专利名称：控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制系统，尤其涉及一种可切换控制方式的控制系统。
背景技术：
随着科技的进步，伺服马达的控制在各种产业皆扮演相当重要的角色。目前一般伺服马达的控制方法大多是采用比例积分(Proportional Integral, PI)或是比例积分微分(Proportional Integral Derivative, PID)控然而，传统的PI控制或是PID控制在实际应用上会面临到一些问题。比如说，PI 控制或是PID控制若是只使用单一的参数，这样的控制方式恐怕难以适应系统随着时间或是环境的变化，因而产生了强健性(robustness)的问题。也就是说，单纯的PI控制或是 PID控制无法使系统发挥最佳的输出性能。另一方面，PI控制若是要增加系统的响应速度，会使系统过度调整 (overshooting)，降低系统的精准度。反之，如果是要避免过度调整(overshooting)，则会使系统的响应速度降低。总而言之，当前伺服马达的控制系统，无法随着环境或是时间的变化而进行调整， 亦难以在系统的响应速率与过度调整之间取得适合的平衡点。
发明内容
鉴于以上的问题，本发明提出一种控制系统，此控制系统包括第一运算元件、反馈比例控制器、积分器、前馈比例控制器与第二运算元件。控制系统用以接收输入信号与反馈
信号，并产生一输出信号。第一运算元件用以接收输入信号与反馈信号，并且产生第一运算信号。第二运算元件用以接收前馈比例信号、反馈比例信号与积分信号，并产生输出信号。反馈比例控制器用以接收反馈信号，并选择性地根据第一反馈增益或第二反馈增益而产生反馈比例信号。积分器用以接收第一运算信号，并产生积分信号。前馈比例控制器用以接收输入信号，并选择性地根据第一前馈增益或第二前馈增益而产生前馈比例信号。其中，积分器根据第一积分增益或第二积分增益而产生积分信号。本发明公开数个不同实施例。在一实施例中，第一反馈增益不等于第一前馈增益，且第二反馈增益等于第二前馈增益。在另一实施例中，第一反馈增益不等于第一前馈增益，且第二前馈增益等于零。在另一实施例中，第一反馈增益不等于第一前馈增益，第二反馈增益等于第二前馈增益，且第二积分增益等于零。而在另一实施例中，第一反馈增益等于第一前馈增益，第二反馈增益等于第二前馈增益，且第二积分增益等于零。
通过本发明的控制系统，可在多种不同的控制方法(比如说在虚拟微分前馈 (Pseudo-Derivative Feedforward, PDFF)、比例禾只分(Proportional Integral, PI)、虚拟微分反馈(Pseudo-Derivative Feedback, PDF)或是比例(Proportional，P))之间进行自动地切换，以提供高效能的控制方式。
图1为本发明的第一实施例的系统方块图；图2为本发明的第二实施例的系统方块图；图3为本发明的第三实施例的系统方块图；图4为本发明的第三实施例的响应波形图；图5为本发明的第四实施例的系统方块图；图6为本发明的第五实施例的系统方块图；图7为本发明的第六实施例的系统方块图；图8为本发明的第七实施例的系统方块图；图9为本发明的第八实施例的系统方块图；以及图10为本发明的控制系统的运用实施例。主要元件符号说明10 控制系统22 第一运算元件24 第二运算元件32 反馈比例控制器34 前馈比例控制器40 积分器51第一多工器52 第二多工器53 第三多工器61第一比较器62 第二比较器63 第三比较器81虚线线段82 虚线线段83 实线线段90a 位置控制回路90b 速度控制回路91速度计算回路92 Q电流控制回路93 前馈式坐标转换模块94 向量控制模块95 D电流控制回路
96后馈式坐标转换模块97模拟数字转换模块98逆变器99马达Kpf增益Kpb增益Ki增益
