CN102612673B - 基于频率响应对控制系统的自动调谐 - Google Patents
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Abstract
一种确定在对控制器进行调解所使用的调谐参数的方法和系统，该控制器用在用于马达和相关联的负载的过程控制环路中。该方法包括：提供调谐参数、应用激励测试信号、接收频率响应数据以确定相位和增益裕量、在增益-相位图上创建由以边界连接相位和增益裕量的有界区定义的不稳定区域、分配并应用成本函数以及计算稳定性确定。
Description
技术领域
本发明涉及用于马达控制器的自动调谐的方法和系统。更具体地，本发明涉及这样的方法和系统：通过该方法和系统，基于频率响应来自动调谐用于马达和相关联的负载的控制系统的控制器。
背景技术
控制系统一般包括控制器和通过反馈环路连接到该控制器的待被控制的设施(例如，驱动负载的马达)。在操作中，设施由控制器的输出控制，并且设施输出经由反馈路径反馈，在反馈路径中从基准输入中减去设施输出以形成误差信号。该误差信号由控制器处理来生成到设施的经修改的控制输入。在由于柔量、反冲和摩擦等导致诸如马达/负载惯性、共振的特有属性存在改变的情况下，控制器需要调谐以维持命令响应、抗干扰性、稳定性以及噪声敏感性的最优化。
控制器通常包括滤波器和控制规则。控制规则放大误差信号，并且添加前馈项以创建命令信号。诸如PID(比例-积分-微分)控制规则的控制规则由于其通用设计被广泛使用。如在此所使用的，术语PID型控制规则涵盖PID补偿器的所有变化和组合，包括P、PI和PD配置。PID型控制规则被如此命名，是由于其控制输出是从与输入成比例的一个项、与输入的积分成比例的另一个项以及与输入的微分成比例的又一个项的加权和得到的。PID型控制规则同时在比例控制模式、积分控制模式和微分控制模式下进行控制，使得系统在尽可能快的时间段内达到稳定状态下的目标值。这样的控制规则包括带有比例增益参数KP的比例放大单元、带有积分增益参数KI的积分单元，以及带有微分增益参数KD的微分单元。
对控制规则进行调谐是对控制规则的控制规则增益(例如，Kp、KI、KD)进行设置或调整以实现期望的性能的过程。例如，因为运动控制器的稳定性可能由于与负载情况的相互作用而变化，所以控制规则的增益必须被定期调谐(即，调整)以在控制器的特定应用中有效操作。调谐较差的控制规则动作过于激烈或过于迟缓，或带有不充分的稳定性裕量。当干扰或过程动态特征中的不确定性很大时，对控制规则的调谐经常很难。结果，过去的调谐过程通常需要对系统进行手动调谐的非常有经验的技术人员。然而，虽然对控制器进行手动调谐是可能的，但是其经常是繁琐的，并且结果常常是非最佳的。
动态信号分析器(DSA)通常用来执行频率响应分析，其能够提供频域调谐。DSA生成多频信号，其能够作为命令被注入控制系统中。对注入信号的响应被返回给DSA并且通常采用波特图进行分析。然而，DSA单元是相当昂贵的。此外，对DSA可用的用于注入测试信号的点的数量常常少于期望的。结果，这样的装备的使用通常限于研究室，并且在用户场所一般是不可用的。
发明内容
通过提供基于频率响应函数执行马达控制器自动调谐的方法和系统，解决了上面认识到的问题，并且在本领域实现了技术进步。
本发明可以以多种方式来实现，包括作为系统、设备/装置、方法或计算机可读介质来实现。在下面论述了本发明的若干实施例。
一个实施例包括确定用于对控制器进行调谐的最佳调谐参数集的方法，该控制器用在具有设施(马达和相关联的负载)的过程控制环路中，该方法包括：(a)在增益-相位图上提供涵盖稳定性裕量不充分的预定义区域；(b)提供与该区域相关联的预定义成本函数，其中成本函数表示基于对该区域的相对渗透深度的稳定性成本；(c)将包含跨越预定义范围的频率的分量的激励测试信号应用到控制系统，并且接收控制系统响应于该激励测试信号的频率响应数据以获取设施测量；(d)搜索多个调谐参数集，基于关于所搜索的每一个调谐参数集的设施测量的模拟响应数据来识别具有最小成本的最佳调谐参数集，并且将成本函数应用于该模拟响应数据；以及(e)输出最佳调谐参数。
进一步的实施例包括与基于模拟响应数据与目标响应的比较另外的成本函数、基于干扰响应的另外的成本函数、基于传感器噪声响应的另外的成本函数进行关联。总成本此后可以基于所有成本函数的加权和。目标可以是理想响应、对于所有感兴趣的频率在0dB、0度相位处的平坦闭环波特图。
可以关于相位和增益裕量来定义区域。例如，在增益-相位图上，区域的中心是在0dB和180度处，其中相位在x轴上以度为单位，并且增益在图的y轴上以dB为单位。在更具体的实施例中，区域的边界上的四个点在(x，y)坐标上是(GM dB，180度)、(-GM dB，-180度)、(0dB，-180+PM度)以及(0dB，-180+PM度)。可以将区域的边界按比例调整成更大或更小。区域可以呈现基本上是椭圆的形状。在此也预期其他形状。
在更进一步实施例中，稳定性硬成本可以用于区域的任何渗透。替选地，可以使用稳定性软成本，使得软成本被定义为模拟响应数据对该区域的渗透深度的函数以及与其接近的函数。例如，软成本可以被定义为在最深点处的渗透或渗透的加权平均的函数。
通常，通过将低频正弦曲线应用于控制系统来确定马达和负载的马达加速度常量，可以对初始调谐参数进行调谐用于以低响应进行稳定操作，以允许系统被激励，使得可以采集频率响应数据来对控制器进行调谐。
