CN1006827B - 对至少有两个自变量的系统因变量进行积分控制的方法及装置 - Google Patents

Abstract

对一个至少具有两个(对因变量产生影响的)自变量系统中的因变量进行积分控制的方法和装置。对代表检测因变量和参考信号之差的差值信号积分，并送到滞后传递功能装置。从积分后差信号减去传递功能装置的输出，其结果信号被用来控制一个自变量，从而使该自变量只在积分信号的小幅度信号变化时对因变量产生影响。积分信号被用于控制适用于积分信号大幅度信号变化的另一个自变量。另一个自变量一般只能对大幅度信号变化的因变量产生影响。

Description

与本发明有关的参考申请是由Harner等人在同一日期提交的（律师登录号是H1513-PP）共同待批申请，其题目是“改进的推进器同步相位概念”（Improved    Propeller    Synchro-Phaser    Concept）。在描述本发明的过程或许要用这个申请所公开的某些技术，因此特指出来作为参考。

本发明涉及自动控制系统，更确切地说，涉及到通过调整被控系统中的两个自变量来控制一个因变量的过程。

在自动控制系统中，通过控制来调整某一系统特性（称为自变量），以便达到所期望的另一系统特性（称为因变量）之目的。换句话说，自动控制系统是用调节自变量的办法来获得所期望的因变量特性。例如，如果一个自动控制装置用来调节发动机的燃料流量，以便达到所期望的转速，那么，在这个自动控制系统中，发动机的燃料流量就是系统的自变量，而发动机的转速则是系统的因变量。

通常在一个系统中，能影响其因变量的自变量往往不止一个。在这样的系统中，运用调节多个自变量的办法来达到一个因变量的所期望的特性是有利的。在现有技术中，典型的自动控制包含一种积分控制，这种积分控制或者是一种简单积分控制，或者是一种比例加积分控制、或者是一种比例加积分加微商的控制。控制的积分部件通常对因变量的期望值与实际值间的偏差进行积分，并利用积分的结果来调节自变量。从理论上讲，运用各自积分控制同时调节各个自变量的组合方法，能够得 到所期望的因变量特性。但是，正如众所周知的那样，在现有技术中，这种对同一个因变量误差各自积分同时进行的主动重积分控制法，会造成控制上的问题，即试图借助各个积分器对每个自变量分别进行调节的多个积分器彼此阻止达到因变量零误差。因此，实践已经证明在现有的技术中，尽管自动控制可以利用比例控制和微商控制的各种各样组合方式来调节附加的自变量，但是，在自动控制中不会同时利用多于一个积分器来控制任何一个因变量。这就是说，一个积分控制装置只能用来调节一个自变量。

本发明的目的在于提供一种方法和装置，借助这种方法和装置，一个积分控制装置至少可用来调节两个自变量以便达到一个因变量的所期望的特性。

本发明所提供的为运用一个积分控制通道来对至少两个自变量进行调节的方法和装置是使一个自变量只对积分器输出的大的变化作出响应，而另一个自变量仅仅只对积分器输出的小的变化作出响应，通过两种响应的组合来达到一个因变量的所期望特性。

本发明的效果是在自动控制系统中一个自变量（响应于积分器输出的大的变化）可用来使因变量逼近所期望的特性，而另一个自变量（响应于积分器输出的小变化）可用来对因变量进行微调使其达到所期望的特性。

这种自动控制系统的优越性是明显的。例如，一个自变量对于因变量有可能产生大的影响，但是对因变量却不能产生精确的小变化;另一个自变量只能在很小的范围内对因变量施加影响和调节，并同时能引起因变量的非常精确的小变化。本发明利用第一个自变量来响应积分器输出的大变化，而利用第二个自变量来响应积分器输出的小变化。又如，用来调节自变量的装置（如执行机构）可能具有一种不理想的小信号非线性（如滞后现象），使得这个自变量不能够对积分器输出的较小变化 作出响应因而不能精确地提供因变量的小变化。当用来调节第一个自变量的装置滞留在它的滞后区域内，因而不能够调节第一个自变量时，第二个自变量可被调节以对因变量进行微调，上述两个例子已足以说明各种类型的自动控制系统都将由于采用本发明提供的方法和装置，而得到改善。

