自動化的pid控制器設計的製作方法

2023-11-06 19:30:42

專利名稱：自動化的pid控制器設計的製作方法
自動化的PID控制器設計本申請根據美國法典第35條119款要求於2009年6月5日提交的臨時專利申請No. 61/184, 615的優先權，通過引用將該臨時專利申請的內容以其整體併入。
背景技術：
建模應用可以使用戶在自由形狀環境中創建系統模型，所述自由形狀環境不將用戶限制於創建特定階的模型(例如一階系統模型或具有時間延遲的一階系統模型)。相反地，自由形狀環境可以使用戶創建幾乎任何階和/或類型的系統模型。用戶可能常常覺得這些自由形狀模型難以操作。 例如，用戶可能覺得難以為在自由形狀環境中開發的系統模型設計控制器。控制器設計可能是困難的，這是因為用戶可能必須就特定參數而言來指定控制器，而這些特定參數可能是非直觀的。假設用戶希望實現用於在自由形狀環境中開發的系統模型的比例積分微分(PID)控制器。用戶心裡可能想到控制器的期望特性，諸如相位裕度或閉環響應速度。常規的應用可能需要用戶將這些期望的控制器特性與被用於設計控制器的P、I和D增益的特定值相關聯。將期望特性與P、I和D的值相關聯可能證明對於用戶是困難的，因為P、I和D的增益與期望特性(例如相位裕度或閉環響應速度)的關聯是複雜的、非線性的，並且對於自由形狀建模應用的一般用戶是非直觀的。這些困難可能導致用戶訴諸於對P、I和D的值的反覆試錯猜測，希望他/她最終設計出實現對於反饋系統(即控制器與系統的組合)的可接受或期望的響應的控制器。自由形狀建模環境的用戶在為自由形狀模型設計控制器時所面臨的困難可能阻礙用戶利用自由形狀環境來設計某些類型的控制器，諸如復控制器。


併入本說明書並且構成其一部分的附圖示出了本發明的一個或多個實施例，並且連同描述一起說明了本發明。在附圖中圖I示出了用於實踐本發明的實施例的示例性系統；圖2示出了用於實踐本發明的實施例的示例性功能圖；圖3示出了模型的示例性表示；圖4示出了用於使非線性模型線性化的示例性逼近技術；圖5不出了能夠包括與本發明的原理相一致的控制器的模型的一般表不;圖6示出了能夠與用於設計控制器的技術一起被使用的示例性增益樣板(template)；圖7示出了用於選擇PID控制器的示例性用戶界面；圖8示出了用於調諧PID控制器的響應的示例性用戶界面；圖9A和圖9B示出了用於調諧PID控制器的響應的示例性用戶界面；圖IOA和圖IOB示出了能夠被用於實現本發明的實施例的示例性處理；
圖11示出了用於實現本發明的實施例的示例性架構；以及圖12示出了用於在自由形狀模型中交互地設計和實現控制器的示例性分布式實施例。
具體實施例方式下面對與本發明的原理相一致的實現的詳細描述參照附圖進行。不同圖中的相同參考標號可以標識相同或相似的單元。另外，下面的詳細描述不限制本發明。相反地，本發明的範圍由所附權利要求及其等同內容限定。 示例性實施例包括用於調諧比例積分(PI)和比例積分微分(PID)控制器的方法、計算機可讀介質以及設備。這些實施例允許用戶利用一般用戶所熟悉的調諧參數來指定控制器性能規範，所述調諧參數諸如為(但不限於)閉環響應速度、閉環帶寬、相位裕度等。這些性能規範不同於被用於控制器的調諧參數，諸如P、I和D增益。允許用戶利用性能規範來設計控制器能夠便於用戶與控制器設計應用之間的直觀交互，所述控制器設計應用諸如為控制器工具箱，其與自由形狀建模環境一起操作。本發明的實施例允許用戶在不必須手動確定和/或調諧控制器的P、I和D增益的情況下設計控制器。例如，實現可以根據開環頻率響應操作並且能夠與系統的單輸入單輸出(SISO)環路表示一起工作。其他實施例能夠在系統一次一個環路地按順序被處理時與多輸入多輸出(MIMO)系統一起工作。所述實施例能夠在對受控體的階沒有限制或在受控體中不存在時間延遲的情況下工作。例如，用戶可以設計出這樣的PID控制器其實現諸如期望帶寬和/或相位裕度的性能目標，而同時滿足用戶所限定的穩健性指標(例如過衝、增益裕度等)。用戶可以通過指定像閉環帶寬和相位裕度這樣的參數來實現所述目標。相比之下，常規的方法可能需要用戶一直試驗P、I和D的值，直至用戶最終獲得令人滿意的性倉泛。