CN101846966B - 预防致动器输入信号饱和的控制器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种预防致动器输入信号饱和的控制方法，该方法包括如下步骤：控制器接收用户所输入的致动器所能承受的能力极限值max；接收用户所设置的所述控制器需要输入给致动器的控制信号值与max的比例值ca，致动器的实际输入信号值与max的比例值i；传感器获取被控对象的状态值x，并反馈该状态值x给所述控制器；该控制器根据传感器所反馈的所述被控对象的状态值x计算该控制器需要输入给致动器的控制信号值co；根据计算出的co值计算致动器的实际输入信号值；及发送所计算出的实际输入信号值给致动器，使得致动器驱动所述被控对象运动。另外，本发明还提供一种预防致动器输入信号饱和的控制器。

Description

预防致动器输入信号饱和的控制器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制器及控制方法，尤其涉及一种预防致动器输入信号饱和的控制器及其控制方法。
背景技术
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。在工业上的实际运用中，控制系统常遇到的一个问题是控制器(Controller)的运算结果超过致动器(Actuator)能力的极限，这种情形在工业控制器里普及率极高的PD控制器(ProportionDifferentiation，比例微分)之中尤其明显，在系统运转之初，当系统状态与目标状态的差异很大的时候，高误差值极易导致PD控制器的运算结果过大，若致动器接收到超过它能力极限的控制讯号，有可能会造成致动器受损或是让整个控制系统产生不稳定的状态。
目前所采用的方式为设定一个if条件保护式。若控制器运算结果位于致动器能力极限的范围内，则致动器的输入信号值即为该控制器所计算出的运算结果，若控制器运算结果超过致动器能力极限值，则致动器的输入信号值为该致动器的能力极限值。如图1所示，控制器运算结果与致动器的输入信号之间的关系曲线为一条直线，这样会产生一个很严重的问题，即微分不连续，使得控制器的输出信号不稳定，致动器的输入信号会突然达到致动器的能力极限，严重地会导致致动器的损坏。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种预防致动器输入信号饱和的控制器，可以有效预防致动器输入信号的饱和。
还有必要提供一种预防致动器输入信号饱和的控制方法，可以有效预防致动器输入信号的饱和。
一种预防致动器输入信号饱和的控制器，该控制器与致动器、被控对象及传感器依次连接，该传感器用于获取被控对象的状态值，该控制器包括：接收模块，用于接收所输入的该致动器所能承受的能力极限值max，用户所设置的所述控制器需要输入给致动器的控制信号值与max的比例值ca，及致动器的实际输入信号值与max的比例值i；计算模块，用于根据传感器所反馈的被控对象的状态值x计算该控制器需要输入给致动器的控制信号值co，还用于根据该co的值计算致动器的实际输入信号值；及发送模块，用于发送所计算出的致动器实际输入信号值给致动器，使得致动器驱动所述被控对象运动。
一种预防致动器输入信号饱和的控制方法，该方法包括如下步骤：控制器接收用户所输入的致动器所能承受的能力极限值max；接收用户所设置的所述控制器需要输入给致动器的控制信号值与max的比例值ca，致动器的实际输入信号值与max的比例值i；传感器获取被控对象的状态值x，并反馈该状态值x给所述控制器；该控制器根据传感器所反馈的所述被控对象的状态值x计算该控制器需要输入给致动器的控制信号值co；根据计算出的co值计算致动器的实际输入信号值；及发送所计算出的实际输入信号值给致动器，使得致动器驱动所述被控对象运动。
相较于现有技术，所述预防致动器输入信号饱和的控制器及其控制方法，利用双曲正切函数的特性，使得证明控制器稳定性时避免了微分不连续的情况，且有效预防了致动器输入信号的饱和，保护了致动器的运作。
附图说明
图1是现有技术中致动器的输入信号曲线及其微分示意图。
图2是本发明预防致动器输入信号饱和的控制器的运行环境图。
图3是图1中控制器的功能模块图。
