CN100480906C - 闭环控制系统中的频率控制 - Google Patents

Abstract

过程控制器、方法和系统提供频率控制以便考虑到在闭环控制系统的反馈信号中的周期性干扰的影响。确定反馈信号的频率分量，包括每一个的幅值和相位。生成具有与每一频率分量的基本上相同的幅值和基本上反相的用于每一频率分量的波形。然后合计波形来产生在控制系统的输出内合计的补偿波形，以便由提供给被控系统的控制系统输出来抵消周期性干扰的影响。

Description

闭环控制系统中的频率控制

相关申请

本申请要求2004年9月24日提交的美国申请号60/613160的优先权，其全部内容通过参考包括在这里。

技术领域

本发明涉及闭环控制系统。更具体地说，本发明涉及控制在闭环控制系统的反馈信号内的击穿频率。

背景技术

闭环控制系统被用来将被控系统的过程变量保持在所需设定值处。例如，电动机的速度是被控制以便将该速度保持在设定值处的过程变量，诸如共同拥有的美国专利6,690,989中所述的。在操作期间，由于各种原因，包括环境干扰和被控系统的物理特性中的改变，过程变量可能不同于设定值。闭环控制系统经由反馈信号连续地测量过程变量，以及闭环控制系统基于反馈信号的过程变量的偏差，生成校正。该校正意图使该过程变量回到该设定值。

尽管闭环控制系统在防止过程变量偏离该设定值方面是有效的，但在导致闭环控制系统的问题的反馈信号内，可能存在周期性干扰。这些周期性干扰可以包括未由闭环控制系统有效处理的过程变量的实际周期性干扰，还可以包括表现为从设定值的偏离并导致闭环控制系统生成校正来阻遏该偏差的周期性干扰。然而，周期性干扰是被控系统和/或用来产生反馈信号的传感器的物理特性的副产物，以及这些周期性干扰可以是或可以不是过程变量的实际偏差。因此，当进行校正时，结果是该过程变量可能不是所期望的。

发明内容

本发明的实施例通过提供反馈信号的频率控制以防止反馈信号中的周期性干扰引起应用于被控系统的不适当校正，和/或进一步补偿未由闭环控制系统解决的过程变量的周期性偏差，来解决这些问题和其他问题。找出反馈信号的频率分量以及生成补偿波形，以便具有对于包括在由闭环控制系统施加到被控系统的校正中的另外周期性干扰的补偿。

一个实施例是一种过程控制器，包括：输入，从被控系统接收反馈信号；处理器，用于计算所述反馈信号的每一频率分量的幅值和相位，并且对每一频率分量计算单独波形，其中，每一波形具有与对应频率分量相关的补偿幅值和补偿相位；以及输出，生成每一波形，并把每一波形与由控制器输出的控制信号合计，所述控制器作用于所述反馈信号以产生所述控制信号，其中，每一波形与所述控制信号的合计对于所述反馈信号的频率分量进行补偿。

另一实施例是一种消除控制系统内的周期性干扰的影响的方法，包括：采样由被控系统产生的反馈信号；通过利用离散傅立叶变换在所述反馈信号上执行时域到频域的变换，确定所述反馈信号的各频率分量和每一频率分量的幅值和相位；对每一频率分量，生成具有相对于每一频率分量的补偿幅值和补偿相位的波形；以及结合用于频率分量的每一个的波形以产生与控制信号结合的补偿波形，其中，该控制信号基于所述反馈信号。