具体实施例方式以下在实施方式中进一步详细说明本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求书及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。请参照图1，图1为本发明的第一实施例的系统方块图。本发明所提出的控制系统10，用以接收一输入信号与一反馈信号，并产生输出信号。此输出信号可用以传送予一伺服马达。控制系统10包括第一运算元件22、第二运算元件M、反馈比例控制器32、前馈比例控制器34与积分器40。第一运算元件22用以接收输入信号与反馈信号，并且产生第一运算信号。第一运算元件22可为但不限于一减法器，是将输入信号与反馈信号相减，以产生第一运算信号。第二运算元件M用以接收前馈比例信号、反馈比例信号与积分信号，以产生输出信号。第二运算元件M可包括一加法器与一减法器，第二运算元件M是将前馈比例信号与积分信号相加后，再将相加的结果与反馈比例信号相减，以产生输出信号。反馈比例控制器32用以接收反馈信号，并将反馈信号乘上增益Kpb后，产生一反馈比例信号。反馈比例控制器32再将反馈比例信号传送至第二运算元件对。此增益Kpb 可在第一反馈增益或第二反馈增益中选择。反馈比例控制器32所接收的增益Kpb，可由第一多工器51输出。第一多工器51 接收第一反馈增益与第二反馈增益，并且根据第一切换信号，选择性地输出第一反馈增益与第二反馈增益的其中之一。第一切换信号由第一比较器61所产生。第一比较器61根据第一预设数值与第一输入数值，产生第一切换信号。更进一步地举例而言，当第一输入数值小于第一预设数值时，第一比较器61输出第一种类型(比如说“逻辑0”)的第一切换信号至第一多工器51。第一多工器51根据第一种类型的第一切换信号，输出第一反馈增益。当第一输入数值大于第一预设数值时，第一比较器61输出第二种类型(比如说“逻辑1”)的第一切换信号至第一多工器51。第一多工器51根据第二种类型的第一切换信号，输出第二反馈增益。第一输入数值可为感测装置所感测到被控制装置(如伺服马达)的转矩大小、转速大小或是使用者自行计算而设定的数值。第一预设数值可由使用者自行设定的数值。前馈比例控制器34用以接收输入信号，并将输入信号乘上增益Kpf后，产生前馈比例信号。前馈比例控制器34再将前馈比例信号传送至第一运算元件22与第二运算元件 24。此增益Kpf可在第一前馈增益或第二前馈增益中选择。前馈比例控制器；34所接收的增益Kpf，可由第二多工器52输出。第二多工器52接收第一前馈增益与第二前馈增益，并且根据第二切换信号，选择性地输出第一前馈增益与第二前馈增益的其中之一。第二切换信号由第二比较器62所产生。第二比较器62根据第二预设数值与第二输入数值，产生第二切换信号。更进一步地举例而言，当第二输入数值小于第二预设数值时，第二比较器62输出第一种类型(比如说“逻辑0”)的第二切换信号至第二多工器52。第二多工器52根据第一种类型的第二切换信号，输出第一前馈增益。当第二输入数值大于第二预设数值时，第二比较器62输出第二种类型(比如说“逻辑1”)的第二切换信号至第二多工器52。第二多工器52根据第二种类型的第二切换信号，输出第二前馈增益。第二输入数值与第一输入数值的性质相似，可为感测装置所感测到的数值。第一预设数值与第二预设数值的性质亦相似，可为使用者自行设定的数值。积分器40连接于第一运算元件22与第二运算元件M之间。积分器40用以接收第一运算元件22的第一运算信号，并对于第一运算信号进行积分后，产生一积分信号，传送至第二运算元件对。上述的第一多工器51与第二多工器52除了可分别以二个比较器(第一比较器 61与第二比较器6 来控制以外，第一多工器51与第二多工器52也可以用同一个比较器 (第一比较器61)来控制。请参照图2，图2为本发明的第二实施例的系统方块图。在此实施例中，第一多工器51与第二多工器52系会同时被切换。第一多工器51与第二多工器52 系会同时输出第一前馈增益与第一反馈增益或是同时输出第二前馈增益与第二反馈增益。