另一實施例可以向用戶提供包括輸入機構(例如滑塊)的圖形用戶界面(GUI)，所述輸入機構允許用戶在控制器執行時改變相位裕度、閉環帶寬和/或響應速度。所述實施例可以在用戶操縱輸入機構時顯示響應曲線，例如幅值相對時間的曲線，從而支持交互式控制器設計。實施例也能夠支持代碼生成，由此能夠生成用於控制器的可執行代碼。例如，用戶可以限定用於在汽車中所使用的燃料噴射系統的PID控制器。用戶可以生成實現控制器的代碼，例如C++代碼，並且可以將所述代碼傳送到將在汽車中實現控制器(例如汽車中的嵌入式控制器)的處理設備。示例性系統圖I不出了用於實踐實施例的不例性系統100。系統100可以被用於構建包括一個或多個實體的模型、設計和實現用於該模型的PID控制器和/或生成用於該控制器的代碼。系統100可以包括計算機105、獲取邏輯110、作業系統115、建模環境120、模型130、輸入設備140、顯示設備150、模型表示160以及受控體170。圖I中的系統是示意性的，並且系統100的其他實施例能夠包括更少的設備、更多的設備和/或採用與圖I的配置不同的配置的設備。
計算機105可以包括執行處理操作、顯示操作、通信操作等的設備。例如，計算機105可以包括能夠被用於執行和/或支持代表用戶的處理活動的邏輯，諸如一個或多個處理或存儲設備。計算機105的實施例可以包括臺式計算機、膝上型計算機、客戶端、伺服器、大型機、個人數字助理(PDA)、可以上網的蜂窩電話、智慧型手機、智能傳感器/致動器，或者執行指令以執行一個或多個活動和/或生成一個或多個結果的另一計算或通信設備。計算機105還可以通過向另一設備(未在圖I中示出)發送數據或從該另一設備接收數據來執行通信操作。數據可以指的是具有可以適於供在一個或多個網絡中使用和/或供一個或多個設備使用的大體上任何格式的任何類型的機器可讀信息。數據可以包括數字信息或模擬信息。數據還可以是分組的 和/或非分組的。獲取邏輯110可以從計算機105外部的設備獲取數據，並且可以使數據對計算機105可用。例如，獲取邏輯110可以包括被用於使數據對計算機105可用的模擬到數字轉換器、數字到模擬轉換器、濾波器、多路復用器等。計算機105可以使用所獲取的數據來執行建模操作、PID控制器設計活動等。作業系統115可以管理與計算機105相關聯的硬體和/或軟體資源。例如，作業系統115可以管理與接收用戶輸入、操作計算環境105、分配內存、按優先順序對系統請求進行排列等相關聯的任務。在一實施例中，作業系統115可以是虛擬作業系統。作業系統115 的實施例可以包括 Linux、Mac OS、Microsoft Windows、Solaris、UNIX 等。作業系統115還可以在能夠由計算機105提供的虛擬機上運行。建模環境120可以提供計算環境，該計算環境允許用戶執行與學科有關的仿真或建模任務，所述學科諸如為(但不限於)數學、自然科學、工程學、醫學、商學等。建模環境120可以支持一個或多個執行指令以允許用戶構建具有可執行語義的模型的應用。例如，在一實施例中，建模環境120可以允許用戶創建具有可執行語義的自由形狀模型(例如一階模型、二階模型、三階模型、四階模型、五階模型等)。建模環境120還可以支持基於時間、基於事件等的建模活動。模型130可以包括用於文本模型或圖形模型的信息。例如，模型140可以包括用於文本模型或圖形模型的信息，所述模型可能是基於時間的模型、基於事件的模型、狀態轉換模型、數據流模型、部件圖、實體流圖、基於方程的語言圖等。模型130的圖形實施例可以包括表示用於執行操作的可執行代碼的實體(例如塊、圖標等)。所述實體的代碼可以被執行以利用模型來執行仿真。可以利用在模型中表示用於將數據從一個實體傳送到另一實體的路徑的線將實體連接在一起。輸入設備140可以接收用戶輸入。例如,輸入設備140可以將用戶運動或動作轉變成能夠由計算機105解釋的信號或消息。輸入設備140可以包括但不限於鍵盤、指示設備、生物計量設備、加速度計、麥克風、攝像機、觸覺設備等。顯示設備150可以向用戶顯示信息。顯示設備150可以包括陰極射線管(CRT)、等離子顯示設備、發光二極體(LED)顯示設備、液晶顯示(IXD)設備等。