CN102768527A - 紧迫控制不稳定性的检测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在向目标施加刺激的系统中检测紧迫控制不稳定性。该系统提供代表系统参数的参数信号，该系统参数表示向目标施加刺激时目标的振荡。该方法包含监控参数信号的被选频带中主音调的最大振幅；以及如果最大振幅持续超过指定时段，则采取行动以避免紧迫控制不稳定性。

Description

紧迫控制不稳定性的检测

技术领域

背景技术

在控制系统中，术语“不稳定性”一般是指存在具有连续增加的振幅的振荡。然而，如本文所用，术语“不稳定性”是指存在系统的至少一个振荡模式的不期望振幅。该不期望振幅可以是间歇的、恒定的或连续增加的。

振荡可能由各种原因导致。振荡可以是共振的结果，其中在闭环或开环系统中在其自然频率下激励该模式。结果是线性不稳定性。

振荡可以是具有负阻尼的自由振动的结果，其中控制器刺激频率是无关的但是提供电能。结果是自激振动。

在向目标施加刺激的控制系统中，振荡可能由非线性特性例如摩擦或反冲导致。结果是极限循环振荡。不同于由线性不稳定性导致的振荡，极限循环振荡是饱和的并且其振幅不增长。围绕是极限循环振荡的控制环的总相位滞后正好是360度并且环路增益是一致的。

由极限循环或其它振荡导致的不稳定性发作是难以在具有单通道的控制系统中探知的。由于难以识别导致初始不稳定性的通道，因此在具有多通道的控制系统中困难甚至更大。此外，一个不稳定通道可导致许多通道变得不稳定。

存在迅速检测和控制极限循环振荡和具有不期望振幅的其它振荡导致的不稳定性的需求。

发明内容

根据本发明的一个方面，在向目标施加刺激的系统中检测紧迫控制不稳定性。该系统提供代表系统参数的参数信号，该系统参数表示向目标施加刺激时目标的振荡。该方法包含监控参数信号的被选频带中主音调的最大振幅；以及如果最大振幅持续超过指定时段，则采取行动以避免紧迫控制不稳定性。

根据本发明的另一方面，一种方法包含使用效应器向目标施加刺激；生成代表参数的信号，该参数表示向目标施加刺激时目标的振荡；监控参数信号的多个不同频带的每个频带中主音调的最大振幅；以及选择性地调整控制参数，否则该控制参数趋向于在特定频率下触发振荡模式。

根据本发明的另一方面，一种系统包含：效应器，其用于向目标施加刺激；传感器，其用于测量表示在向目标施加刺激时目标的振荡的参数；以及控制器，其监控参数信号的被选频带中主音调的最大振幅，并且如果最大振幅持续超过指定时段，则采取行动以避免紧迫控制不稳定性。

根据本发明的另一方面，一种系统包含：效应器，其用于向目标施加刺激；传感器，其用于测量表示在向目标施加刺激时目标的振荡的参数；以及第一控制器，其具有趋向于在特定频率下触发振荡模式的可调整参数。该系统进一步包含第二控制器，其对传感器作出响应，用于确定所测量参数的多个频带的每个频带中主音调的最大振幅；并且自动调整这些参数以便不在特定频率下触发这些振荡模式。

附图说明

图1是向目标施加刺激的系统的示意图。

图2和图3是控制系统中不稳定性的示意图。

图4是在向目标施加刺激的系统中检测紧迫控制不稳定性的方法的示意图。

图5是检测并避免由极限循环振荡导致的控制不稳定性的方法的示意图。

图6是比例积分微分控制的示意图。

图7是模型参考自适应控制的示意图。

图8是铣床的示意图。

图9是飞行器机翼的液力系统的示意图。

图10是检测紧迫控制不稳定性的控制器的硬件实施方式的示意图。

具体实施方式

参考图1，其图示说明系统110，该系统110包括向目标100施加刺激的效应器120。该刺激可以是压力、力、位置、温度、速度或其它，或这些刺激的结合。例如，刺激效应器120可包括至少一个致动器。