根据图1或是图2所提出的控制系统10，可在虚拟微分前馈(I^seudo-Derivative Feedforward,PDFF)与比例积分(Proportional Integral,PI)的控制方式之间互相切换， 或是在PDFF与虚拟微分反馈O3Seudo-Derivative Feedback, PDF)的控制方式之间互相切换。切换控制方式的操作方式及其原理现在说明如下。请参照图3，图3为本发明的第三实施例的系统方块图。在此实施例中，第一反馈增益不等于第一前馈增益，第二反馈增益等于第二前馈增益。举例而言，第一反馈增益为 “4”，第二反馈增益为“2”，第一前馈增益为“3”，第二前馈增益为“2”。当增益Kpb为“4” (第一反馈增益)，且增益Kpf为“3”(第一前馈增益)时，控制系统10可进行PDFF控制。而当增益Kpb为“2”(第二反馈增益)，且增益Kpf为“2”(第二前馈增益)时，控制系统10可进行PI控制。根据前述，第一反馈增益/第二反馈增益与第一前馈增益/第二前馈增益可由可由第一多工器51与第二多工器52进行切换。因此， 控制系统10可在PDFF控制与PI控制之间互相转换。请参照图4，图4为本发明的第三实施例的响应波形图。在此图中，如果是控制系统10全部使用PI控制时，控制系统10产生的输出信号的波形响应图为虚线线段81。如果是控制系统10全部使用PDFF控制时，控制系统10产生的输出信号的波形响应图为虚线线段82。从图中可看出，使用PI控制时，虽然响应时间较快，但是输出信号会产生过度调整 (overshooting)。另一方面，使用PDFF控制时，虽然不会产生过度调整(overshooting)，但是反应时间较慢。因此，可再进行控制的前段时，先使用PI控制。并且在切换点时，经由增益Kpb与增益Kpf的切换，转换成使用PDFF控制。混合PI/PDFF的控制方式所对应的波形响应图为实线线段83。从图中可知，混合PI/PDFF的控制方式同时兼具有快速的响应时间与没有过度调整(overshooting)的问题。
请参照图5，图5为本发明的第四实施例的系统方块图。举例而言，在此实施例中， 第一反馈增益为“4”，第二反馈增益为“2”，第一前馈增益为“3”，第二前馈增益为“0”。也就是说，第一反馈增益不等于第一前馈增益，第二前馈增益等于“0”。当增益Kpb为“4” (第一反馈增益)，且增益Kpf为“3”(第一前馈增益)时，控制系统10可进行PDFF控制。而当增益Kpb为“2”(第二反馈增益)，且增益Kpf为“0”(第二前馈增益)时，反馈信号并不会被输入至第一运算元件22与第二运算元件M中，因此控制系统10可进行虚拟微分反馈(I^seudo-Derivative Feedback, PDF)控制。根据前述，增益Kpb与增益Kpf可由第一多工器51与第二多工器52进行切换。因此，控制系统10可在 PDFF控制与PDF控制之间互相转换。请参照图6，图6为本发明的第五实施例的系统方块图。控制系统10与图1相似，控制系统10包括第一运算元件22、第二运算元件24、反馈比例控制器32、前馈比例控制器34与积分器40。积分器40用以接收第一运算元件22的第一运算信号，并对于第一运算信号进行积分后。积分器40再将积分的结果乘上增益Ki，以产生一积分信号，传送至第二运算元件 24。此增益Ki可在第一积分增益或第二积分增益中选择。积分器40所接收的增益Ki，可由第三多工器53输出。第三多工器53接收第一积分增益与第二积分增益，并且根据第三切换信号，选择性地输出第一积分增益与第二积分增益的其中之一。第三切换信号由第三比较器63所产生。第三比较器63根据第三预设数值与第三输入数值，产生第三切换信号。更进一步地举例而言，当第三输入数值小于第三预设数值时，第三比较器63输出第一种类型(比如说“逻辑0”)的第三切换信号至第三多工器53。第三多工器53根据第一种类型的第三切换信号，输出第一积分增益。当第三输入数值大于第三预设数值时，第三比较器63输出第二种类型(比如说“逻辑1”)的第三切换信号至第三多工器53。第三多工器53根据第二种类型的第三切换信号，输出第二积分增益。而当第一积分增益或是第二积分增益等于“0”时，代表信号不会经过积分器40。 