顯示設備150的實施例可以被配置為在需要時接收用戶輸入(例如經由觸敏屏幕)。在一實施例中，顯示設備150能夠向用戶顯示一個或多個圖形用戶界面(⑶I)。⑶I可以包括模型140和/或其他類型的信息。模型表示160可以包括由模型130提供的視覺表示。例如，模型表示160可以被顯示給用戶並且可以包括由線連接的多個實體。當模型130被執行時，模型表示160可以改變為示出例如通過模型的數據流。受控體170可以包括向計算機105提供數據的一個或多個設備。例如，受控體170可以包括引擎系統，利用諸如加速度計、熱電耦、光電收發器、應變儀等的傳感器來監控所述引擎系統。在一實施例中，獲取邏輯110可以接收來自受控體170的、採用模擬或數字形式的信號，並且可以將所述信號轉變成適於在計算機105中使用的形式。示例性建模環境
圖2示出了建模環境120的示例性實施例。建模環境120可以包括仿真工具210、實體庫220、接口邏輯230、編譯器240、控制器邏輯250、優化器260、仿真引擎270、報告引擎280以及代碼生成器290。圖2所示的建模環境120的實施例是示意性的，並且建模環境120的其他實施例可以包括更多的實體或更少的實體而不背離本發明的精神。仿真工具210可以是用於構建模型的應用。仿真工具210可以被用於構建具有可執行語義的文本模型或圖形模型。在圖形模型的情況下，仿真工具210可以允許用戶創建、修改、診斷、刪除模型實體和/或連接，等等。仿真工具210可以與圖I或圖2所示的其他實體進行交互以接收用戶輸入，執行模型，顯示結果，生成代碼等。實體庫220可以包括代碼模塊或實體(例如塊/圖標)，用戶能夠將代碼模塊或實體拖放到包括模型表示160的顯示窗口中。在圖形模型的情況下，用戶還可以利用連接來耦合實體以產生諸如受控體170的系統的圖形模型。接口邏輯230可以允許建模環境120向設備(例如目標環境)或軟體模塊(例如應用程式接口)發送數據和/或信息或者從該設備或軟體模塊接收數據和/或信息。在一實施例中，接口邏輯230可以使獲取邏輯110與建模環境120連繫。編譯器240可以將模型編譯成可執行的格式。由編譯器240產生的編譯代碼可以在計算機105上被執行以產生建模結果。在一實施例中，編譯器240也可為診斷與模型相關聯的錯誤提供調試能力。控制器邏輯250可以被用於創建和實現模型130中的控制器。例如，控制器邏輯250可以為表示模型表示160中的控制器類型的實體提供功能。當模型執行時，控制器邏輯250可以通過與模型表示160中的實體進行交互而對模型執行控制操作。在一實施例中，控制器邏輯250可以包括在模型表示160中實現控制器(例如PID控制器)的控制算法。控制器邏輯250的實施例可以被配置為在獨立的或分布式的實現中操作。優化器260可以為模型優化代碼。例如，優化器260可以優化代碼以與在代碼沒有被優化的情況下執行代碼相比使代碼佔據更少內存，使代碼更高效地執行，使代碼更快地執行，等等。優化器260也可以為控制器邏輯250執行優化，例如優化控制器的參數。在一實施例中，優化器260可以與編譯器240、控制器邏輯250、代碼生成器290等一起操作，或者可以被集成到其中。仿真引擎270可以執行用於執行模型以對系統進行仿真的操作。仿真引擎270可以被配置為基於用戶偏好或系統偏好執行獨立的或遠程的仿真。報告引擎280可以基於建模環境120中的信息產生報告。例如，報告引擎280可以產生指示PID控制器是否滿足設計規範的報告、指示控制器是否以穩定的方式操作的報告、指示模型是否正確地編譯的報告，等等。報告引擎280的實施例能夠產生採用電子格式以供在顯示設備150上顯示的報告、採用硬拷貝格式的報告和/或採用適於在存儲設備中存儲的格式的報告。代碼生成器290能夠根據模型生成代碼。在一實施例中，代碼生成器290可以接收第一格式的代碼，並且可以將該代碼從第一格式轉變成第二格式。在一實施例中，代碼生成器290能夠根據模型的至少一部分生成原始碼、彙編語言代碼、二進位代碼、接口信息、配置信息、性能信息、任務信息等。例如，代碼生成器290能夠根據模型生成C、C++、SyStemC、Java、結構文本等代碼。