传感器130监控表示目标100的振荡行为的反馈或另一参数。传感器130生成参数信号OSC。在一些实施例中，信号OSC可以是闭环系统的反馈。在其它实施例中，信号OSC可代表针对振荡监控的另一参数（例如压力控制系统中的振动，其中压力信号是实际反馈）。

系统110进一步包括用于控制刺激效应器120的控制器140。控制器140可以是开环或闭环的，其生成响应于参数信号OSC控制刺激的控制信号CS。

在系统110的操作期间，也可向目标100施加外部刺激。例如，在目标100上方的气流可能向目标100施加空气动力。这些外部刺激不是由刺激效应器120施加的。

系统110可以是简单的或复杂的。简单系统可包括具有开环控制的单通道。复杂系统例如飞行器机翼致动器系统可具有多通道，该多通道具有闭环控制。

图2和图3是施加到目标100的单个循环的正弦力随时间变化的时域和频域表示。频域表示示出了在2.5Hz下施加的较高振幅分量310。该较高振幅分量310对应于操作条件。

频域表示也示出了在大约80Hz下的较低振幅分量320。箭头330指示分量320在频谱范围上变化（例如±10Hz）。该变化可以是改变参数例如改变系统的共振频率的液压致动器的位置行程的结果。

该较低振幅分量320可以是共振。如果其振幅足够高，则该共振可表示不稳定性的发作。

然而，对于该特别示例，较低振幅分量320代表由极限循环振荡导致的不稳定性。极限循环振荡通常是正弦的。然而，极限循环振荡可以是非正弦的。例如，由静摩擦和库仑摩擦导致的不稳定性产生特性上是用较低频率成形的三角形的极限循环振荡。在低于临界速度移动时，振荡波形将呈锯齿状。反冲非线性可导致稍微类似于方波成形的极限循环振荡。

在一些实例中，极限循环振荡可能具有不稳定的频率成分，并可能表现为具有多谐波的方波。在这些波形中谐波的能量贡献可能大于基波。

现在另外参考图4，其图示说明在控制器/控制装置140中实施的用于检测并避免由极限循环振荡和具有不期望振幅的其它振荡导致的控制不稳定性的方法。在方框410处，生成参数信号OSC。参数信号OSC代表参数，该参数表示向目标100施加刺激时目标100的振荡。

在方框420处，控制器140监控参数信号OSC的被选频带中主音调的最大振幅。如果最大振幅持续（例如超出阈值）超过指定时段，则假定出现紧迫控制不稳定性。

振幅可持续超过频谱范围。因此，谱带而不是特定频率被监控。

在一些实施例中，可通过目标100和系统110的先验知识确定主音调。例如，主音调可以是系统110的驱动频率的倍数。驱动频率可被监控为误差（即命令和反馈之差）的函数。

在其它实施例中，可通过分析参数信号OSC的频域表示来得到主音调。例如，在通过执行FFT分析参数信号OSC时，可以构造出第一列是频率且第二列是对应频率的振幅的矩阵。对于图3的表示，例如如果针对超过10lbs的振幅搜索矩阵，则将在2.5Hz处发现一个振幅（270lbs），并且在80Hz处发现另一振幅（50lbs）。由于系统110在2.5Hz处被驱动，该频率/振幅将被忽略。

在方框430处，如果最大振幅超出阈值超过预定时段，则采取行动以避免紧迫控制不稳定性。行动的示例包括但不限于关闭系统110、提供操作员干涉的警告，以及改变控制器140的增益以避免不稳定性。作为改变增益的示例，驱动频率被监控，并且如果超出误差界限，则降低控制器140的比例增益。这将是有益的，例如在系统110需要在其共振频率处或接近其共振频率被驱动时。

图4的方法提供一种迅速且简单的途径来避免控制不稳定性，例如极限循环振荡。不需要与频谱峰值的相关性。不需要相位信息的分析。忽略了低于特定振幅值的振荡。仅监控最大振幅和对应频率成分以确定控制不稳定性是否紧迫。触发振荡可被检测并且期望的行动在仅一个振荡周期之后被调用。

