具有稳定性监测的反馈控制器参数生成的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年5月1日提交的第61/174756号美国临时申请的优先权。

技术领域

本公开总体涉及电磁材料测试系统。具体而言，本发明涉及反馈控制器参数生成和初始控制器稳定性监测。

技术实现要素：

总体而言，在一些方面，通过向控制系统输入具有预定波形的测试信号、自动监测材料测试系统的输出以及将输出与阈值进行自动比较来确认使用指定滤波器参数的材料测试系统的控制系统的稳定性。如果输出超过阈值，则采取第一动作。如果输出未超过阈值，则允许向控制系统输入命令信号。

一些实现方式可以包括如下特征中的一个或多个。测试信号包括以命令信号的平均位置为中心的两个方波。方波的频率为1Hz。测试信号包括命令信号的衰减版本。测试信号包括命令信号的低频版本。测试信号包括与命令信号的波形匹配并且具有命令信号幅度的95％的幅度的波形。阈值随侧测试信号而变化。阈值是测试信号幅度的百分比。测试信号包括命令信号的低频和稍微衰减版本与小幅高频信号的组合。采取第一动作包括停止控制系统的操作。采取第一动作包括确定材料测试系统的传递函数、计算用于控制系统的滤波器的参数、向滤波器中加载计算的参数、以及重复稳定性测试。计算参数包括将传递函数与滤波器进行卷积以产生参数。

总体而言，在一些方面，通过生成随机噪声信号、向随机噪声信号应用低通滤波器以生成第一滤波信号、向第一滤波信号应用高通滤波器以生成第二滤波信号、将第二滤波信号叠加到正弦波形上以生成参考测试波形、将参考测试波形应用到待测系统、测量待测系统的输出、确定待测系统的传递函数、以及将传递函数与滤波器进行卷积以生成滤波器参数，来确定控制系统的滤波器参数。

优点包括在完全实施控制器之前确认系统的稳定性，从而防止对系统或样品的可能损害。

根据说明书和权利要求书，其他一些特征和优点将是明显的。

附图说明

图1显示了电磁材料测试系统的框图。

图2显示了针对在电磁材料测试系统中测试的各种样品的系统动力学的图。

图3A、图3B和图5A和图5B显示了流程图。

图4显示了用于电磁材料测试系统的控制器的框图。

具体实施方式

电磁电机可以用于材料和设备测试。这些测试包括静态测试和动态测试这两者。这样的设备的示例包括来自位于Eden Prairie，MN的Bose公司的ElectroForce系统组的3000系列的测试工具，并且这样的设备的示例在于2002年6月18日授权的第6,405,599号美国专利中描述，并且通过引用将所述专利并入于此。

材料测试系统通常利用反馈控制器以修改系统动力学，从而使得输出可以跟随在期望输入之后。潜在的输入信号包括位移、负载、应变等等。在图1中示意性显示了示例系统100，其中反馈控制器110耦合到电机组件120和负载单元130，待测设备140位于电机组件120和负载单元130之间。

不像许多基于液压或基于丝杠(leadscrew)的测试系统，在基于电磁的测试系统中，待测样品的特性显著影响测试系统动力学。为了确保反馈控制器稳定并且提供足够的动力学响应，需要基于待测样品的特性来调整反馈回路补偿器的参数。

在许多示例中，反馈补偿器基于PID(比例、积分、微分)类型的补偿，其中三个平行滤波器每个均影响控制信号。在一般的情形中，对这三个滤波器的输入是通过从期望的输入信号中减去基于输出的测量的反馈信号而生成的误差信号。对于电磁测试系统而言，使用反馈信号本身作为微分滤波器的输入经常是有益的，这是因为这可以被用于增加系统的阻尼。还可以使用其他类型的控制，诸如基于系统的状态空间模型的时域控制、线性控制器、超前-滞后(lead-lag)控制器、或模糊逻辑控制器。

在一些电磁测试系统中，样品显著影响系统的动力学，如图2所示。线202a/b、204a/b和206a/b显示了三种不同样品的位移测试的幅度和相位，而线208a/b、210a/b和212a/b显示了三种不同的弹簧的力测试的幅度(a)和相位(b)。当样品如此地影响系统动力学时，必须针对各个待测样品修改控制器的参数，诸如PID控制器中的比例、积分和微分滤波器的增益。

在一些示例中，确定在反馈回路补偿器中使用的参数的过程被自动化。为了自动确定该参数，必须标识测试机器和待测样品的组合的系统动力学。这可以使用熟知的系统标识技术来实现。系统标识的输出是系统的频域表示。期望该表示具有足够分辨率以标识控制系统的频率带宽内的所有动力学。图3A显示了用于确定反馈参数的过程300的一般表示。如下所示地，生成(302)参考测试信号，并将该参考测试信号应用(304)到测试系统。材料测试系统的反馈(输出)信号可以包括位移、力、约束、加速、压力等等。测量(306)输出并且使用傅里叶方法处理参考和输出信号的时间历史数据以确定(308)系统的传递函数。如下所述，通过将控制器的滤波器与所测量的传递函数进行卷积来计算(310)反馈控制器参数。继而存储或输出(312)控制参数以供测试中使用。

由于由待测样品可能导致的系统动力学中的显著变化，所以参考信号通常是电压或电流，并且使用在开环配置中操作的控制器来执行系统标识。参考信号应该被设计为包含与用作测试期间的输入的信号的频率和带宽一致的频率内容。可以使用随机、线性调频(chirp)、脉冲、或扫描正弦信号或信号的组合来设计该参考信号。