代碼生成器290的實施例還能夠根據圖形模型(例如系統建模語言(SysML)、可擴展標記語言(XML)、實時和嵌入式系統的建模和分 析(MARTE)、硬體描述語言(HDL)、汽車開放式系統架構(AUT0SAR)等)的一些或全部生成基於統一建模語言(UML)的表示和/或擴展。在一實施例中，優化器270能夠與代碼生成器290進行交互以生成根據參數(例如內存使用、執行速度、多路處理等)被優化的代碼。本發明的實施例可以被用於交互地設計供在大體上任何階和/或延遲的非線性模型中使用的控制器。這些實施例可以被配置為使用精確的線性化技術來產生能夠表示非線性模型的至少一部分的線性非時變模型。示例性模型表示圖3示出了模型300的示例性表示。模型300示出了用於控制以期望速度310行進的車輛的速度的系統，該期望速度可以是用戶限定的速度。在模型300中，巡航控制系統330可以被設計用於汽車350。將期望速度310與實際速度360進行比較以得出速度誤差320。速度誤差320可被輸入巡航控制系統330，並且巡航控制系統330可以調節汽車的速度。巡航控制系統330與加速器位置命令340通信以設定加速器踏板的位置，從而調節汽車350的速度。汽車350能夠通過速度計以實際速度360的形式提供輸出反饋，用於再次與期望速度310進行比較。在圖3中，實際速度360是被稱為反饋信號的信號。實際速度360被用於計算速度誤差320，該速度誤差320是期望速度310與實際速度360之間的差。巡航控制系統330被設計成響應於速度誤差320並且計算加速器位置命令340以改變汽車350的速度。設計巡航控制系統330可能需要汽車350的行為是已知的。巡航控制系統330的成功設計可能還需要理解加速器踏板的位置是如何隨時間影響汽車350的速度的。對汽車350的行為的精確理解可允許穩健的巡航控制系統330的設計。在一些情形下，汽車的行為能夠在系統|吳型中被捕捉。在一些情況下，諸如在巡航控制系統中，物理系統的精確模型需要非常複雜的描述。例如，汽車可能是非線性系統，分析和控制設計技術對於其可能是不可用的。例如，希望對非線性汽車進行仿真的用戶可能需要使用逼近以在數值上表示汽車。舉例來說，可以使用諸如線性化的技術來逼近非線性的汽車模型。線性化可以被應用於汽車模型的單個部分(例如應用於操作點)，或者被應用於汽車模型的若干部分。當線性化被應用於模型的多個部分時，可以通過將在多個操作輸入下獲得的線性化模型結合以得出對汽車模型的逼近而使用增益調度技術將各個逼近結合。仍然參照圖3，當在模型的一部分上對模型300線性化時，可以選擇線性化點。例如，可以使用圖標370來標識第一線性化點，並且可以使用圖標380來標識第二線性化點。線性化點370和380可以被用於標識模型300的要被線性化的一部分。實施例可以允許用戶選擇線性化點370、380，或者可以通過編程來確定線性化點370、380(例如在沒有用戶輸入的情況下)。開環點390可以被指定，並且可以指示反饋環路360的打開或斷開。使反饋環路360斷開可以有助於使模型300的一部分線性化。例如，圖標370、380和390能夠被用於僅指定汽車模型的線性化，即沒有閉合環路和控制器。當線性化點370、380和開環點390被選擇時，可以選擇操作點。操作點可以是這樣的點在該點附近，模型300被線性化，並且該點可以限定模型300在特定時間下的狀態。
例如，在汽車發動機的模型中，操作點一般可以由諸如發動機轉速、節氣門角度、發動機溫度以及周圍環境條件的變量來描述。模型的行為或者通常所稱的「動態(dynamics) 」通常受操作點的值影響。例如在汽車中，如果汽車在高海拔處或低海拔處被操作，那麼發動機的行為能夠大幅地變化。在這種情況下，海拔對於汽車發動機是操作點的一部分。線性模型是可以在系統操作點附近的小區域中有效的逼近。在操作點附近，逼近可能較好，而在遠離操作點處，逼近可能較差。在3000英尺處被操作的汽車的線性模型在接近3000英尺的海拔處將非常精確，但是當汽車在例如海平面處行進時將沒那麼精確。在圖4中示出了一示例，該示例示出了應用於非線性函數的線性逼近技術。圖4示出了操作點440以及示例性的非線性函數405,其被指示為y = x2。如果線性逼近410被選取為在X = O. 3處，則原始函數可以被逼近為y ^ O. 09+0. 