激励测试信号可以经由以下的一个或多个来生成：随机噪声生成器，生成随机值的连续流的设备；伪随机二进制生成器，通过生成两个变化持续时间的值来生成丰富信号的设备；正弦扫频生成器，生成正弦曲线的连续扫频的设备；离散正弦波生成器，生成一系列典型地几何增加或减少的正弦曲线的设备；以及线性调频生成器，生成重复系列的诸如K×sin(wt*kt+Const)的快速增加频率的正弦曲线的设备。激励测试信号还可以与常规命令信号一起应用，或应用于测量命令响应或干扰响应。
在实施例中，调谐参数可以包括控制器的比例、积分和微分增益中的一个或多个。并且，调谐参数可以包括滤波器中的一个或多个。此外，调谐参数可以包括用于位置控制器的比例控制器和用于速度的另一个比例、积分控制器。
可以使用快速傅里叶变换(FFT)或离散傅里叶变换(DFT)或本领域已知的其他方法来获取频率响应数据。
该方法可以进一步包括基于最佳调谐参数为电流调谐配置调整调谐参数。
另一个实施例包括用于马达控制系统的控制器的自动调谐系统，其包括：(a)信号生成器，其用于到控制系统的跨预定义范围的频率的激励测试信号；(b)数据记录器，其用于接收并记录控制系统响应于激励测试信号的频率响应数据；(c)增益控制器，其用于调整控制器的增益；(d)与信号生成器、增益控制器和数据记录器对接的计算设备，所述计算设备被编程为：(i)访问在增益-相位图上的涵盖稳定性裕量不充分的预定义区域；(ii)访问与该区域相关联的预定义的成本函数，其中成本函数表示基于对该区域的相对渗透深度的稳定性成本；(iii)指示将包含跨越预定义范围的频率的分量的激励测试信号应用到控制系统，并且接收控制系统响应于该激励测试信号的频率响应数据以获取设施测量；(iv)搜索多个调谐参数集，基于关于所搜索的每一个调谐参数集的设施测量的模拟响应数据来识别具有最小成本的最佳调谐参数集，并且将该成本函数应用于该模拟响应数据；以及(v)输出最佳调谐参数。计算设备可以被进一步编程为指示增益控制器基于最佳调谐参数为电流调谐配置调整调谐参数。计算设备可以被进一步编程为执行在此描述的方法。
作为有形的计算机可读介质，一个实施例提供对具有控制器的过程控制环路进行调谐，其包括待在处理器上执行的以下指令：(i)访问在增益-相位图上的涵盖稳定性裕量不充分的预定义区域；(ii)访问与该区域相关联的预定义的成本函数，其中成本函数表示基于对该区域的相对渗透深度的稳定性成本；(iii)指示将包含跨越预定义范围的频率的分量的激励测试信号应用到控制系统，并且接收控制系统响应于该激励测试信号的频率响应数据以获取设施测量；(iv)搜索多个调谐参数集，基于关于所搜索的每一个调谐参数集的设施测量的模拟响应数据来识别具有最小成本的最佳调谐参数集，并且将该成本函数应用于该模拟响应数据；以及(v)输出最佳调谐参数。计算机可读介质可以进一步包括待在处理器上被执行的指令，其基于最佳调谐参数来调整调谐参数。计算机可读介质可以进一步包括用来执行在此描述的方法的指令。
作为方法，一个实施例包括确定用于对控制器进行调谐的调谐参数的方法，该控制器用在过程控制环路中，该方法包括：(a)提供调谐参数作为控制系统的电流调谐配置；(b)将包含跨越预定义范围的频率的分量的激励测试信号应用到控制系统；(c)接收控制系统响应于激励测试信号的频率响应数据以确定相位和增益裕量；(d)在增益-相位图上创建以边界连接相位和增益裕量的有界区定义的不稳定区域；以及(e)计算关于不稳定区域的稳定性确定。此后，可以基于稳定性确定以及其他因素为电流调谐配置对调谐参数进行调整。例如，可以基于在增益-相位图上绘制的频率响应数据是否渗透了由有界区定义的不稳定区域来为电流调谐配置对调谐参数进行调整。此外，可以重复步骤(b)至(e)以获取最优化的控制器参数集。
在进一步实施例中，通过将低频正弦曲线应用于控制系统来确定马达和负载的马达加速度常量，可以对提议的调谐参数进行初始调谐用于以低响应进行稳定操作，以允许系统被激励，使得可以采集频率响应数据以对控制器进行调谐。通过基于马达加速度常量来模拟系统，可以计算初始调谐参数集。调谐参数可以包括控制器的比例、积分和微分增益中的一个或多个或滤波器中的一个或多个。调谐参数还可以包括用于位置控制器的比例控制器以及用于速度的另一个比例、积分控制器。在该阶段应用调谐将减少下述的随后测试中的运动量。当如果用户希望略过该步骤(例如，以节省时间)而不需要在随后测试中减少运动时，可以略过该初始调谐，而不会损失最终调谐精度。
在更进一步实施例中，有界区定义的不稳定区域可以具有以下特征。例如，该有界区的中心可以被放置在增益-相位图上的0dB和180度处，在增益-相位图中相位在x轴上以度为单位，并且增益在图的y轴上以dB为单位。此外，该有界区的四个点在(x，y)坐标中可以是(GM dB，180度)、(-GM dB，-180度)、(0dB，-180+PM度)以及(0dB，-180+PM度)。有界区的该边界可以用于为调谐参数的调整定义最小稳定性需求。此后可以将该有界区按比例放大成大于定义的坐标以允许更大的稳定性裕量或缩小为小于定义的坐标以允许更小的稳定性裕量。在一个示例中，可以将有界区基本上形成为椭圆的形状。在此也预期用于有界区的其他形状。