然而，在现有的技术中，有时将同时运用主动重积分控制器来调节两个自变量并借助它们的组合作用使因变量达到所期望的特性的办法曾被认为有利的技术，人们已知这种概念对分别调制各个自变量以便使单一的因变量达到“零误差”来说所运用的各个独立的积分器会造成相互矛盾的问题。本发明只利用一个积分器来自动控制任何一个因变量，从而解决了这样的问题，本发明给出一种方法，借助这种方法，一个积分控制装置能够调节两个自变量，依靠这两种调节的共同作用使一个因变量达到所期望达到的特性。这种方法让一个自变量只对积分器输出的大变化作出响应，而让另一个自变量只对积分器输出的小变化作出响应。这样做的效果在于，一个自变量（响应于积分器输出的大变化）将对因变量进行控制，使之逼近所期望的特性，而另一个自变量（响应于积分器输出的小变化）将对因变量进行微调，并使之达到所期望的特性。

通过对如附图所示的最佳实施例的详细说明，可以使本发明的上述及其它目的、特征和优点更为明显。

附图是一张简化了的方框图，用以说明根据本发明的与幅度有关的双积分限制电路。

图上表示的是一个简化了的方框示意图，用以说明本发明的与幅度有关的双积分限制电路10。根据本发明，一个单一积分器12的输出信号通过线路14输出后，被分成三条线路14a、14b、14c，其中两条线路14a、14b，用来调节自变量16，第三条线路14C用来调节另一个自变量18。

线路20上的积分器输入信号，是线路22上的参考或命令信号与线路24上的检测信号间的差，而检测信号代表因变量25经由传感器26检测后的响应。因变量受图中虚线27、27a所表示的两个自变量的影响。接点28执行减法运算并在线路20上输出“差”信号。积分器12具有由极限电路30所限定的幅值界限，极限电路30设置线路14上的积分信号偏移的上、下极限值。线路14上的信号分成三条线路14a，14b和14c，每一条线路上都有一个与线路14上相同的有界输出信号。线路14a上的信号馈送给滞后传递功能装置32，该功能装置的滞后输出信号经过线路34传送到接点36，在这里被线路14b上的积分器输出信号减去。在接点36经过减法运算后的输出信号由线路38传送给放大系数为K₂的比例放大器（proptional gain）40，该放大器将线路38上的信号乘以K₂值并在线路42上提供控制自变量＃2的输出信号。线路14c上的信号输入到另一个滞后功能装置44，其输出信号经过线路46去控制自变量＃1。

两条输出通道的积分放大值和允许的极限值可以分别被选择。从线路20输入信号至线路46上的输出信号的积分增益等于积分器12的增益值K₁。由线路20输入信号到线路42的输出信号，其增益是积分器12增益K₁乘以放大器40的增益K₂。线路46上输出信号的允许极限值是通过用限制器30去限制积分器12的上、下限来实现的。线路42上的输出信号的允许上限等于传递功能装置32的滞后带宽乘以放大器40的放大系数K₂。线路42上的输出信号的允许下限值大小与其上限值相同，但符号相反。线路46上的输出信号只对线路14上的积分器输出信号的大变化作出响应。线路46上的输出信号响应线路14上的积分器输出信号的阈值由传递功能装置44滞后带宽的大小来决定。

值得注意的是，虽然滞后传递功能装置44是附图所示装置10的组成部分，但是，它也可以是系统中固有的部分（例如与自变量＃1合为一体作为执行机构的滞后作用）。换句话说，在某些专利申请中，传递功 能装置44不作为附图中所示电路10的组成部分，而把线路14c上的信号和线路46上输出信号看作为同一个信号。