另一实施例是一种受控系统，包括：过程控制器，产生补偿信号，该过程控制器包括：(1)处理器，用于通过在反馈信号上执行时域到频域的变换来计算所述反馈信号的每一频率分量的幅值和相位，并用于生成用于每一频率分量的补偿波形，以及(2)存储器，用于存储被控系统的模型响应，包括用于所述被控系统的模型响应的每一频率分量的幅值和相位；控制器，与所述过程控制器相独立地产生控制信号(110)；以及被控系统，接收补偿信号和控制信号的合计，以及产生作为输入提供给所述过程控制器和所述控制器的反馈信号，其中，所述反馈信号包括频率分量，其中，所述过程控制器计算频率分量的幅值和相位，通过确定所计算的幅值和相位与存储器中存储的模型幅值和相位的差异，以产生具有相对于该频率分量的补偿幅值和补偿相位的补偿波形，其中，所述过程控制器输出补偿波形的合计作为补偿信号。

附图说明

图1显示了闭环控制系统、提供反馈信号的频率控制的过程控制器和被控系统的结构的例子。

图2显示了提供反馈信号的频率控制的过程控制器的部件的一个例子。

图3显示了由过程控制器执行的用来提供反馈信号的频率控制的例程的例子。

图4显示了包括周期性干扰的反馈信号的时间序列的例子。

图5显示了包括由反馈信号的时间序列计算得到的每一个的幅值的频率分量的例子。

图6显示了包括由反馈信号的时间序列计算得到的每一个的相位的频率分量的例子。

图7显示了反馈信号、补偿信号和对于被控系统的最终校正的时间序列。

具体实施方式

实施例提供对于是在反馈信号内的周期性干扰的频率分量的控制。因此，对该周期性干扰提供补偿，以便降低提供给被控系统的不适当校正度和/或解决未另外由闭环控制系统解决的过程变量的周期性偏差。

图1显示了闭环控制系统结构100的一个例子。该结构100包括标准过程控制器102，诸如比例、积分、微分(PID)控制器。结构100还包括执行频率控制的过程控制器104。另外，结构100包括被控系统108，诸如电动机或其他设备。

被控系统108接收使被控系统108以一些方式响应的控制信号114。控制系统114可以根据被控系统而改变，但在PID的例子中，控制信号114为约稳定状态，直到反馈信号116的过程变量不同于设定值为止。此时，改变过程控制器102的输出以便迫使过程变量回到设定值。然而，反馈信号116包括可以反映或可以不反映过程变量的周期性干扰，但机智地允许(left in tact)，过程控制器102对这些周期干扰性起作用，就像它们是过程变量从设定值的偏离。反馈信号116也可以包括不由过程控制器102起作用的周期性干扰，诸如因为它们在过程控制器102的带宽性能外。这些行为的具体例子在下文中更详细地描述。

为补偿反馈信号116的周期性干扰的影响，执行频率控制过程的过程控制器104也包括在该结构100中。该过程控制器104通过经求和节点106，使补偿波形112与来自过程控制器102的控制信号110合计，生成补偿周期性干扰的补偿波形112。该结果是控制信号114，其被提供作为被控系统108的输入。尽管示为单独的控制器104，将意识到执行频率控制过程的过程控制器104可以可选择地集成到标准的过程控制器102中，以便内部求和控制信号110和补偿信号114，以及从过程控制器102直接输出控制信号114。

图2显示了执行频率控制过程的过程控制器104的一个例子的部件。过程控制器104包括输入202。该输入可以是例如模数转换器，其中，反馈信号116是模拟格式的，以及将在数字域中进行处理。在那种情况下，输入202以所需采样速率采样反馈信号116。将意识到采样速率可以改变，但尼奎斯特速率可以针对感兴趣的最高频率来遵循。可以将数据样本提供给处理器204，诸如通用可编程处理器或硬布线专用处理器。作为另一例子，输入可以简单是用于将数据提供给处理器204的输入寄存器的计数器或可以是寄存器本身。

处理器204在数据样本上执行时域-频域变换，诸如经快速傅里叶变换(FFT)或离散傅里叶变换(DFT)，以便显示存在于反馈信号116中的频率分量。根据它们的频率、幅值和相位，来识别频率分量。如将意识到的，反馈信号可以包括具有多个频率分量的波形，诸如矩形波。处理器204检测矩形波或其他复杂波形的频率分量的每一个，以便可以提供与反馈信号116的这些复杂波形有关的适当补偿。