一个进一步的实施例还可以提供基于开环或闭环响应为电流调谐配置的稳定性计算成本。该成本可以是稳定性硬成本，其用于有界区定义的不稳定区域的任何渗透。或者，该成本可以是稳定性软成本，其被使用为使得该软成本被定义为绘制在增益-相位图上的频率响应数据对该有界区的渗透深度的函数以及与其接近的函数。例如，软成本可以被定义为在最深点处的渗透或渗透的加权平均的函数。这还可以是用于说明控制系统的实际响应匹配目标响应的程度的响应成本。这样的响应成本可以说明控制系统的实际响应匹配目标响应的程度，其中目标是理想响应、对于所有感兴趣的频率在0dB、0度相位处的平坦闭环波特图。此外，理想响应可以被指定为特定期望的响应，诸如对直到指定带宽的频率在0dB、0度相位处的平坦闭环波特图，然后闭环响应将以指定速率在振幅上下降。可以指定这样的定制的闭环频率响应，使得机电系统不对所处环境产生有害或讨厌的声音或振动噪声。可以将这些成本组合成作为稳定性成本和响应成本的加权和的总成本。
在更进一步的实施例中，激励测试信号可以经由以下的一个或多个来生成：随机噪声生成器，生成随机值的连续流的设备；伪随机二进制生成器，通过生成两个变化持续时间的值来生成丰富信号的设备；正弦扫频生成器，生成正弦曲线的连续扫频的设备；离散正弦波生成器，生成一系列典型地几何增加或减少的正弦曲线的设备；以及线性调频生成器，生成重复系列的诸如K×sin(wt*kt+Const)的快速增加频率的正弦曲线的设备。并且，激励测试信号可以与常规命令信号一起应用。此外，激励测试信号可以应用于测量命令响应、扭矩、传感器噪声或其他干扰响应。
其他选项可以包括提供显示器以显示频率响应、波特图、增益-相位图、不稳定区域等。可以使用快速傅里叶变换(FFT)或离散傅里叶变换(DFT)等来获取频率响应数据。
作为系统，一个实施例包括用于马达控制系统的控制器的自动调谐系统，其具有：(a)信号生成器，其用于到控制系统的跨预定义范围的频率的激励测试信号；(b)数据记录器，其用于接收并记录控制系统响应于激励测试信号的频率响应数据；(c)增益控制器，其用于调整控制器的增益；以及(d)与信号生成器、增益控制器和数据记录器对接的计算设备，所述计算设备被编程为实现如在此描述的本发明的方法，诸如但并不限于被编程为：(i)指示增益控制器将调谐参数设置为控制系统的电流调谐配置；(ii)指示信号生成器将跨预定义范围的频率的激励测试信号应用于控制系统；(iii)从数据记录器接收频率响应数据以确定相位和增益裕量；(iv)在开环增益-相位图上创建由以边界连接相位和增益裕量的有界区定义的不稳定区域；以及(v)指示增益控制器基于关于不稳定区域的稳定性确定为电流调谐配置调整调谐参数。
作为有形的计算机可读介质，本发明的一个实施例包括体现在该介质上的用于根据在此描述的方法对过程控制环路进行调谐的计算机指令。例如，这样的指令适于在处理器上执行来(a)可选地指示增益控制器将初始调谐参数设置为控制系统的电流调谐配置；(b)指示信号生成器将跨预定义范围的频率的激励测试信号应用于控制系统；(c)接收控制系统响应于激励测试信号的频率响应数据以确定相位和增益裕量；(d)在开环增益-相位图上创建由以边界连接相位和增益裕量的有界区定义的不稳定区域；以及(e)指示增益控制器基于关于不稳定区域的稳定性确定为电流调谐配置调整调谐参数。该计算机可读介质可以包括体现在该计算机可读介质上的多个软件组件，诸如逻辑处理模块、配置文件处理模块、数据组织模块以及数据显示组织模块。
在下面的详细描述期间并且参考附图，本发明的其他的和进一步方面将变得显而易见。
在此参考或引用、或从其要求优先权的所有专利、专利申请、临时申请和公开通过引用其整体合并于此，以达到它们不与本说明书的明确教导不一致的程度，包括在美国专利No.5,656,906、5,834,918、6,081,751、6,198,246、6,281,650、6,510,353、6,658,370、6,622,099、6,847,598、6,917,049、6,961,628、6,980,869、7,292,001、7,190,144、7,035,694以及已公布的美国申请No.2002/0019715和2002/0022903中所描述的控制系统和调谐过程。
附图说明
为了获得本发明的上面列举的方式以及其他优势和目的，将通过参考在附图中图示的本发明的特定实施例呈现在上面简略描述的本发明的更具体的描述。应当理解的是，这些附图仅描绘本发明的典型实施例，因此并不认为是对本发明范围的限制，通过使用附图将以额外的特性和细节描述并说明本发明，在附图中：
图1图示马达控制系统的概览，在该马达控制系统中内置式自动调谐系统被实现为本发明的实施例。
图2是如图1中所示的自动调谐系统的示例性实施例的框图。
图3是自动调谐算法和控制系统的示例性实施例。
图4a-b是自动调谐算法的示例的流程图。
图5a-5b是示例同等稳定区域(开环增益-开环相位图)。
图6是包括闭环命令响应的示例目标增益-频率图和实际增益-频率图的频域图。
应当理解的是，在某些情况下，因计算效率或易于维护，所图示的流程图的框的排序可以由本领域技术员人重新布置或移动到所图示的环路里面或外面。可以移除或替代可选步骤。
具体实施方式
图1图示马达控制系统的概览，在该马达控制系统中实现自动调谐系统。马达控制系统包括驱动100、马达200、驱动负载300以及位置和/或速度测量设备400。应当理解的是，存在许多反馈结构的变形，包括马达上的单个位置传感器、负载上的单个位置传感器、马达上的位置传感器和负载上的另一个位置传感器的组合，所有这些都被包括于此。应当理解的是，可以在马达、负载或两者上直接测量速度，而不是从位置传感器进行计算。在此也包括该配置。应当理解的是，可以使用“无传感器的”技术来计算位置和速度，该技术使用马达的特性来感测位置和速度。在此也包括该配置。