确定滞后传递功能装置32、44的三个特性可以概括如下：第一，每当滞后传递功能装置的输入和输出信号之差的绝对值不大于滞后带宽的大小时则其输出信号总是保持不变;第二，造成输入信号减去滞后量之差大于输出信号的输入信号值的增加，导致输出信号的变化，以使输出信号等于输入信号减去滞后量之差;第三，造成输入信号加上滞后量之和小于输出信号的输入信号值的减少，将导致输出信号的变化，以使输出信号等于输入信号加上滞后量之和。

作为三种滞后特性的一个例子，假定一个滞后带的宽度为6，并且最初输出信号幅度为100。那么，根据第一特性，对于在94-106范围内任意变化的输入信号，滞后输出信号将保持于100不变。根据第二特性，如果输入信号增加超过106，则输出信号增加到比输入信号小6的一个值，以使在输入信号增加到120时产生一个114的输出信号。根据第三特性，如果输入信号降低到低于94，则输出信号降低到比输入信号大6的一个值，以致在输入信号降低到50时产生的输出信号为56。输入信号从上述点继续降到50，输出信号降到56，根据第一特性，对于在50至62（即56减6和56加6）范围内任意变化的输入信号，其输出仍保持在56不变。

这样，回过来参照附图，当积分电路12在线14上的输出信号以一个方向增加时，在线34上的信号将保持不变，一直到线14a上的信号增加了一个大于滞后带宽（H₂）的量时为止，然后将以与线14a上的信号相同的速率增大。由于线38上的信号等于线14b上的信号减去线34上的信号，因此线38上的信号在线34上的信号开始增加之前一直以线14b上的信号的相同速率增加，从而使线38上的信号保持在等于滞后量（H₂）的恒定值上。当线14a，14b，14c上的信号在一个方向上增加时，直到线14c上的 信号增加一个大于滞后传输函数44的带宽H₁的量时为止，线46上的输出信号保持不变。然后它将以与线14c上的信号相同的速率增加。总的滞后的带宽2H₂小于2H₁的宽度。因此，把线46上的输出信号与线42上的输出信号比较时可以看到线42上的输出信号随线14b上的信号增加而增加，而线46上的输出信号保持不变。然而，由于从线14b上的信号减去线34上的信号而使线路42上的信号停止增加后，由于线路14c上的信号已被增加了一个由大于滞后传递功能装置44产生的滞后带宽的量，因此，当线路14c上的信号继续增加时，线路46上的输出信号开始增加。这意味着控制作用已从最初的包含线路42上输出信号的通道接着被转到了包含线路46上输出信号的通道。当线路14a，14b和14c上的信号改变方向并开始减小时，与此同时由于传递功能装置32的滞后效应，使线路34上的信号保持恒定，因而使线路42上的信号减小。与此同时，由于滞后传递功能装置44的作用，线路46上的输出信号保持不变。因此，当线路14a，14b，14c上的信号改变方向时，控制作用从线路46上的输出信号被转换到线路42上的输出信号。这样，如果线路14a，14b，14c上的信号变化大于总的滞后宽度2H₁，那么控制作用实际上是由线路46上的输出信号决定的。但是，如果线路14a，14b和14c上的信号变化小于总的滞后宽度2H₂，则线路42上的输出信号将具有唯一的控制作用，而线路46上的输出信号保持不变。这样，线路42上的输出信号作为受总的滞后宽度2H₂限制的积分电路的小幅度信号，而线路46上的输出信号作为由积分限制电路30限定的积分电路的大幅度信号。

由上述装置所确定的方法，其一个积分控制电路能调节两个自变量，通过这两个自变量的组合来达到一个理想的因变量特性。这种方法使一个自变量只能响应积分电路输出的大变化，而使另一个自变量只能响应积分电路输出的小变化。其结果将使一个自变量（响应积分电路输出的大变化）把因变量控制到接近于理想特性，而使另一个自变量（响应积 分电路输出的小变化）把因变量“细调”到理想特性。