6 (χ-0. 3)。這個線性逼近410是直線的方程。原始函數與線性逼近在X = O. 3處相交。在X = O. 3附近的區域中，該逼近非常精確；然而，當X進一步移動遠離X = O. 3時，該逼近變得非常差。通常，對於複雜物理系統的線性化，逼近在選定的操作點附近是精確的。因此，對操作點的指定直接確定線性化所給出的結果。在一些實現中，單個線性逼近，例如逼近410可以被用於表示非線性系統。在其他情形中，兩個或更多個線性逼近可以被用於表示非線性系統的各個部分。例如，逼近410、逼近420以及逼近430可以被用於在三個操作點處逼近非線性函數405。被設計用於這三個操作點的控制器能夠利用增益調度技術被結合以得出用於非線性系統的總控制器。示例性控制技術用於實現本發明的實施例的技術提供如下。具有單輸入單輸出(SISO)反饋環路的系統的概括表示在圖5中被示出。例如，圖5的系統可以是圖3的汽車巡航控制系統的概括表示。在圖5中，PID控制器520能夠表示巡航控制系統330，並且受控體525能夠表示汽車350。在圖5的實現中，受控體525可以是線性的、非時變的模型，控制器520可以是PID控制器，信號R 505可以表不基準信號,信號515可以表不能夠被表不為e = r-y的誤差信號，信號D 530可以表不輸出幹擾,並且信號Y可以表不輸出。當設計控制器520時，用戶可以具有控制器520在與受控體525 —起操作時應當實現的目標。例如，用戶可以指定閉環穩定性、零穩定狀態誤差、響應時間(例如在確定的區間內上升並且建立的、對階躍輸入r或d的響應y)、穩健性要求(例如階躍響應具有小的過衝，並且增益和相位裕度足夠大，諸如6dB的增益裕度和45度的相位裕度。)具有可調諧參數P、I、D和N的標準連續時間PID控制器能夠由下式表示Φ) - P + r-i-(方程 I)
應用常規技術來設計滿足諸如上文所標識的那些的設計目標的PID控制器的用戶可能需要找出P、I、D和N，其中N表示其中微分項有效的頻率範圍，或者在採用(1+s/N)形式的情況下，其表示微分濾波器的極點位置。確定控制器的四個參數可能需要對例如四維(4D)空間進行計算量很大的搜索。例如，為P、I、D和N搜索其中每個維度包括100個數據搜索點的4D空間將需要測試IOO4 (100，000，000)個數據點。結果，4D搜索可能太慢而不能支持交互式應用，諸如允許用戶交互地設計模型的PID控制器的應用。示例性的實施例能夠便於PID參數的迅速調諧，使得交互式PID設計應用能夠被支持。事實上，實施例能夠實時地操作，使得用戶能夠修改輸入並且立即(即沒有給一般用戶帶來不便的延遲)看到反映修改後的控制器的顯示。例如，在一實施例中，能夠固定ω。，該ω。為開環響應L = GC的增益首次穿過OdB線的頻率。在該實施例中，ω。與閉環帶寬直接有關，而閉環帶寬則與控制器的響應速度直接有關。該實施例也能夠固定Gm，該0m為交界頻率下的期望相位裕度。θπ也可以部分地控制與控制器相關聯的過衝的量。該實施例還能夠允許針對給定的相位裕度目標Θ m調節ω。，或者允許針對給定的交界頻率目標ω。調節Qm。一旦ω。和θπ被選定，就能夠通過用ω。下的增益交界頻率和ω。下的相位裕度θ m使PID參數化來調諧PID控制器的兩個剩餘參數。所述參數化能夠被寫成
權利要求
1.包含一個或多個可執行指令的一個或多個計算機可讀介質，當在處理邏輯上被執行時，所述可執行指令為用於任意非線性模型的比例積分微分(PID)控制器確定參數，所述介質包含用於以下操作的ー個或多個指令 自動確定所述任意非線性模型的要被線性化的部分； 使所確定的所述任意非線性模型的部分線性化，所述線性化產生線性模型； 計算所述線性模型的開環頻率響應； 接收代表用戶的設計規範，所述設計規範限定 所述開環響應的期望増益交界頻率，或 所述增益交界頻率下的期望相位裕度；以及 利用所述頻率響應和所接收的輸入自動調諧PID控制器參數，所述自動調諧 用於在所述PID控制器控制所述線性模型時實現期望的性能；以及 用代數方法確定所述參數中的兩個。
2.根據權利要求I所述的介質，其中所述期望的性能是 由所述用戶指定的，或者 通過編程指定的。