图2示出控制结构的视图。命令生成器120生成位置、速度和加速度命令信号，并且将它们通信到位置控制规则130、速度控制规则140和电流控制器150。反馈系统包括生成激励命令的控制规则、创建激励的电力转换器、作为控制的对象的设施(马达和相关联的负载)，以及测量一个或多个控制变量的传感器。命令生成器120通过命令和响应路径连接到马达控制系统的位置控制器。当从命令生成器120接收命令时，位置控制器生成速度命令用于速度控制器，速度控制器继而生成电流命令用于电流控制器。位置反馈将来自马达200的位置和速度信息反馈给电流控制器、速度控制器和位置控制器，其中从基准输入减去反馈输出以形成误差信号。控制器命令也用于通过用于速度121以及电流/加速度122的前馈路径提高环路性能。
应当理解的是，存在许多能够在精密应用中使用的电流控制策略和许多马达类型。在此包括这些配置。还应当理解的是，存在许多控制规则的配置，诸如位置/速度环路、没有速度环路的位置环路、没有位置环路的速度环路、力/速度环路、仅仅力环路以及其他。在此也包括这些。应当理解的是，存在许多位置、速度和扭矩环路的表述和变形，包括s域、z域和状态空间。这些均被包括在此。应当理解的是，存在许多命令生成的配置，包括：在诸如阶跃/方向命令或编码器信号的脉冲串之后，在驱动上生成命令、在独立计算设备上生成命令并且以定期的实时间隔通信给驱动、在多轴控制器上生成命令并且将该命令集通信给一组驱动。还可以对这些进行组合，诸如在驱动上的命令生成之后加上在编码器信号之后。这些均被包括在此。应当理解的是，存在许多前馈的组合和类型，包括速度前馈、加速度前馈、静摩擦前馈、静摩擦力前馈等。这些前馈路径均被包括在此。
图2中的控制系统进一步包括自动调谐控制器20，其被配置成执行对控制系统的自动调谐，并且例如在个人计算机10或其他处理设备上执行。自动调谐控制器通过自动调谐过程控制器110连接到驱动。自动调谐过程控制器提供对命令生成器、位置控制规则、速度控制规则、电流控制器和诸如位置命令、位置反馈、位置误差、速度命令、速度反馈、速度误差、电流命令、电流反馈、电流误差等的内部信号的访问。应当理解的是，驱动通常是强大的计算设备，以及自动调谐算法的部分或全部可以在驱动上执行。并且，自动调谐算法可以在许多计算设备上执行，诸如多轴运动控制器、可编程逻辑控制器等，所有这些均被包括在此。
图3示出图2的控制算法的细节图。自动调谐算法在个人计算机/计算设备10上执行，并且经由通信接口120与驱动进行通信。通过该接口，自动调谐算法可以控制激励生成器130、通过增益控制器140修改增益，以及通过数据记录器150记录及检索数据。
激励生成器130可以禁用或启用命令生成器120。在数据收集期间，命令生成器可以被禁用，并且激励生成器可以创建收集数据所需的命令集。激励生成器创建位置命令133、速度命令132和加速度命令信号131。在数据收集时段之外，命令生成器被启用来创建独立于自动调谐算法的命令信号。
命令生成器适于生成带有丰富频率含量的信号，这就是说包含来自操作频谱的大部分或全部的显著频率分量的信号。命令信号可以是许多类型的，包括：随机噪声生成器，其是生成随机值的连续流的设备；伪随机二进制生成器，其是通过生成两个变化持续时间的值(典型地最大和最小允许的电流)来生成丰富信号的设备；正弦扫频生成器，其是生成连续扫频的正弦曲线的设备；离散正弦波生成器，其是生成一系列典型地几何增加或减少的正弦曲线的设备；以及线性调频生成器，其是生成重复系列的诸如K×sin(wt*kt+Const)的快速增加频率的正弦曲线的设备。应当理解的是，存在许多生成丰富激励信号的方式，所有这些均被包括在此。
命令信号可以应用于电流、速度或位置信号。存在许多将命令注入环路的方式。当测量命令响应时，重要的是，维持加速度和速度之间以及在速度和位置之间的整体关系。还可以将信号直接注入电流命令，其中信号变成扭矩干扰的良好表示。在这种情况下，可以测量控制环路的近似抗干扰性。在此包括应用于命令和干扰两者的激励信号。
位置控制规则接收位置命令和位置反馈并且通过KP将其按比例调整以创建速度命令。位置环路有时包括其他项，诸如积分项或微分项。位置反馈、命令和误差信号可以由一个或多个滤波器进行处理，该一个或多个滤波器未在图3中示出，但是对本领域技术人员是熟悉的。这些滤波器可以在位置控制规则之间的前向路径中。这些滤波器还可以在位置反馈信号和位置控制规则之间的反馈路径中。应当理解的是，位置控制器可以包括提高位置信号的质量的观察器、技术。在此包括带有观察器的位置控制器。
速度控制规则接收速度命令和速度反馈以及速度前馈命令，并且创建误差信号。该误差信号可以由前向路径143和控制规则144中的一个或多个滤波器来进行处理。使用微分器147来创建速度反馈信号，速度反馈信号能够由一个或多个反馈滤波器146进行处理。存在许多能够应用于速度信号的滤波器类型，包括低通、陷波、共振器等。这些滤波器可以极大提高调谐的响应/稳定性。通常，调谐的最复杂部分是滤波器和速度控制规则增益的选择和设置。对这些变量的自动设置是本文的焦点，尽管在此的方法和系统可以用于在控制系统的任何部分中的调谐滤波器、控制规则增益以及前馈增益。应当理解的是，速度控制器可以包括提高速度信号的质量的观察器、技术。在此包括带有观察器的速度控制器。