图4是本发明预防致动器输入信号饱和的控制方法较佳实施例的方法流程图。
图5和图6分别是本发明预防致动器输入信号饱和的控制方法较佳实施例的制动器输入信号曲线图及其微分示意图。
具体实施方式
如图2所示，是本发明预防致动器输入信号饱和的控制器的运行环境图。控制器1可以为PD控制器，该控制器1与一个致动器2、一个被控动象3和一个传感器4依次连接。该致动器2可以为马达，转动机等。所述被控对象3可以为测量机台的测头，被控对象3决定该传感器4的种类，例如，该被控对象3用于温度控制，则该传感器4为温度传感器，又例如该被控对象3用于压力控制，则该传感器4为压力传感器。所述控制器1存储有PID算法，该PID算法用于计算该控制器1需要输出给致动器2的控制信号值。该PID算法包括：增量式算法，位置式算法，微分先行等。
所述传感器4用于从被控对象3获取该被控对象3的运动状态，并将该运动状态反馈给所述控制器1，该控制器1接收所反馈的所述被控对象3的运动状态，并根据该接收的被控对象3的运动状态与该被控对象3所要到达的目标计算误差值，根据该误差值输入相应控制信号给所述致动器2，所述致动器2接收控制器1所发送的控制信号，根据该控制信号来控制所述被控对象3运动，直到所述控制器1所计算的误差值为零，所述控制器1停止对该致动器2输入控制信号。所述控制器1控制该致动器2在其所能承受的能力极限值内运作。
如图3所示，是图1中控制器1的功能模块图。所述模块是具有特定功能的软件程序段，该软件存储于计算机可读存储介质或其它存储设备，可被计算机或其它包含处理器的计算装置执行，从而完成预防致动器输入信号饱和的系列流程。所述控制器1包括：接收模块10、判断模块12、计算模块14及发送模块16。
接收模块10用于接收用户所输入的该致动器2所能承受的能力极限值max及给定值y，还用于接收用户所设置的所述控制器1需要输出给致动器2的控制信号值与max的比例值ca，致动器2的实际输入信号值与max的比例值i，0＜i＜1。假设用户设置的ca＝0.5，i＝0.75，即控制器1需要输出给致动器2的控制信号值为该致动器2所能承受的能力极限值的0.5倍，该致动器2的实际输入信号值是该致动器2所能承受的能力极限值的0.75倍，如果所述致动器2所能承受的能力极限值max为1000，则控制器1需要输出给致动器2的控制信号值为1000*0.5＝500，致动器2的实际输入信号值为1000*0.75＝750。所述给定值y为用户需要被控对象3达到的目标值。该接收模块10还用于接收传感器4反馈的被控对象3的状态值x。
判断模块12用于判断所接收的被控对象3的状态值x与给定值y的差值的绝对值是否为零。若|x-y|＝0，即该被控对象3的状态值达到用户所设定的目标值，所述控制器1停止发送控制信号给所述致动器2。
计算模块14用于若|x-y|≠0，利用PID算法根据传感器4所反馈的被控对象3的状态值x计算该控制器1需要输入给致动器2的控制信号值co。
该计算模块14还用于根据co值利用公式max*tanh(tanh-1(i)*co/ca*max)计算致动器2的实际输入信号值。
发送模块16用于发送所计算出的实际输入信号值给致动器2，使得致动器2驱动所述被控对象3运动。
举例来说，所述被控对象3为测量机台的测头，所述致动器2为马达，该马达的最大转速max＝1000转/小时，若用户需要该测头能够快速到达目标位置，接收模块10接收用户设置的ca＝1，i＝0.95，利用公式max*tanh(tanh-1(i)*co/ca*max)计算出马达的输入信号值＝1000*tanh(0.00183*co)，该计算出的马达输入信号值小于该马达所能承受的能力极限值1000转/小时，如图5所示为本实施例的曲线图，图6为图5曲线的微分示意图，由该微分示意图可知图5中的曲线为微分连续的。
又例如，假设致动器2为手机的扬声器，该扬声器的最大功率为max＝1000mw，若用户需要该扬声器的输入信号不会超过该扬声器的最大功率，接收模块10接收用户设置的ca＝0.75，i＝0.75，利用公式max*tanh(tanh-1(i)*co/ca*max)计算出该扬声器的输入信号值＝1000*tanh(0.001297*co)，计算出的所述扬声器输入信号值小于该扬声器的最大功率1000mw。
如图4所示，是本发明预防致动器输入信号饱和的控制方法较佳实施例的方法流程图。