图4的方法可在边沿等于、小于或大于目标频率的有界频谱区域中检测振荡。该方法也检测有界频谱区域是否缺少振荡。例如，控制器140具有振荡处于有界频谱区域中的默认条件。不期望环境因素或其它因素可能导致该振荡的频率移出有界区域，触发控制器140指定的适当行动。

仅检测主音调适用于是正弦的振荡。然而，本文的方法并不局限于此。本文的方法也可检测具有谐波的振荡信号的不稳定性。通过监控主音调加上该音调的谐波的能量，由非正弦极限循环振荡导致的紧迫控制不稳定性可被检测并避免。在某些系统中，基频的振荡可能是低振幅，但在谐波上可能存在破坏能量。控制器140可评估跨频谱的能量成分。一个示例是导致方波型波形的极限循环振荡，其中贡献是基频的奇次谐波。控制器140可发现跨频谱范围的峰值并识别其为谐波，并且在振幅上求和从而得到总数。

本文的方法不限于极限循环振荡。其也可检测由于共振激励和具有负阻尼的振荡（自激振动）的不稳定性。

本文的方法可应用于缓慢系统例如成批加工和热处理。本文的方法可应用于较快系统例如航海导航，以及更快的系统例如液力和电力与位置致动器。这些较快系统的示例包括工业和医疗机械和机器人、机动车和飞行器实验室测试以及飞行控制。

现在参考图5，其图示说明用于检测并避免由在所测量参数上检测的振荡导致的控制不稳定性的方法的实施例。在方框510处，正在评估的系统向目标施加刺激。可响应于控制信号施加刺激，或者刺激可以是间接能量输入例如铣床上的速度和进料。

在方框520处，执行传感器信号和获取以产生目标的振荡行为的时域数据。数据可用数字或模拟模式获取。该时域数据是周期性更新的。

在方框530处，时域数据被变换成频域表示。可使用以下变换方法例如快速傅里叶变换（FFT）、零交叉/时间间隔/峰到峰最优化Goertzel滤波或频率到电压转换。

如果主音调是先验已知的，则例如Goertzel滤波的方法比FFT更有利。不同于FFT，Goertzel滤波不需要样本大小为二的幂，并可仅搜索感兴趣的频率。

如果主音调不是先验已知的，则时域数据可经FFT转换到频域。在每个单元中的值将是不同频率下的振幅。可以在每次获取数据时执行FFT。主频可随时间变化。此外，取决于独立因素，主频可间歇出现。因为这些原因，在大多数实体系统中，可能在每个后续时域数据集中搜索全部频率。谱带可被良好定义，同时主音调在该频带内变化。

对于一些系统，频域变换可完全跳过。例如，通过确定通带中振荡的AC耦合零交叉及其峰值，可在时域中直接计算振荡。

在方框540处，发现最大振幅和对应频率（即，在最大振幅处的频率）。在方框550处，为界限评估最大振幅和对应频率。

如果最大振幅不超过阈值（方框560），则处理一组新的时域数据（方框520到550）。如果最大振幅超过阈值并且对应频率在谱带内，则为持续性评估数据（方框570）。如果尚未满足持续性标准（方框580），则处理一组新的时域数据（方框520到550）。

如果已满足持续性标准（方框580），则检测到不可接受的振荡事件和/或假设存在紧迫不稳定性。因此，采取行动以降低振荡的振幅。在图5的示例中，控制增益被调整（方框590）。不期望振荡被如此迅速地检测到以至于在必须关闭系统之前具有足够时间来调整增益。

增益调整可以是操作的“一次（one shot）”模式或“可再触发”模式或“连续”模式。如果避免行动包括降低增益，则在一次模式中，增益在不稳定性出现时降低，但不在系统稳定时提高。在可再触发模式中，增益可在系统已实现稳定操作时提高并在不稳定性发作时降低（其意味着滞后（hysteresis））。