速度控制规则的输出是电流命令，其可以用电流前馈信号来增强以创建应用于使用整流和功率级的马达的电流。
图4示出自动调谐算法的示例性实施例的详细视图。通过将低频正弦曲线应用于控制系统来确定马达和负载的马达加速度常量，可以对提议的调谐参数进行初始调谐用于以低响应稳定操作，以允许系统被激励，使得可以采集频率响应数据以对控制器进行调谐。通过基于马达加速度常量来模拟系统，可以计算初始调谐参数集。调谐参数可以包括控制器的比例、积分和微分增益中的一个或多个或者滤波器中的一个或多个。调谐参数还可以包括用于位置控制器的比例控制器以及用于速度的另一个比例、积分控制器。在该阶段应用调谐将减少下述的随后测试中的运动量。当如果用户希望略过该步骤(例如，为了节省时间)而不需要在随后测试中减少运动时，可以略过该初始调谐，而不会损失最终调谐精度。例如，首先，将低频正弦曲线30应用于控制系统以确定马达和负载的马达加速度常量，其对于图4中的马达近似为乘以电流35的常数。然后为典型具有低增益的稳定操作配置初始速度环路以确保稳定性，但是仅产生低响应40。初始调谐允许系统被激励，因此可以采集数据来完成自动调谐过程。
然后自动调谐过程应用激励45并且指引驱动来记录若干信号、检索那些信号，然后对那些信号进行处理以使用快速傅里叶变换(FFT)来测量系统的频率响应。存在许多将时域数据转化成频域数据的方式，包括FFT和离散傅里叶变换(DFT)，这些对本领域技术人员是熟悉的。
被测量或模拟的一个信号是开环响应。开环响应具有两个特性：开环增益，其是在每一个感兴趣的频率处响应除以命令的量值；以及开环相位，其表示在每一个感兴趣的频率处响应与命令相比的延迟或提前。当信号遍历整个环路时，例如，如果激励被唯一地生成为电流命令133，则为从求和结点133的输出返回到结点133的输入的路径，开环测量控制系统的总体处理。还可以从闭环响应计算开环响应；闭环响应是命令与响应的比较，例如位置反馈134对位置命令133的响应。这些计算手段是本领域技术人员众所周知的。
如果初始时不能直接测量开环测量，则可以从设施测量和对控制器增益响应的模拟对其进行模拟。通过用频率丰富的信号激励系统来计算设施测量。可以将激励插在图3中的许多地方，包括133、120。设施响应是在134(就在“电流控制规则”框之前)的激励除以在134(在“位置控制规则”区域中的求和结点)的激励的响应。模拟开环响应可以是与框(前向滤波器)、(Kv(l+Ki/s))、(反馈滤波器)和(KP)中的控制环路增益一起考虑从测量的设施响应来计算的。从设施和控制器增益模拟开环响应将是本领域技术人员众所周知的。
开环和闭环响应可以用于测量电流响应的成本。该成本是稳定性裕量和响应的组合，在稳定性裕量中更高的裕量意味着更低的成本，在响应中当实际响应最佳匹配于目标响应时出现最小成本。为了稳定性，两个众所周知的品质因素是增益裕量和相位裕量。增益裕量(GM)是开环系统在开环相位是180度的频率处的增益的负值。相位裕量被定义为180度减去在开环增益是0dB的频率处的开环相位。GM/PM对通常被定义为期望的裕量组；例如，60度PM和10dB GM。此外，替代开环和闭环响应或除开环和闭环响应外，还可以使用另外的响应，诸如敏感度(敏感度+闭环＝1)、扭矩干扰响应(系统位置与扭矩干扰相比的响应)，或传感器噪声响应(系统扭矩命令与编码器噪声相比的响应)，来创建电流响应的成本。在此添加的测量对本领域技术人员是众所周知的。
在增益-相位图上定义涵盖稳定性裕量不充分的区域。如果针对开环相位绘制开环增益，则可以使用(例如)椭圆来标识图5a和5b中所示的近似相等的稳定性区带(同等稳定区域)。在该图上，椭圆的中心是0dB和180度。图5中所示的椭圆上的四个点在(x，y)坐标上是(GM dB增益，180度相位)、(-GM dB增益，-180度相位)、(0dB增益，-180+PM度相位)和(0dB增益，-180-PM度相位)。同等稳定区域可以通过将椭圆按比例放大(更大的稳定性裕量)和缩小(更小的稳定性裕量)来定义。图5a的轴是相位(x轴)和增益(y轴)。当相位是-180度增益是0dB时，系统是不稳定的。众所周知的是，应当避开这种情况。如果使用椭圆来连接相位裕量和增益裕量点，则该椭圆的边界是图5a中所示的同等稳定性。可以使用同等稳定区域来定义参数集可以在无成本的情况下示范的目标最小稳定性需求。
当开环增益-相位图穿入目标同等稳定区带时，可以强加稳定性代价；在这样的情况下，如图5a和5b中所示，开环图“刺入”同等稳定区域。在任何刺入是不可接受的情况下，可以使用“硬”成本函数。当稳定性成本可以被定义为在其所有刺入的最深点或加权平均处开环相位/增益图刺入期望的同等稳定区域的深度的函数时，可以使用软成本函数。
软成本函数创建应用于穿入稳定性裕量不充分的区域的有限成本代价。这不同于不允许系统穿入不稳定区域的方法，不允许系统穿入不稳定区域的方法实际上是用于穿越的无限成本代价。以这种方式，可以将区域边界的微小违反与性能的提高进行权衡，使得可以更可靠地定位可接受的性能和稳定性的点。可以从分值减去对区域的接近，并且带宽可以加到分值中。稳定性和带宽分值的组合可以确定总分值，其可以用于解决方案。此后，可以对控制系统增益和滤波器进行调整，直到以最高可能带宽满足稳定性标准。(然而，如果带宽高于优选上限，则此后可以将其减少)。