因此，控制系统10可切换成比例(Proportional，P)控制方式。请参照图7，图7为本发明的第六实施例的系统方块图。第一多工器51、第二多工器52与第三多工器53除了可分别以三个比较器(第一比较器61、第二比较器62与第三比较器6 来控制以外，第一多工器51、第二多工器52与第三多工器53也可以用同一个比较器(第一比较器61)来控制。也就是说，第一多工器51、第二多工器52与第三多工器53 系会同时被切换。第一多工器51、第二多工器52与第三多工器53系会同时输出第一前馈增益、第一反馈增益与第一积分增益或是同时输出第二前馈增益、第二反馈增益与第二积分增益。请参照图8，图8为本发明的第七实施例的系统方块图。在此实施例中，第一反馈增益不等于第一前馈增益，第二反馈增益等于第二前馈增益，且第二积分增益等于零。举例而言，第一反馈增益为“4”，第二反馈增益为“2”，第一前馈增益为“3”，第二前馈增益为 “2”，第一积分增益为“ 1 ”，且第二积分增益为“0”。当增益Kpb为“4”(第一反馈增益)，增益Kpf为“3”(第一前馈增益)，且增益Ki 为“1”(第一积分增益)时，控制系统10可进行PDFF控制。而当增益Kpb为“2”(第二反馈增益)，增益Kpf为“2” (第二前馈增益)，且增益Ki为“0” (第二积分增益)时，控制系统10可进行P控制。并且，根据前述，增益Kpb、增益Kpf与增益Ki可由第一多工器51、第二多工器52与第三多工器53进行切换。因此，控制系统10可在PDFF控制与PI控制之间互相转换。请参照图9，图9为本发明的第八实施例的系统方块图。在此实施例中，第一反馈增益等于第一前馈增益，第二反馈增益等于第二前馈增益，且第二积分增益等于零。举例而言，第一反馈增益为“ 1”，第二反馈增益为“2”，第一前馈增益为“ 1”，第二前馈增益为“2”， 第一积分增益为“ 1 ”，且第二积分增益为“0”。当增益Kpb为“ 1”(第一反馈增益)，增益Kpf为“ 1”(第一前馈增益)，且增益Ki 为“1”(第一积分增益)时，控制系统10可进行PI控制。而当增益Kpb为“2”(第二反馈增益)，增益Kpf为“2” (第二前馈增益)，且增益Ki为“0” (第二积分增益)时，控制系统 10可进行P控制。并且，根据前述，增益Kpb、增益Kpf与增益Ki可由可由第一多工器51、 第二多工器52与第三多工器53进行切换。因此，控制系统10可在PDFF控制与PI控制之间互相转换。请参照图10，图10为本发明的控制系统的运用实施例。本发明的控制系统10可用于一马达控制模块。马达控制模块包括位置控制回路90a、速度控制回路90b、速度计算回路91、Q电流控制回路92、前馈式坐标转换模块93、向量控制模块94、D电流控制回路95、 后馈式坐标坐标转换模块96、模拟数字转换模块97、逆变器(inverter) 98与马达99。速度控制回路90b为图1所述的控制系统10，也就是说速度控制回路90b可在不同的控制方式之间切换。速度控制回路90b的输入信号为位置控制回路90a所产生的信号。 速度控制回路90b的反馈信号为速度计算回路91所产生的信号。速度控制回路90b输出一输出信号给予Q电流控制回路92。Q电流控制回路92与D电流控制回路95产生转矩值与磁场值给前馈式坐标转换模块93。前馈式坐标转换模块93在经过向量控制模块94输出信号至逆变器98。逆变器98在输出交流信号至马达99与模拟数字转换模块97。模拟数字转换模块97在产生数字值给予后馈式坐标转换模块96。后馈式坐标转换模块96再产生后馈信号至Q电流控制回路92与D电流控制回路95。通过本发明的控制系统10，可在多种不同的控制方法(PDFF/PDF/PI/P)中进行自动地切换，以提供高效能的控制方式。虽然本发明的前述实施例如上，然其并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所为的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参考所附的权利要求书要求保护的范围。