在连续模式中，所测量参数的主音调（例如在控制液力时测试样本的振动）被监控，并且增益作为该参数的振幅的函数被调整。增益可具有最大和最小极限。增益可恒定变化，因此维持增益裕度（参见图6）。该连续模式允许系统以最大响应操作，即使系统参数（设施）可能改变。

在此方法的一些实施例中，仅单谱带可在系统操作期间被监控。在其它实施例中，多谱带可被同时监控。频谱的不同部分可被分析从而调整不同的控制参数。具有趋向于在特定频率下触发振荡模式的可调整参数例如增益调整、插入水平、强制因素等的任何控制可受益于选择性频率范围探测。例如，可在比例积分微分（PID）控制或模型参考自适应控制中同时分析多个谱带。

现在参考图6，其图示说明根据本发明的方法调整增益的简化PID控制。尽管过多的比例、积分和微分增益可能在不同系统中具有不同影响，但在该简化控制中，提高积分器增益将导致低频振荡，过多的比例增益将导致相对中频振荡，并且过多的微分增益将激励较高频模式。

在操作期间，在求和结点610中从所测量的参数OSC中减去命令或其它参考信号（CMD），从而产生误差信号（ERR）。在方框620和630中所测量的参数OSC也被转换为频域表示并被分析频率成分和量级。

方框640为调度确定频谱标准。如果频率峰值在微分增益调整的频谱标准内（高频分量），则微分增益被自动调整。可通过选择增益调度641中的速率并将误差信号乘以所选择的速率（方框642）来执行该调整。因此降低参数信号的高频分量的延迟峰值。

如果频率峰值在积分增益调整的频谱标准内（低频分量），则积分增益和百分比贡献被自动调整。可通过从调度644中选择增益项并将累积误差乘以该增益项（方框646）来执行该调整。尽管未示出，但可得益于误差积分函数的总命令信号的百分比也可通过该相同方法调整。因此降低参数信号的低频分量的延迟峰值。

如果频率峰值在比例增益调整的频谱标准内（中间分量），则比例增益被自动调整。例如，对增益的比例调整基于（频谱标准内的）实时反馈信号振荡的绝对值（方框648-649）。

经调整的分量在交叉结点650处求和并在放大器660处放大。放大器660的输出产生被供应到刺激效应器的控制信号（CS）。

比例、积分和微分增益在增益和相位裕度降低到零时经常导致频谱的不同区域的激励。例如，操作频率可以是由于5Hz周围过多积分增益而具有不稳定性的DC到1Hz，而过多比例增益可在12Hz区中导致振荡，并且微分增益可在40Hz区中导致振荡。

现在参考图7，其图示说明在此关于模型参考自适应控制器710的方法（图示了典型的实施方式）。模型参考自适应控制器710的一种实施方式被称为“多输入最小积分控制综合”（MIMICS）。到控制器710的接口包括可设定或可调整的参数。这些参数包括收敛因子720、拐点频率730和增益锁定/调零740。拐点频率730被用于推导出占有设施712的最主要组成的模型711。收敛因子720表示速率，一旦打开自适应块713，则反馈应以该速率实现命令信号。增益控制740开启或关闭。

根据本文的方法操作的控制器750通过控制收敛、拐点频率和增益控制720、730和740与模型参考自适应控制器710接合。如果收敛被设定太高，则将存在振荡。控制器750可检测这些振荡并降低收敛速率。

控制器750也可导致要调整的若干增益K和Ku。这些增益K和Ku可被设为零，从而学习相位在新收敛值处重新开始。在图7的控制器710中，增益K和Ku受自适应块713控制，但可经增益锁定/调零740由控制器750重新调零或锁定。

本文的控制器的一些实施例可使用补偿滤波器在特定频带中调整相移或衰减。在相位裕度较低时（例如反馈相位接近源自命令的-180度）可出现不稳定性。相位调整可以是一次（one-shot）的、可再触发的或连续的。在连续相位调整中，相位可恒定变化，从而维持相位裕度，因此在最大响应下操作，尽管系统参数（设施）可能改变。相反，常规系统静止地设定补偿。