成本还可以说明系统的实际响应匹配目标响应的程度；目标和实际之间的差异越大，响应成本越高。有时，应用要求系统尽可能快地响应；在这样的情况下，成本可以是系统响应距完美响应(命令＝反馈)的距离的测量。在其他情况下，应用要求有限响应，因此控制器必须本质上对命令进行滤波，例如来减少振动或震动。在这种情况下，理想响应可以是低通滤波器，并且成本是系统响应距期望响应的距离，无论其是响应过激还是响应不足。通过绘制目标-实际闭环增益-频率，在图6中示出了这种情况。响应成本可以从干扰响应或命令响应或两者的组合来计算；在一个实施例中，其是对命令的响应。
成本可以说明系统响应于应用到系统的外部扭矩对移动的抵抗(干扰响应)。通常期望的是，系统抵抗由于外部扭矩干扰(例如，直线飞行的飞机遭受变化的侧风)造成的偏离。改善干扰响应的一些方法反过来影响系统的其他期望特征，诸如其闭环响应或稳定性。对干扰响应单独评分允许整体考虑系统中的干扰响应。
成本可以说明响应于反馈传感器上的噪声而应用到马达的扭矩量(传感器噪声响应)。通常期望的是，系统响应于反馈传感器上的任何噪声而命令少许扭矩，导致更少的能量消耗以及声音和振动噪声。改善传感器噪声响应的一些方法反过来影响系统的其他期望特征，诸如其闭环响应或稳定性。对传感器噪声响应单独评分允许整体考虑系统中的传感器噪声响应。
可以以不同方式来计算诸如在上面参考的成本，包括在测量的频率范围中的每一个数据点处计算高于或低于阈值(阈值可以是单个值或在不同频率变化的目标曲线)的距离，并且对所有距离进行求和来确定成本。此外，可以通过为测量的频率范围中的所有数据点计算对距离的幂的求和(sum[distance^power])来修改成本的表现。增加所使用的幂将越发强调与目标响应的任何偏离。此外，对于高于和低于闭环频率响应目标，可以对成本进行不同地加权。例如，我们可能希望(通过将更高的乘数应用于低于闭环频率响应目标的成本分量以及将更低的乘数应用于低于频率响应目标的成本分量)更多地强调低于频率响应的闭环响应，以及(将更低的乘数应用于低于频率响应目标的成本分量，以及将更高的乘数应用于高于频率响应目标的成本分量)强调高于频率响应目标的传感器噪声成本。
总成本是(例如)以下的一个或多个的成本的加权和：稳定性、闭环响应、干扰响应和传感器噪声响应。
在为第一调谐参数集计算成本之后，可以计算更多集合，并且可以重复该过程。算法60搜索许多调谐参数集以识别具有最小成本的调谐集。存在许多搜索策略，包括：1)对参数集穷尽搜索，以及搜索成本值的策略，2)通过对遗传标记进行调整以找到最佳成本来确定最佳成本的遗传算法，3)考虑成本的改变趋势来收敛于最佳成本的牛顿搜索算法，4)每次局部优化一个参数直到确定所有参数，5)上面搜索方法的变形，其中由于关于控制系统确保在略过的区中不出现较低成本解决方案的行为的知识，略过该搜索区。
如果最小成本仍然是不可接受之高，算法可以重新配置环路，例如添加或修改滤波器的配置、改变位置控制规则的配置以及改变速度控制规则的配置。重复先前的步骤并行可以继续搜索以寻找具有该组合的最小成本。
如果成本高于提前确定的最小成本，则可以宣告调谐无效。这将确保当无法找到可接受的调谐参数集时，如果调谐参数是不稳定的或不适当的，则不会将调谐参数加载到控制器或向用户报告。
可以直接向用户示出频率响应。并且，可以从闭环频率响应计算阶跃响应。这可以通过对频率响应与1/s函数(阶跃函数的频域表示)进行卷积70来完成。这可以在将解决方案部署到系统之前向用户提供系统响应的时域和频域预测这两者。
在用户审查了估计之后，可以在允许将参数集下载到驱动之前咨询75用户。这减少了当为用户显示系统响应的时域或频域预测时能够预测的在机器上存在问题的可能性。
在获得用户许可之后，可以经由到增益控制器140的通信接口120将增益集部署到驱动80。
在此描述的创新的方法和系统为马达控制系统的质量控制提供了许多优势。调谐系统的操作者需要很少的专门控制器调谐培训，并且控制器调谐是完全可再现的(例如，两个不同的操作者能够得到相同的结果)。此外，可以为如共振、摩擦和惯性等的特定机械行为对控制器调谐进行优化。另外的优势包括以下：如果没有定义目标响应，则控制器搜索最高带宽可用的目标响应、控制器更新依赖于关于控制系统获取的综合信息、在过程期间获取的信息提供关于系统的性能限制的洞察力，以及由于频率数据的集中性，用于自动调谐的时间缩短；这还导致仅需要很小量的轴旋转用于自动调谐过程。
本发明的许多特征和优势从详细描述是显而易见的，因此，意图是所附权利要求覆盖本发明的所有这样的特征和优势，其落入本发明的真实精神和范围内。
此外，由于大量修改和变形对本领域技术人员来说是容易想到的，不期望的是，将本发明限制于在此说明和描述的确切构造和操作，因此，可以采取的所有适当修改和等价物旨在落入权利要求的范围内。例如，在上面被描述为由自动调谐控制器提供的许多功能替换地可以合并到由芯片或CPU提供的功能。此外，位置/速度/电流控制器的许多功能也可以合并到带有自动调谐控制器的芯片或CPU。