3.根據權利要求I所述的介質，其中所述輸入經由圖形用戶界面(GUI)被接收，其中所述GUI與在所述任意非線性模型中表示所述PID控制器的部件相關聯。
4.根據權利要求I所述的介質，其中 利用與圖形用戶界面(⑶I)相關聯的可移置滑塊來指定所述期望増益交界頻率和所述期望相位裕度；或者 利用所述可移置滑塊指定所述期望増益交界頻率，並且自動選擇所述期望相位裕度。
5.根據權利要求I所述的介質，其中代表與以下各項進行交互的部件執行所述調諧 兼容Simulink的語言， Simulink 模型， 兼容MATLAB的語言，或 MATLAB 模型。
6.包含一個或多個可執行指令的一個或多個計算機可讀介質，當在處理邏輯上被執行吋，所述可執行指令使表示控制器的塊與生成用在所述塊中的控制器的算法相連繫，所述介質包含用於以下操作的ー個或多個指令 接收 線性非時變(LTI)模型，所述LTI模型 在表示任意非線性模型的一部分的操作條件下逼近所述任意非線性模型， 能夠具有延遲，並且 能夠具有大體上任何階， 性能和穩健性特性，所述性能和穩健性特性用於控制所述LTI模型的控制器，所述性能和穩健性特性標識 開環增益交界頻率，和 開環相位裕度；以及 提供所述性能和穩健性特性給調諧算法，所述調諧算法生成滿足所述特性的控制器，所述調諧算法自動調諧滿足所述性能和穩健性特性的控制器參數。
7.根據權利要求6所述的介質，其中所述任意非線性模型處在自由形狀建模環境中。
8.根據權利要求6所述的介質，其中所述塊包括使所述控制器參數被寫入所述塊中的調諧機構。
9.根據權利要求6所述的介質，其中所述塊允許所述用戶在以下各項之間交互地進行折衷 控制器穩健性，和 控制器性能。
10.根據權利要求6所述的介質，其中所述控制器被實時地提供給所述模型，其中實時包括不會不利地損害用戶對所述塊或所述控制器算法的交互操作的處理延遲。
11.根據權利要求6所述的介質，其中所述控制器是以下各項中的至少ー個 比例⑵控制器； 積分⑴控制器； 比例微分(PD)控制器，所述ro控制器 具有微分濾波器，或 沒有所述微分濾波器， 比例積分(PI)控制器，或 PID控制器，所述PID控制器 具有所述微分濾波器，或者 沒有所述微分濾波器。
12.包含一個或多個可執行指令的一個或多個計算機可讀介質，當在處理邏輯上被執行吋，所述可執行指令調諧與線性化的受控體模型一起被使用的控制器，所述介質包含用於以下操作的ー個或多個指令 啟動交互式調諧界面，所述交互式調諧界面用於 計算環路響應， 用圖形顯示所述環路響應， 計算性能和穩健性信息， 用圖形顯示所述性能和穩健性信息， 調諧所述控制器的參數，以及 接收用戶輸入； 使所述受控體模型線性化以產生線性化的受控體模型，所述線性化的受控體模型在所述受控體執行時由所述控制器控制； 接收用戶輸入，所述用戶輸入確定 増益交界頻率，和 開環相位裕度； 調諧所述控制器的參數，所述調諧 基於所指定的増益交界頻率和所述開環相位裕度用代數方法為所述控制器求解特定參數，所述求解自動被執行，在減小的捜索空間內優化剰餘的控制器參數，所述優化自動被執行，以及產生調諧控制器，所述調諧控制器具有對應於所指定的輸入的特性；以及顯示對於所述調諧控制器的響應，所述響應指示在所述受控體執行時所述調諧控制器如何與所述受控體一起操作。
13.根據權利要求12所述的介質，其中所述交互式調諧界面與Simulink模型中的比例積分微分(PID)控制器塊一起被使用。
14.根據權利要求12所述的介質，其中所述調諧控制器的特性滿足價值函數。
15.根據權利要求12所述的介質，其中所述調諧還包括用於以下操作的ー個或多個指令 執行相對於除固定參數以外的參數的優化。
16.根據權利要求12所述的介質，其中所述交互式調諧界面還包括用於以下操作的一個或多個指令 針對所述調諧控制器，顯示以下各項中的至少ー個 上升時間， 建立時間， 過衝， 峰值， 増益裕度， 相位裕度， 最大靈敏度， 最大補償靈敏度，或 閉環穩定性。
17.根據權利要求12所述的介質，其中所述受控體能夠被表示為單輸入單輸出(SISO)環路。
18.根據權利要求12所述的介質，其還包括用於以下操作的ー個或多個指令 為所述任意非線性模型選擇操作點，所述操作點指示 所述受控體在何處被線性化，以及 所述受控體在何處被設計， 其中所述調諧控制器控制接近所述操作點的任意非線性模型。
