的所述伪输 入来选择所述主要解耦控制器的伪输入。
3. 如权利要求2所述的控制系统，还包括解耦单输入单输出（SIS0)受控输出跟踪控制 器的集合，其接收受控输出跟踪误差信号并且向所述新受控设备提供伪输入信号。
4. 如权利要求3所述的控制系统，其中，所述选择逻辑比较来自所述ΜΜ0约束解耦 控制器的所述伪输入和来自所述SIS0受控输出跟踪控制器的所述伪输入，并选择各主要 SIS0控制环路的最受限约束，并且将其提供给（SIS0)超前/滞后控制器。
5. 如权利要求1所述的控制系统，还包括单输入单输出（SIS0)超前/滞后控制 器的集合，以扩展解耦主要SIS0控制环路的带宽，从而向所述主要解耦控制器提供
6. 如权利要求1所述的控制系统，其中，所述ΜΜ0约束解耦控制器通过拒绝作为已知 扰动输入的非交替主要受控输出，来将所述约束与所述非交替主要受控输出解耦。
7. 如权利要求1所述的控制系统，其中，所述ΜΜ0约束解耦控制器将约束输出相互解 耦，并且将所述约束与所述非交替主要受控输出解耦。
8. 如权利要求1所述的控制系统，还包括单输入单输出（SIS0)约束输出跟踪控制器的 集合，其接收来自所述物理设备的约束输出跟踪误差，并对预期约束响应进行整形，并且向 所述ΜΙΜΟ约束解耦控制器提供所述输入。
9. 如权利要求8所述的控制系统，其中，所述约束输出跟踪误差至少部分基于预定约 束极限与约束输出之间的差来确定。
10. -种用于具有高维多约束的物理设备的多变量控制的方法，包括下列步骤： 控制具有多个输入和多个主要受控输出和高维多约束的物理设备； 将所述多个主要受控输出相互解耦，并且对伪输入/受控输出预期设备动态进行整 形； 将所述多个约束相互解耦； 将所述多个约束与非交替主要受控输出解耦； 对伪输入/约束输出预期设备动态进行整形； 选择所述伪输入项目的最受限约束。
11. 如权利要求10所述的方法，其中，解耦所述多个受控输出的所述步骤涉及多输入 多输出（ΜΜ0)主要解耦控制器。
12. 如权利要求10所述的方法，其中，解耦所述多个约束的所述步骤涉及多输入多输 出（ΜΙΜΟ)约束解耦控制器。
13. 如权利要求10所述的方法，其中，选择所述最受限约束的所述步骤涉及选择逻辑。
14. 如权利要求13所述的方法，其中，所述选择逻辑分别比较约束的给定子集所生成 的所述伪输入和与那些子集关联的所述主要受控输出所生成的所述伪输入，并且至少部分 基于那些比较来选择各子集的所述最受限约束。
15. 如权利要求10所述的方法，其中，所述ΜΜ0主要解耦控制器使用动态逆来提供解 耦控制。
16. 如权利要求10所述的方法，还包括下列步骤：使用所述ΜΜ0主要解耦控制器上游 的单输入单输出（SIS0)超前/滞后控制器的集合来扩展解耦主要控制环路的带宽。
17. 如权利要求10所述的方法，其中，将所述多个约束与非交替主要受控输出解耦的 所述步骤包括拒绝作为已知扰动输入的所述非交替主要受控输出的步骤。
18. -种用于具有高维多约束的物理设备的多变量控制的方法，包括下列步骤： 在数学上将受控物理设备的主要受控输出相互解耦； 在数学上将约束相互解耦； 在数学上将约束与非交替主要受控输出解耦；以及 使用所述解耦非交替主要受控输出和解耦所选最受限约束来控制所述物理设备。
19. 如权利要求18所述的方法，还包括选择一个或更多最受限约束的步骤。
20. 如权利要求10所述的方法，其中，所述选择逻辑基于预定规则来确定各子集的所 述最受限约束，并管理跨子集的所述约束主动/被动转变，并且向所述ΜΜ0主要解耦控制 器提供平滑伪输入。
【文档编号】G05B13/04GK104094175SQ201380008652
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年2月7日 优先权日:2012年2月10日
【发明者】S.卡彭特, M.卢 申请人:通用电气公司