用于实现本发明的示例性系统包括计算设备或计算设备网络。在基本配置中，计算设备可以包括任何类型的固定计算设备或移动计算设备。计算设备典型地包括至少一个处理单元和系统存储器。取决于计算设备的确切配置和类型，系统存储器可以是易失性的(诸如RAM)、非易失性的(诸如ROM、闪存等)或这两个的某种组合。系统存储器典型地包括操作系统、一个或多个应用，并且可以包括程序数据。计算设备还可以具有另外的特征或功能。例如，计算设备还可以包括另外的数据存储设备(可移动和/或不可移动)，诸如磁盘、光盘或带。计算机存储介质可以包括以任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质，用于存储信息，诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。计算设备还可以具有一个或多个输入设备，诸如键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备等。还可以包括一个或多个输出设备，诸如显示器、扬声器、打印机等。计算设备还包含允许设备诸如通过网络或无线网络与其他计算设备通信的一个或多个通信连接。作为示例而非限制，一个或多个通信连接可以包括：有线介质，诸如有线网络或直接有线连接；以及无线介质，诸如声音、RF、红外线和其他无线介质。
为了开发便利，可以以诸如C或C++的高级编程语言编写用于执行上述本发明的操作的计算机程序代码。另外，还可以以其他编程语言编写用于执行本发明的实施例的操作的计算机程序代码，其他编程语言诸如但不限于解释性语言。可以以汇编语言或甚至微代码编写一些模块或例程以提高性能和/或存储器使用。应当进一步理解的是，还可以使用分离的硬件组件、一个或多个专用集成电路(ASIC)或编程的数字信号处理器或微控制器来实现程序模块中的任何或全部的功能。可以将其中描述了本发明的程序的代码作为固件包括在RAM、ROM和闪存中。另外，可以将代码存储在有形的计算机可读存储介质中，诸如磁带、软盘、硬盘、光盘、光磁盘、数字多用途盘(DVD)。本发明可以被配置成在包括存储器、诸如中央处理单元(CPU)、RAM和ROM以及诸如硬盘的存储介质的计算机或信息处理装置中使用。
用于执行在此主张的功能的“一步步的过程”是特定算法，并且可以在作为普通文体的说明书的文本中和/或在流程图中被示出为数学公式。软件程序的指令创建用于执行该特定算法的专用机器。因此，在其中所公开的结构是被编程来执行算法的计算机或微处理器的本文的任何装置加功能权利要求中，所公开的结构不是通用计算机，而是被编程来执行所公开的算法的专用计算机。
通用计算机或微处理器可以被编程来执行本发明的算法/步骤以创建新机器。一旦通用计算机被编程为根据来自本发明的程序软件的指令执行特定功能，那么通用计算机就变成专用计算机。执行算法/步骤的软件程序的指令通过在设备内创建电路径来在电学上改变通用计算机。这些电路径创建用于执行该特定算法/步骤的专用机器。
除非另外明确说明为从论述显而易见的，否则应当理解的是，遍及描述，利用诸如“处理”或“计算”或“运算”或“确定”或“显示”等术语的论述是指计算机系统或类似电子计算设备的以下动作和过程：操纵被表示为在计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据并将其转变成被类似地表示为在计算机系统存储器或寄存器或其他这样的信息存储、传送或显示设备内的物理量的其他数据。
应当理解的是，在此描述的示例和实施例仅为说明目的，并且根据示例和实施例的各种修改和改变对本领域技术人员来说是有提示的，并且被包括在本申请的精神和范围内。
Claims (25)
1.一种确定用于调谐控制器的调谐参数集的方法，所述控制器在用于具有马达和相关联的负载的设施的控制系统的过程控制环路中使用，所述方法包括：
（a）在增益-相位图上提供涵盖不期望的稳定性裕量的预定义区域；
（b）提供与所述预定义区域相关联的成本函数，其中所述成本函数表示基于关于所述预定义区域的相对位置的稳定性成本；
（c）通过接收所述控制系统响应于应用到所述控制系统的激励测试信号的频率响应数据来获取设施测量，所述激励测试信号包含跨越预定义范围的频率的分量；
（d）关于对多个调谐参数集中的每一个的所述设施测量模拟响应以获取模拟响应数据；
（e）将所述成本函数应用于所述多个调谐参数集中的每一个的所述模拟响应数据来获取所述调谐参数集中的每一个的经计算的成本；
（f）从所述多个调谐参数集中选择期望的调谐参数集，其中所述期望的调谐参数集包括所述多个调谐参数集中所选择的具有期望的经计算的成本的一个；以及
（g）输出所述多个调谐参数集中的所选择的一个以在所述控制系统的所述控制环路中使用。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：基于模拟响应数据与目标响应、干扰响应和传感器噪声响应中的比较中的一个或多个，将用于所述调谐参数集中的每一个的所述模拟响应数据的另外的成本函数与所述经计算的成本相关联。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述目标响应是理想响应，对于所有感兴趣的频率在0dB、0度相位处平坦的闭环波特图。
4.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：将预先确定的权重应用于每一个成本函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述期望的调谐参数集包括所述多个调谐参数集中所选择的具有最小经计算的成本的一个。
6.根据权利要求1所述的方法，其中基于关于所述预定义区域的所述相对位置的所述稳定性成本包括所述模拟响应数据对所述预定义区域的任何渗透的稳定性硬成本。