19.根據權利要求18所述的介質，其還包括 為所述任意非線性模型選擇第二操作點； 產生用於控制接近所述第二操作點的任意非線性模型的調諧控制器；以及執行增益調度以調度用於所述第一操作點的調諧控制器和用於所述第二操作點的調諧控制器。
20.包含一個或多個可執行指令的一個或多個計算機可讀介質，當在處理邏輯上被執行時，所述可執行指令為具有ー個、兩個、三個或四個參數的控制器確定參數，所述控制器用於控制非線性模型，所述介質包含用於以下操作的ー個或多個指令 在自由形狀建模環境中使所述非線性模型的至少一部分線性化，所述線性化產生在特定區域內有效的線性模型；計算所述線性模型的開環頻率響應； 接收對於以下各項的輸入 所述開環響應的期望増益交界頻率，或 所述增益交界頻率下的期望相位裕度；以及 利用以下各項自動調諧增益 所述頻率響應，和 所接收的輸入； 其中， 所述自動調諧實現期望的性能目標；並且 所述自動調諧在支持用於所述任意非線性模型的交互式PID控制器設計的時間區間期間被執行。
21.一種用於控制任何階的受控體的計算機實現方法，所述方法包括 利用能顯示在非線性系統模型中的交互式控制器塊與所述系統模型進行交互； 利用所述交互式控制器塊使所述系統模型線性化； 產生供在所述系統模型中使用的受控體，所述受控體； 基於所述線性化產生， 具有任何確定的階，以及 在所述系統模型執行時由所述交互式控制器塊控制； 在所述交互式控制器塊執行時接收指定所述交互式控制器塊的特性的用戶輸入，所述輸入包括 増益交界頻率，和 相位裕度， 其中所述輸入經由與所述交互式控制器塊相關聯的圖形用戶 界面(GUI)被接收；以及 調諧與所述交互式控制器塊相關聯的控制器，所述調諧自動被執行，所述調諧包括 在有兩個或更少的參數時求解所述控制器的參數，和 在有多於兩個控制器參數時求解兩個參數並且為剰餘的參數進行優化。
22.一種用於控制任何階的受控體的設備，所述設備包括 用幹與非線性系統模型進行交互的裝置； 用於使所述系統模型線性化的裝置； 用於產生供在所述系統模型中使用的受控體的裝置，所述受控體 基於所述線性化產生， 具有任何確定的階，並且 在所述系統模型執行時由交互式控制器裝置控制； 用於接收指定所述交互式控制器裝置的特性的用戶輸入的裝置，所述輸入指定 増益交界頻率，和 相位裕度， 其中所述輸入經由用戶界面裝置被接收；以及 用於調諧與所述交互式控制器裝置相關聯的控制器的裝置，所述調諧自動被執行，所述調諧包括 在有兩個或更少的參數時求解所述控制器的參數；以及 在有多於兩個控制器參數時求解兩個參數並且為剰餘的參數進行優化。
23.ー種用於調諧比例積分微分(PID)控制器的方法，所述方法包括 標識所述PID控制器的設計目標，所述設計目標包括 確定的閉環穩定性，和 確定的穩健性量度； 指定表示所述開環的増益交界頻率的第一值； 指定表示所述開環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時調節所述PID控制器的自由參數，所述調節調諧所述PID控制器，使得被調諧的PID控制器滿足所述設計目標。
24.根據權利要求23所述的方法，其中 所述固定參數包括ω。和θπ，並且 所述自由參數包括α和β。
25.根據權利要求24所述的方法，其中所述穩健性量度包括 過衝、增益裕度或價值函數。
26.根據權利要求24所述的方法，其中所述固定參數和所述自由參數被用於以連續時間表達式來表達所述PID控制器，所述連續時間表達式被表示為
27.ー種利用開環頻率響應評價用於受控體的比例積分微分(PID)控制器設計的穩定性的方法，所述方法包括 確定值，其中所述值為整數； 確定所述受控體在頻率柵格內的增益值和展開相位值； 確定所述PID控制器的開環幅度和相位； 標識所述PID控制器的増益交界頻率； 在所述頻率柵格上確定所標識的増益交界頻率的對應相位值； 利用所述整數值確定第一交界頻率下的相位角是否處於區間內； 確定其他交界頻率的相位角滿足關係，其中所述關係指示所述其他交界頻率的相位角對所述PID控制器的閉環穩定性大體上沒有貢獻；以及 確定相位裕度至少滿足另外的交界頻率下的相位裕度值。