然后，处理器204指示输出208，诸如波发生器，来创建补偿波形112，即一组正弦波，其中每一正弦波具有相对于反馈信号116的每一频率分量的补偿幅值和补偿相位。补偿幅值可以始于约为所测量的频率分量的幅值的值，可以具有考虑到系统衰减的小的增加。然而，如下所述，可以多次迭代，可以使补偿幅值增加超出所测量的频率分量的幅值直到有效地抵消频率分量为止。同样地，补偿相位可以始于约为所测量的频率分量的反相的值，可以具有考虑到系统滞后的少量超前。然而，如下所述，通过多次迭代，除补偿幅值的改变外或与补偿幅值的改变分开，可以改变补偿相位，直到有效抵消频率分量为止。

该例子的过程控制器104还包括存储器206。该存储器206可以存储先前已经确定的被控系统108的模型频率响应。在下文关于图3来讨论确定模型频率响应。此外，可以使用存储器206来存储频率控制过程的一个或多个先前迭代的频率分量，以便能基于当前迭代和先前迭代的结果，计算用于补偿波形的所需变化，从而允许过程控制器104进一步改进每一频率分量的补偿幅值和补偿相位，直到有效地抵消频率分量为止。

图3显示了通过过程控制器104执行的频率控制过程的结构的一个例子。该频率控制过程的该例子被划分成三个单独的阶段，准备阶段302、启动阶段304和连续阶段306。将意识到可以通过应用少于所有这三个阶段的阶段来实现频率控制。然而，这三个阶段提供对第一迭代以及后续迭代有效的频率控制过程。

准备阶段302意图测量在过程启动前的系统108的幅值和相位响应，即模型响应，以便能使用该模型响应来找出在操作期间由周期性干扰引起的偏差。正弦扫描系统308，诸如过程控制器104的处理器204和输出波发生器208，生成一系列单频率正弦波参考信号，以及每个信号被每次发送一个地发送到过程控制器102，其将控制信号提供给被控系统108。将用于每一正弦扫描频率的来自被控系统108的反馈和正弦扫描频率本身提供给特性逻辑310，其也可以由过程控制器104的输入202和处理器204执行。然后，特性逻辑310特征化该系统以便通过将参考信号与用于指出频率的反馈信号进行比较，找出模型响应，以便揭示相对于参考信号的幅值和相位。将系统模型312，包括用于各种参考频率的每一个的每一幅值和相位存储在存储器206中。

启动阶段304意图测量当被控系统108正在操作时存在的频率分量，以便能相对于在准备阶段302中先前确定的系统模型来检测周期性干扰。在操作期间，采样反馈信号116。可以通过零相位过滤器来低通过滤反馈信号116以便去除能引起混叠的高频分量。应用FFT或其他变换314以扫描频率范围上的输入信号和计算实和虚振幅。从实和虚振幅，应用计算操作316来找出用于目前每一频率的幅值和相位。在相位操作318处，使所计算的每一频率分量的相位偏移约180度。因为约180度的相位差用于抵消，该偏移发生。然后，对连续阶段306的开始，输入包括幅值和偏移相位的频率分量。

连续阶段306允许抵消周期性干扰，同时允许频率控制过程适应改变情形。对连续阶段306的第一次迭代，修改操作320接收来自准备阶段302的系统模型312和来自启动阶段304的包括幅值和偏移相位的频率分量作为输入。然后，修改操作320基于来自准备阶段302的系统模型312，执行对于从启动阶段304接收的幅值和偏移相位的修改。因为系统具有一些衰减和滞后而实现此操作，以及修改产生补偿波形112的参数以便考虑到该衰减和滞后。因此，为每一频率分量而创建的单个正弦波的补偿幅值可以大于所测量的幅值，而单个正弦波的补偿相位可以偏移180度加一些超前。在波操作322处，生成用于每一频率分量的正弦波并合计，以便产生补偿波形112，以及在抵消操作324处，将补偿波形112与控制信号110合计以便抵消该变化。