7.根据权利要求1所述的方法，其中基于关于所述预定义区域的所述相对位置的所述稳定性成本包括稳定性软成本，所述稳定性软成本被定义为所述模拟响应数据对所述预定义区域的渗透深度的函数，以及与其接近的函数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述稳定性软成本被定义为在渗透的最深点处或渗透的加权平均的函数。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定义区域关于相位和增益裕量来定义。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述预定义区域的中心在所述增益-相位图上在0dB增益和-180度相位处，在所述增益-相位图中相位在x轴上以度为单位，并且在增益在所述图的y轴上以dB为单位。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述预定义区域的边界上的四个点在（x，y）坐标上是(增益裕量GM db增益，180度相位)、(-增益裕量GM dB增益，-180度相位)、(0dB增益，-180+相位裕量PM度相位)以及(0dB增益，-180+相位裕量PM度相位)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述预定义区域的所述边界表示连接所述四个点的椭圆。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：将所述区域的边界按比例放大或缩小。
14.根据权利要求1所述的方法，其中通过将低频正弦曲线应用于所述控制系统来确定所述马达和所述相关联的负载的马达加速度常量，对初始调谐参数进行调谐用于以低响应进行稳定的操作，以允许所述控制系统被激励，使得可以采集频率响应数据。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述激励测试信号经由以下的一个或多个来生成：随机噪声生成器，生成随机值的连续流的设备；伪随机二进制生成器，通过生成两个变化持续时间的值来生成丰富信号的设备；正弦扫频生成器，生成连续扫频的正弦曲线的设备；离散正弦波生成器，生成一系列典型地几何增加或减少的正弦曲线的设备；以及线性调频生成器，生成重复系列的快速增加频率的正弦曲线的设备。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述激励测试信号与常规命令信号一起应用。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述激励测试信号应用于测量命令响应或干扰响应。
18.根据权利要求1所述的方法，进一步提供显示器以显示所述控制系统的所述频率响应数据的波特图。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述调谐参数集中的调谐参数包括所述控制器的比例、积分和微分增益的一个或多个。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述调谐参数集中的调谐参数包括滤波器中的一个或多个。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述调谐参数集中的调谐参数包括用于位置控制器的比例控制器以及用于速度的另一个比例、积分控制器的参数。
22.根据权利要求1所述的方法，其中使用快速傅里叶变换（FFT）或离散傅里叶变换（DFT）来获取频率响应数据。
23.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：基于所述多个调谐参数集中的所选择的一个为所述控制系统的电流调谐配置调整所述调谐参数。
24.一种用于控制器的自动调谐系统，所述控制器在用于具有马达和相关联的负载的设施的控制系统的过程控制环路中使用，所述系统包括：
（a）信号生成器，用于向所述控制系统提供跨预定义范围的频率的激励测试信号；
（b）数据记录器，用于接收并记录所述控制系统响应于所述激励测试信号的频率响应数据；
（c）增益控制器，用于调整所述控制器的增益；
（d）与所述信号生成器、所述增益控制器和所述数据记录器对接的计算设备，所述计算设备被编程为：
（i）访问表示在增益-相位图上涵盖不期望的稳定性裕量的预定义区域的数据；
（ii）访问与所述预定义区域相关联的成本函数，其中所述成本函数表示基于关于所述预定义区域的相对位置的稳定性成本；
（iii）通过接收响应于应用所述激励测试信号的频率响应数据，来获取设施测量；
（iv）关于对多个调谐参数集中的每一个的所述设施测量模拟响应以获取模拟响应数据；
（v）将所述成本函数应用于所述多个调谐参数集中的每一个的所述模拟响应数据来获取所述调谐参数集中的每一个的经计算的成本；
（vi）从所述多个调谐参数集中选择期望的调谐参数集，其中所述期望的调谐参数既包括所述多个调谐参数集中所选择的具有期望的经计算的成本的一个；以及
（vii）输出所述多个调谐参数集中的所选择的一个以在所述控制系统的所述控制环路中使用。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述计算设备被进一步编程为指示所述增益控制器基于所述调谐参数集中的所选择的一个为电流调谐配置调整所述调谐参数。
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