在一些示例中，参考测试信号320是叠加在诸如2Hz正弦波之类的小幅低频载波324上的经滤波的随机噪声信号322，并且如图3B所示地生成(302)参考测试信号320。用于随机分量的滤波器参数可以基于由信号控制的电机的性质。在一些示例中，若干电机类型中的每一种具有用于使随机波形成形的唯一的高通滤波器和低通滤波器。可以选择高通拐角频率为高于系统的自由空间谐振的频率。在图3的示例中，噪声信号322在被叠加到载波324上之前通过低通滤波器326和高通滤波器328，从而生成中间波形330和332。测试信号320的组合幅度被设计为低于预期的命令波形幅度。在一些示例中，测试信号的幅度被限制为低于电机或传感器容量的10％。这样的设置是特定于电机的并且为测试设备的特定组合而定制。经滤波的随机噪声测试信号320覆盖在测试中所见的频率的完整带宽，从而为确定系统传递函数提供良好基础。

在图4中显示了示例反馈控制器400。输入命令信号402与负反馈信号相加并随后通过陷波滤波器404。陷波滤波器被用于最小化无法使用微分内回路最小化的谐振的增益，并且陷波滤波器由滤波器参数N表征。测试信号被提供给比例控制块406和积分控制块408。差分控制块410直接采用反馈信号作为其输入。P、I和D控制输出被相加(其中D被反向)以形成经更新的测试控制信号，该测试控制信号可以在数模转换器(D2A)412中被转换成模拟控制信号。模拟控制信号在被提供给测试设备416之前，在具有电流反馈的跨导放大器414中被放大。组合的测试机制和样品系统由单个传递函数G表示。具有传递函数H的传感器418提供反馈信号给模数转换器(A2D)420。在图4中表示的单独的块仅为示例，并且每个块可以由包括硬件和软件的许多方式实施，并且可以被实施为分立组件/步骤或集成在各种组合中。例如，传感器418可以具有数字输出，从而消除对A2D转换器420的需求。

通过将控制器的滤波器与测量的传递函数进行卷积来计算反馈控制器参数N、P、I和D。对控制器的参数的增益值的确定包括平衡各种规定。这些规定可以包括增益和相位余量、时域规定、功率规定、带宽、抗干扰规定等等。规定用于保护样品和测试设备免遭诸如超过系统能力或将导致待测设备的毁坏性操纵的值(假设这并非测试目的)之类的不合适的输入值的损害以及用于其他目的。

在系统标识和参数确定过程期间可能出现误差。误差可以例如由样品中的非线性、样品或测试系统中的摩擦、或传感器噪声等等而导致。这样的误差可以导致传递函数增益和相位的不正确估算，这可以继而导致不正确的控制器参数的计算。在不正确参数的情况下，当控制器在闭环配置中操作时，系统可能变得不稳定。如果允许系统以不稳定的控制器配置操作，则样品很可能被损害，并且还可能损害机器的元件。

如图5所示，在允许系统实施计算的参数和执行正常测试之前，自动化系统实施稳定性检查。在稳定性检查过程500中，加载(502)计算的参数，并且允许系统开始操作。然而，在反馈通道上放置(504)约束。这些可以例如包括约束针对反馈通道的最大值和最小值。将阈值设置成如果超过这些阈值中的任何阈值，则中断机器操作。在将命令波形作为输入应用到控制器之前，应用(506)稳定性测试波形，并且自动地监测(508)产生的操作。如果不超过任何阈值，则系统被视为是稳定的并且允许(512)正常测试。如果超过阈值，则阻止(514)正常操作。一种在已超过阈值的情形下停止测试系统的方法是立即切换至测试波形的平均值处的开环模式。对该方法的又一改进是还切换到使用微分滤波器的控制器模式中。这将最小化可能随不稳定控制器发生的振荡。

在一些示例中，如果系统没有通过阈值测试，则基于稳定性测试波形重新估算系统动力学。如图5B所示，当在修改过程500b中超过(508)阈值时，重新估算系统传递函数并且确定(520)新的传递函数，并且计算(522)新的控制器参数。可以如前所述通过将新的传递函数与滤波器进行卷积来确定新的控制器参数。向稳定性测试过程提供这些新的控制器参数，并且重复测试。一旦系统收敛到稳定的参数集合，则响应将在阈值内并且可以应用(512)命令波形。

在一些示例中，稳定性测试波形采用两个1Hz的方波的形式，该方波以期望的命令波形的平均位置为中心。方波是通常为期望命令波形的幅度的5％的小幅度类型。对于小的命令波形而言，稳定性测试波形幅度将是更大的百分比，但是在绝对值上仍是比命令波形幅度小。

在一些示例中，稳定性测试波形采取期望的命令波形的衰减的或低频版本的形式，并且误差阈值可以随着测试信号变化。例如，峰值幅度为所请求的幅度的95％的慢(例如，0.5Hz)三角或正弦波可以被用作测试输入，并且误差阈值追踪整个波中的每个期望波形点的+/-5％。这样的慢测试波形可以帮助确认如经常假定的那样包括样品的测试系统具有线性响应。相比于控制输入波形，可以基于样品的性质来设置测试波形的衰减值，例如正被测试的较弱的材料可以使用期望命令信号的仅80％，而已知为健壮的样品可以使用与期望的命令信号的幅度相匹配的完整强度测试信号。

在一些示例中，测试系统向用户输出测试被停止的原因。即，它可以输出哪个阈值被超出，并且如果已知，则可以输出输入信号的什么控制参数或什么方面导致系统超出该阈值。

在一些示例中，稳定性测试波形是上述的大幅低频波形与较小和较高频率信号(诸如方波、线性调频波形或噪声波形)的组合。在较低频率载波波形上叠加较高频率信号可以产生在可能非线性的样品特性上的全频带稳定性的确认。

其他一些实施方式在本申请人可以获得权利的下列权利要求和其他权利要求的范围内。