当然，本领域的技术人员会懂得，上述的装置和方法可使用模拟或数字硬件中的任何一种来实现。同样也懂得，本发明的方法和装置可借助一台通用数字计算机，运用在此说明方法所教导而确定的逻辑步骤来实现。

虽然本发明根据其最好方式的实施例已经作了图示和描述，不用说，本领域的技术人员都知道，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，在形式上可能作出上述的和其它的各种变化，也可能在细节上作出各种省略和附加。

Claims (4)

1、在一个至少具有两个(对因变量产生影响的)自变量的系统中，对一个因变量提供积分控制的方法，特征在于包括如下步骤：

一对具有幅度由因变量指令信号和因变量检测信号之间的差值表示的差值信号进行积分，并提供一个积分误差信号来控制第一自变量，该自变量仅仅对积分误差信号的大幅度变化作出响应；

一从积分误差信号中减去一个具有这样幅度特性的滞后信号：每当积分误差信号幅度和滞后信号幅度之差的绝对值不大于一个选择的滞后带的宽度时，该滞后信号幅度总保持不变；每当由于积分误差信号幅度增加引起积分误差信号幅度与该滞后带的宽度之差值大于滞后信号幅度时，该滞后信号幅度总等于积分误差信号幅度减去所选择的滞后带宽度；每当因积分误差信号幅度减小引起积分误差信号幅度和该滞后带宽度之和小于滞后信号幅度时，则该滞后信号幅度总等于积分误差信号幅度加上所选择的滞后带宽度，并提供一个滞后极限积分误差信号作为用于控制第二自变量的输出信号，从而使第二自变量受到限制而响应积分误差信号的小信号变化。

2、权利要求1的方法，特征在于其中第一自变量仅仅对由这样一个经过修正的积分误差信号所提供积分误差信号的大变化作出响应：每当积分误差信号与经过修正的积分误差信号之差值的绝对值不大于某个选择的滞后带2H₁（大于已选择的滞后带2H₂）时，该经过修正的积分误差信号保持不变;当由积分误差信号幅度增加引起积分误差信号幅度时，该经过修正的积分误差信号等于积分误差信号幅度减去该选择的滞后带宽度；当由积分误差信号幅度减小引起积分误差信号幅度与该选择的滞后带宽度之和小于经过修正的积分误差信号幅度时，该经过修正的积分误差信号等于积分误差信号幅度加上该选择的滞后带宽度。

3、在一个具有至少两个（对因变量产生影响的）自变量的系统中，对因变量提供积分控制的一种装置，其特征在于包括：

-一个积分器，对具有幅度由因变量指令信号和因变量检测信号之差值表示的差值信号作出响应，并提供一个用于控制第一自变量的积分误差信号，该第一自变量仅仅对积分误差信号的大幅度变化作出响应，

-一个滞后传递功能装置，该装置对积分误差信号作出响应，并提供一个具有以下幅度特性的滞后信号：每当积分误差信号与滞后信号间的幅度之差的绝对值不大于一个选择的滞后带宽度时，该滞后信号的幅度总保持不变;每当积分误差信号幅度增加引起积分误差信号幅度与该选择的滞后带宽度之差值大于滞后信号幅度时，该滞后信号的幅度总等于积分误差信号幅度减去该选择的滞后带宽度;每当积分误差信号幅度减小引起积分误差信号幅度与该滞后带宽度之和小于滞后信号幅度时，该滞后信号的幅度总等于积分误差信号幅度加上该选择的滞后带宽度;和

-用于从积分误差信号中减去滞后信号的装置，并提供一个用以控制第二自变量的滞后极限积分误差信号，从而使该第二自变量为响应积分误差信号的小信号变化而受到限制。

4、权利要求3的装置，特征在于进一步包括：一个第二滞后传递功能装置，该装置除了具有较大宽度的滞后带外，与权利要求3中的滞后传递功能装置的作用相同，该装置响应积分信号以提供一个经过修正的积分误差信号，该经过修正的积分误差信号使第一自变量只对积分误差信号的大信号变化作出响应。

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