因为模型响应312可能不是优选的，以及因为频率分量可以移动以及新的频率分量可能出现，连续阶段306继续分析反馈信号116。在变换操作326处，变换反馈信号以便揭示实和虚振幅，然后，在计算操作328处，从实和虚振幅，找出每一剩余频率分量的幅值和相位。在计算操作330处，基于在之前迭代中用于抵消的频率分量，找出更完全抵消剩余频率分量和任何新频率分量所需的变化。然后，操作流返回到修改操作320，其中，根据改进抵消所需的变化，修改补偿幅值和补偿相位，以及如上所述，操作流继续。因此，提供有效抵消的最终补偿幅值可以大于频率分量的测量幅值，同时提供有效抵消的最终补偿相位可以偏移180度加一些程度的超前。

现在将关于图4-7来论述具体例子。图4是在以60rpm转动的电动机运转中通常看见的反馈信号。如能看到，反馈信号不是稳定状态，但包括周期性干扰。在过程控制器104执行反馈信号的分析后，能看到存在如由图5的幅值图所示出现的四个有重要意义的频率分量。尽管与本发明的实施例的操作无密切关系，但能使该例子中的这四个频率追溯至反馈设备的2Hz频率、是反馈设备的二次谐波的4Hz频率、源自电动机的16极对的极脉动的16Hz频率以及源自电动机的36定子槽的电动机槽脉动的36Hz频率。

可以数学地表示图4中所示的时间序列。采样频率f_s为1000，样本矢量(n)为0，1...，振幅A₁＝2，A₂＝1，A₃＝1.5，以及A₄＝.5。频率为f₁＝2Hz，f₂＝4Hz，f₃＝16Hz以及f₄＝36Hz。相位偏移为φ₁＝31度，φ₂＝53度，φ₃＝124度以及φ₄＝156度。假定噪声为1.5单位。x(n)的一般等式如下：

$x\left(n\right):=A_1\·\cos [2\·\mathrm{\π}\·f_1\left(\frac{n}{f_s}\right)+{\mathrm{\φ}}_1\·\frac{\mathrm{\π}}{180}]+A_2\·\cos [2\·\mathrm{\π}\·f_2\left(\frac{n}{f_s}\right)+{\mathrm{\φ}}_2\·\frac{\mathrm{\π}}{180}]+A_3\·\cos [2\·\mathrm{\π}\·f_3\left(\frac{n}{f_s}\right)+{\mathrm{\φ}}_3\·\frac{\mathrm{\π}}{180}]\·\·\·$

${+A}_4\·\cos [2\·\mathrm{\π}\·f_4\left(\frac{n}{f_s}\right)+{\mathrm{\φ}}_4\·\frac{\mathrm{\π}}{180}]+\mathrm{rnd}\left(\mathrm{noise}\right)$

图5表示这四个频率的每一个的幅值，而图6表示用于包括可忽略大小的当前所有频率的相位偏移。对当前的四个频率分量，用于f₁的FFT幅值为2单位，对f₂为1单位，对f₃为1单位，对f₄为0.5单位。用于f₁的FFT相位为32度，对f₂为53度，对f₃为125度，以及对f₄为157度。

用于幅值X(k)的一般等式如下：

$X\left(k\right):=\frac{2}{N}\·\underset{m=0}{\overset{f_s-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\·W_N^{n-k},$

其中，f1：＝0，fu：＝40，K：＝f1，f1+1...fu，N：＝fs，以及其中，用于WN的等式如下：

$W_N:=e^{-i\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}}$

用于相位θ(k)的一般等式如下：

$\mathrm{\φ}\left(k\right):=\arg \left(X\left(k\right)\right)\·\frac{180}{\mathrm{\π}}$