权利要求
1.一种控制系统，用以接收一输入信号与一反馈信号，并产生一输出信号，该控制系统包括一第一运算元件，用以接收该输入信号与该反馈信号，并且产生一第一运算信号；一反馈比例控制器，用以接收该反馈信号，并选择性地根据一第一反馈增益或一第二反馈增益而产生一反馈比例信号；一积分器，用以接收该第一运算信号，并产生一积分信号；一前馈比例控制器，用以接收该输入信号，并选择性地根据一第一前馈增益或一第二前馈增益而产生一前馈比例信号；以及一第二运算元件，用以接收该前馈比例信号、该反馈比例信号与该积分信号，产生该输出信号。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中该第一运算元件是将该输入信号与该反馈信号相减，以产生该第一运算信号。
3.如权利要求2所述的控制系统，其中该第二运算元件是将该前馈比例信号与该积分信号相加后，在与该反馈比例信号相减，以产生该输出信号。
4.如权利要求1所述的控制系统，还包括一第一多工器、一第二多工器，该第一多工器根据一第一切换信号选择性从该第一反馈增益与该第二反馈增益间输出至该反馈比例控制器，该第二多工器根据一第二切换信号选择性从该第一前馈增益与该第二前馈增益间输出至该前馈比例控制器。
5.如权利要求4所述的控制系统，还包括一第一比较器、一第二比较器，该第一比较器根据一第一预设数值与一第一输入数值，产生该第一切换信号，该第二比较器根据一第二预设数值与一第二输入数值，产生该第二切换信号。
6.如权利要求5所述的控制系统，其中该第一反馈增益不等于该第一前馈增益，且该第二反馈增益等于该第二前馈增益。
7.如权利要求5所述的控制系统，其中该第一反馈增益不等于该第一前馈增益，且该第二前馈增益等于零。
8.如权利要求1所述的控制系统，其中该积分器根据一第一积分增益或一第二积分增益而产生该积分信号。
9.如权利要求8所述的控制系统，还包括一第一多工器、一第二多工器与一第三多工器，该第一多工器根据一第一切换信号选择性从该第一反馈增益与该第二反馈增益间输出至该反馈比例控制器，该第二多工器根据一第二切换信号选择性从该第一前馈增益与该第二前馈增益间输出至该前馈比例控制器，该第三多工器根据一第三切换信号选择性从该第一积分增益与该第二积分增益间输出至该积分器。
10.如权利要求9所述的控制系统，还包括一第一比较器、一第二比较器与一第三比较器，该第一比较器根据一第一预设数值与一第一输入数值，产生该第一切换信号，该第二比较器根据一第二预设数值与一第二输入数值，产生该第二切换信号，该第三比较器根据一第三预设数值与一第三输入数值，产生该第三切换信号。
11.如权利要求9所述的控制系统，还包括一第一比较器，该第一比较器根据一第一预设数值与一第一输入数值，产生该第一切换信号、该第二切换信号与该第三切换信号。
12.如权利要求9所述的控制系统，其中该第一反馈增益不等于该第一前馈增益，该第二反馈增益等于该第二前馈增益，且该第二积分增益等于零。
13.如权利要求9所述的控制系统，其中该第一反馈增益等于该第一前馈增益，该第二反馈增益等于该第二前馈增益，且该第二积分增益等于零。
全文摘要
一种可在虚拟微分前馈控制方式与比例积分控制方式中进行切换的控制系统。此控制系统包括第一运算元件、第二运算元件、反馈比例控制器、积分器与前馈比例控制器。第一运算元件与第二运算元件用以对于输入信号、反馈信号与前馈信号进行加法或是减法的计算。积分器产生积分信号。反馈比例控制器根据第一反馈增益或第二反馈增益而产生反馈比例信号。前馈比例控制器根据第一前馈增益或第二前馈增益而产生前馈比例信号。通过在第一反馈增益、第二反馈增益、第一前馈增益与第二前馈增益之间的选择，控制系统即可在不同的控制方式中切换。
文档编号H02P21/00GK102545760SQ201010612038
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月20日
发明者丁家敏, 周信宏, 赵时兴 申请人:财团法人工业技术研究院