28.根據權利要求27所述的方法，其中 所述整數值為r ； 所述頻率柵格被表示為 所述開環相位被表示為φ(ω); 所述第一交界頻率下的相位角為(Po，並且所述區間能夠被表示為[(2r-l) π + θπ，(2r+l) Ji - Θ J ； 所述關係能夠被表示為對於k = 1，...， ,μ(φ2^ι) = μ(φ20;以及 所述相位裕度由91]1給出，並且所述另外的交界頻率能夠被表示為ω 2m°
29.ー種用於評價比例積分微分(PID)控制器設計的方法，所述方法包括 標識所述PID控制器設計的第一自由參數和第二自由參數，所述PID控制器設計包括第一固定參數和第二固定參數； 標識所述第一自由參數的多個值； 標識所述第二自由參數的多個值； 將包括所述第一自由參數和所述第二自由參數的值中的ー個或多個的範圍劃分柵格，利用柵格劃分技術來執行所述柵格劃分； 標識供與所述柵格劃分技術一起被使用的所述第一自由參數和所述第二自由參數的ー個或多個值使用的約束； 丟棄所述第一自由參數和所述第二自由參數的違反所述約束或未能滿足奈奎斯特穩定性測試的值； 評價包括未被丟棄並且滿足所述奈奎斯特穩定性測試的所述第一自由參數的值和所述第二自由參數的值的對的價值函數；以及 為確定的交界頻率選擇產生所述價值函數的最小值的對，其中所述交界頻率是所述第一固定參數或所述第二固定參數中的ー個。
30.根據權利要求29所述的方法，其中所述第一固定參數是増益交界頻率ω。，而所述第二固定參數是相位裕度9m。
31.根據權利要求30所述的方法，其中所述第一自由參數為α，而所述第二自由參數為β。
32.根據權利要求29所述的方法，其中利用所述柵格劃分技術以確定的增量執行所述柵格劃分。
33.根據權利要求29所述的方法，其中所述第一自由參數為α，而所述第二自由參數為β，並且其中所述約束確定ニ維範圍並且被表示為O < α < β < 90和Δφ-90 < β-α。
34.根據權利要求29所述的方法，其中所述價值函數涉及靈敏度函數和補償靈敏度函數。
35.根據權利要求34所述的方法，其中所述價值函數被表示為
36.根據權利要求35所述的方法，其中所述價值函數具有指定如下的下限
37.根據權利要求36所述的方法，其還包括 在所述價值函數的最小值超過所述上限時，修改所述交界頻率。
38.ー種用於評價比例積分微分(PID)控制器設計的方法，所述方法包括標識所述PID控制器設計的第一自由參數和第二自由參數，所述PID控制器設計包括第一固定參數和第二固定參數； 標識所述第一自由參數的多個值； 標識所述第二自由參數的多個值； 捜索包括所述第一自由參數和所述第二自由參數的值中的ー個或多個的範圍，利用優化技術執行所述搜索； 標識供所述第一自由參數和所述第二自由參數的ー個或多個值使用的約束； 丟棄所述第一自由參數和所述第二自由參數的違反所述約束或未能滿足奈奎斯特穩定性測試的值； 評價包括未被丟棄並且滿足所述奈奎斯特穩定性測試的所述第一自由參數的值和所述第二自由參數的值的對的價值函數，所述價值函數以所述優化技術操作；以及 為確定的交界頻率選擇產生所述價值函數的最小值的對，其中所述交界頻率是所述第一固定參數或所述第二固定參數中的ー個。
39.根據權利要求38所述的方法，其中所述第一自由參數為α，而所述第二自由參數為β。
40.根據權利要求39所述的方法，其中所述價值函數選擇α和β的值。
41.根據權利要求40所述的方法，其中α和β被用在下面的表達式中
42.根據權利要求38所述的方法，其中所述優化技術包括直接搜索技術或梯度下降技木。
全文摘要
實施例提供了允許用戶在自由形狀建模環境中執行對諸如PID控制器的控制器的交互式設計的技術、計算機可讀介質以及設備。用戶能夠利用一般用戶所熟悉的特性來調諧控制器，而不是必須為所述控制器指定增益值，將所述增益值與控制器的性能相關聯對於用戶可能是困難的。
文檔編號G05B13/04GK102713771SQ201080035134
公開日2012年10月3日 申請日期2010年3月30日 優先權日2009年6月5日
發明者B·埃裡爾馬斯, P·加希內, R·陳 申請人:數學工程公司