补偿信号112包括在频率、幅值和相位处的各种正弦波以便补偿周期性干扰的每一个。补偿信号112包括与干扰频率分量相同的频率和类似的幅值，但基本上相反的相位。因此，将测量频率分量的相位偏移约180度，如上所述，以便用于补偿信号的波形的相位偏移(ph)为ph₁：＝32+180＝212度，ph₂：＝53+180＝233度，ph₃＝125+180＝305度以及ph₄：＝157+180＝337度。将各个正弦波的每一个加在一起来形成补偿信号c(n)，其中，φ表示由x(n)的测量相位加180度的相位偏移加任何另外的超前，以及c(n)的一般等式如下：

$c\left(n\right):=A_1\·\cos [2\·\mathrm{\π}\·f_1\left(\frac{n}{f_s}\right)+{\mathrm{\φ}}_1\·\frac{\mathrm{\π}}{180}]+A_2\·\cos [2\·\mathrm{\π}\·f_2\left(\frac{n}{f_s}\right)+{\mathrm{\φ}}_2\·\frac{\mathrm{\π}}{180}]+A_3\·\cos [2\·\mathrm{\π}\·f_3\left(\frac{n}{f_s}\right)+{\mathrm{\φ}}_3\·\frac{\mathrm{\π}}{180}]\·\·\·$

${+A}_4\·\cos [2\·\mathrm{\π}\·f_4\left(\frac{n}{f_s}\right)+{\mathrm{\φ}}_4\·\frac{\mathrm{\π}}{180}]$

提供给被控系统的控制信号是来自标准过程控制器102的控制信号和补偿信号的组合。图7假定受反馈信号x(n)干扰的、处于0的稳定状态PID控制输出。在图7中还示出了补偿信号c(n)。在图7中示出了x(n)的周期性干扰和补偿信号c(n)的组合结果，作为f(n)，其中，f(n)：＝x(n)+c(n)。如能看到的，使f(n)返回到稳定状态，除随机噪声外，因为由补偿信号c(n)抵消x(n)的周期性干扰。

在精度辊被控的电动机的上下文中，从电动机编码器、正弦编码器、转速表、分解器等等取出反馈。将速度反馈转换成频率域，以便能识别破坏性的频率分量。在该上下文中的周期性干扰的例子包括由电动机联轴、轴承、极对、定子中的槽产生的转矩干扰以及放大器的电流传感器增益偏差。在该上下文中的周期性干扰还包括由电动机反馈设备、变速箱、不圆过程辊等产生的位置干扰。经这里所述的频率控制过程，能补偿这些周期性干扰。

在此所讨论的实施例还补偿调制振幅和改变相位的频率，因为图3的连续阶段306是自适应的。这种情形本身存在的一个例子是在精度辊的电动机的上下文中，其中，电动机与连接到具有精度轴承和/或轴衬的该辊的变速箱同轴(in-line)，以便保持公差。通常，由该系统的低公差产生一次负载变化。与辊上的纸幅张力结合，这将使电动机了解用于部分旋转的反向负载和在剩余旋转期间的正向(纸幅方向)。在这种情况下，当电动机处于全反向负载或全正向负载时，变速箱产生峰值破坏频率。载荷表示正向负载和反向负载间的正弦图形。空转、轴张力和联轴张力导致辊和电动机间的相位偏移。

在此所述的实施例也可以补偿超出系统的标准过程控制器102的带宽的频率。这通过增加对由于频率控制过程的闭环属性产生的反馈信号的相应的频率分量产生的每一波形的振幅和相位的提升来实现。每一迭代进一步降低超出带宽的频率的振幅，以致例如在第一迭代，可以使振幅降低50％，在第二迭代，降低75％，以及在第三迭代，降低87.5％，在第四迭代，降低93.75％，在第五迭代，降低96.875％，以及在第N迭代后，降低99.999％。因此，在此所述的实施例可以补偿标准的过程控制器102未考虑到的过程变量的实际偏差。