步骤S41，接收模块10接收用户所输入的该致动器2所能承受的能力极限值max及给定值y，接收用户所设置的所述控制器1需要输入给致动器2的控制信号值与max的比例值ca，致动器2的实际输入信号值与max的比例值i，0＜i＜1。所述给定值y为用户需要所述被控对象3需要达到的目标值。
步骤S42，传感器4获取被控对象3的当前状态值x。
步骤S43，判断模块12判断所接收的所述被控对象3的状态值x与所述给定值y的差值的绝对值是否为零。若|x-y|＝0，进入步骤S44，若|x-y|≠0，进入步骤S45。
步骤S44，该控制器1停止发送控制信号给所述致动器2，结束流程。
步骤S45，计算模块14利用PID算法根据传感器4所反馈的所述被控对象3的状态值x计算该控制器1需要输入给致动器2的控制信号值co。
步骤S46，计算模块14根据计算出的co值利用公式max*tanh(tanh-1(i)*co/ca*max)计算致动器2的实际输入信号值。
步骤S47，发送模块16发送所计算出的实际输入信号值给致动器2。
步骤S48，该致动器2根据所接收的输入信号值驱动所述被控对象3运动，流程转至步骤S42。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种预防致动器输入信号饱和的控制器，该控制器与致动器、被控对象及传感器依次连接，该传感器用于获取被控对象的状态值，其特征在于，该控制器包括：
接收模块，用于接收所输入的该致动器所能承受的能力极限值max，用户所设置的所述控制器需要输入给致动器的控制信号值与max的比例值ca，及致动器的实际输入信号值与max的比例值i；
计算模块，用于根据传感器所反馈的被控对象的状态值x计算该控制器需要输入给致动器的控制信号值co，还用于根据公式max*tanh(tanh-1(i)*co/ca*max)计算致动器的实际输入信号值；及
发送模块，用于发送所计算出的致动器实际输入信号值给致动器，使得致动器驱动所述被控对象运动。
2.如权利要求1所述的预防致动器输入信号饱和的控制器，其特征在于，所述i的取值范围为0＜i＜1。
3.如权利要求1所述的预防致动器输入信号饱和的控制器，其特征在于，所述接收模块还用于接收用户所设置的给定值y，该给定值y为用户需要被控对象达到的目标值。
4.如权利要求3所述的预防致动器输入信号饱和的控制器，其特征在于，该控制器还包括判断模块，用于判断所接收的所述被控对象的状态值x与所述给定值y的差值的绝对值是否为零，若|x-y |＝0，所述发送模块停止发送控制信号给所述致动器，若|x-y |≠0，则所述计算模块计算所述控制器需要输入给致动器的控制信号值co。
5.一种预防致动器输入信号饱和的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
控制器接收用户所输入的致动器所能承受的能力极限值max；
接收用户所设置的所述控制器需要输入给致动器的控制信号值与max的比例值ca，致动器的实际输入信号值与max的比例值i；
传感器获取被控对象的状态值x，并反馈该状态值x给所述控制器；
该控制器根据传感器所反馈的所述被控对象的状态值x计算该控制器需要输入给致动器的控制信号值co；
根据公式max*tanh(tanh-1(i)*co/ca*max)计算致动器的实际输入信号值；及
发送所计算出的实际输入信号值给致动器，使得致动器驱动所述被控对象运动。
6.如权利要求5所述的预防致动器输入信号饱和的控制方法，其特征在于，所述i的取值范围为0＜i＜1。
7.如权利要求5所述的预防致动器输入信号饱和的控制方法，其特征在于，所述步骤接收用户所输入的该致动器所能承受的能力极限值max还包括：
接收用户所设置的给定值y，该给定值y为用户需要被控对象达到的目标值；
接收传感器反馈的所述被控对象的状态值x；
判断所接收的所述被控对象的状态值x与所述给定值y的差值的绝对值是否为零；
若|x-y |＝0，停止发送控制信号给所述致动器；及
若|x-y |≠0，则执行所述控制器根据传感器所反馈的所述被控对象的状态值x计算该控制器需要输入给致动器的控制信号值co的步骤。
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