尽管参考其各个实施例，具体地示出和描述了本发明，但本领域的技术人员将理解到形式和细节的各种其他变化将不背离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种过程控制器，包括：

输入，从被控系统接收反馈信号；

处理器，用于计算所述反馈信号的每一频率分量的幅值和相位，并且对每一频率分量计算单独波形，其中，每一波形具有与对应频率分量相关的补偿幅值和补偿相位；以及

输出，生成每一波形，并把每一波形与由控制器输出的控制信号合计，所述控制器作用于所述反馈信号以产生所述控制信号，其中，每一波形与所述控制信号的合计对于所述反馈信号的频率分量进行补偿。

2.如权利要求1所述的过程控制器，进一步包括：

存储器，其存储所述被控系统的模型响应，包括用于所述被控系统的模型响应的每一频率分量的幅值和相位，其中该处理器通过确定所计算的幅值和相位与模型幅值和相位与的差异来生成所述单独波形。

3.如权利要求2所述的过程控制器，进一步包括正弦扫描系统，向所述被控系统提供输入以确定模型频率响应。

4.如权利要求1所述的过程控制器，其中，所述处理器迭代所述反馈信号的频率分量的每一个的幅值和相位的计算以及单独波形的计算，以及其中，该过程控制器进一步包括：

存储器，其存储用于计算的前一迭代的每一频率分量的补偿幅值和补偿相位，以及其中，该处理器通过确定所计算的当前迭代的幅值和相位与所计算的前一迭代的幅值和相位的差异来计算所述当前迭代的单独波形。

5.一种消除控制系统内的周期性干扰的影响的方法，包括：

采样由被控系统产生的反馈信号；

通过利用离散傅立叶变换在所述反馈信号上执行时域到频域的变换，确定所述反馈信号的各频率分量和每一频率分量的幅值和相位；

对每一频率分量，生成具有相对于每一频率分量的补偿幅值和补偿相位的波形；以及

结合用于频率分量的每一个的波形以产生与控制信号结合的补偿波形，其中，该控制信号基于所述反馈信号。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括：

存储所述被控系统的模型响应，其包括用于所述被控系统的模型响应的每一频率分量的幅值和相位，以及其中，生成所述单独波形的步骤包括确定所计算的幅值和相位与模型幅值和相位的差异。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括向所述被控系统输入正弦扫描以及计算对于该正弦扫描的模型频率响应。

8.如权利要求5所述的方法，进一步包括迭代所述反馈信号的频率分量的每一个的幅值和相位的确定和所述单独波形的生成，以及其中，该方法进一步包括：

存储用于前一迭代的每一频率分量的补偿幅值和补偿相位；以及

确定所述当前迭代的所确定的幅值和相位与所述前一迭代的所确定的幅值和相位的差异。

9.一种受控系统，包括：

过程控制器，产生补偿信号，该过程控制器包括：(1)处理器，用于通过在反馈信号上执行时域到频域的变换来计算所述反馈信号的每一频率分量的幅值和相位，并用于生成用于每一频率分量的补偿波形，以及(2)存储器，用于存储被控系统的模型响应，包括用于所述被控系统的模型响应的每一频率分量的幅值和相位；

控制器，与所述过程控制器相独立地产生控制信号(110)；以及

被控系统，接收补偿信号和控制信号的合计，以及产生作为输入提供给所述过程控制器和所述控制器的反馈信号，其中，所述反馈信号包括频率分量，其中，所述过程控制器计算频率分量的幅值和相位，通过确定所计算的幅值和相位与存储器中存储的模型幅值和相位的差异，以产生具有相对于该频率分量的补偿幅值和补偿相位的补偿波形，其中，所述过程控制器输出补偿波形的合计作为补偿信号。

10.如权利要求9所述的受控系统，进一步包括正弦扫描系统，其向被控系统提供输入以确定模型频率响应。

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