本文的方法可与“继电式”控制器一起使用。如果继电式控制器的滞后太小，则将存在较高频率的恒定过冲和下冲。本文的方法可被用于增大滞后设定值。

本文的方法可应用于简单的单通道系统。一种这样的系统是铣床上的单轴。

参考图8，其图示说明用于机械加工部件805的铣床800。铣床800包括支持部件805的工作台810、电源820、刀具830、刀具马达840和控制刀具830的转速的第一开环控制器850。铣床800进一步包括（经进给马达870）控制工作台810的平移速度以便控制进给部件805到刀具830内的第二开环控制器860。传感器880测量部件805的振荡。传感器880可以是例如在机械加工部件805时测量部件805的振动的加速计。

温度、残留空气、致动器位置等可在液压和气动控制中影响参数。在部件805被机械加工时部件805的尺寸和刀具830的位置可影响机械加工操作的参数。进给和速度可开环运行，并且部件805可在其共振时开始振荡，导致震颤。

铣床800进一步包括控制器890，其在此用于根据本文的方法分析传感器880的输出。控制器890检测紧迫控制不稳定性并采取行动以避免任何不稳定性。例如，控制器890可合适地调整到刀具和进给马达840和870的功率。即使铣床800没有不稳定运转，部件805的振荡也可被用于控制到刀具830和刀具马达840的开环命令。

本文的方法对具有多通道的系统特别有利。一个示例是在实验室测试中控制飞行器的飞行器控制面上的力的系统。

现在参考图9，其图示说明飞行器机翼910的控制面的液力系统900。系统900可用来例如实行飞行器控制力的疲劳测试，该测试基于设计包络模拟操作或最大值。系统900包括多通道，每个通道包括力致动器920和实行本文的方法的控制器（未示出）。在疲劳测试期间，力致动器920向机翼910的一个部件施加负载。例如，三十个独立的力致动器920可同时向机翼910施加力。

在向机翼910施加力时致动器冲程（由箭头930表示）改变。在冲程改变时频率模式改变频谱位置和振幅。由于液力系统900具有有限增益裕度，因此可能一个通道不稳定运转并导致其它通道同样不稳定运转。由此可导致不期望的力振荡。

力传感器950测量在机翼910上来自每个通道的动态力和静态力。机翼910可以被附连到强力背板940或其它结构构件例如飞行器机身上。力致动器920反抗地面参照物或其它反作用联接件。

测试循环频率可以是大约1Hz。在该示例中，液压谐振频率与机翼910的质量和液压流体的稠度相关联。预期在普通液压系统中从10Hz到200Hz发生振荡。扫频或分析可在许多频率下展现振荡的预期模式。这些共振在其趋势中变化到振荡并导致不稳定性。

全部通道同时运作。每个控制器可自动响应并在其它通道被驱动进入振荡之前在不稳定通道上立即降低增益。

力控制系统900可通过避免损坏昂贵的测试仪器来节省费用。可通过提高循环速率来减少测试的成本。在频带内控制增益的能力使得在监控其它模式的振荡时较低测试频率运行成为可能。

现在参考图10。此处的控制器不限于任何特别的实施方式。例如，控制器1010可以基于微处理器。基于微处理器的控制器1010包括处理器1020、存储器1030和储存在存储器1030中的数据1040。在被执行时，数据1040促使处理器1020执行本文的方法。

Claims (11)

1.一种在向目标施加刺激的系统中检测紧迫控制不稳定性的方法，所述系统提供代表参数的信号，所述参数表示向所述目标施加所述刺激时所述目标的振荡，所述方法包含：

监控所述参数信号的被选频带中主音调的最大振幅；以及

如果所述最大振幅持续超过指定时段，则采取行动以避免紧迫控制不稳定性。

2.根据权利要求1所述的方法，其中仅所述最大振幅和对应的频率成分被监控并被用于确定控制不稳定性是否紧迫。

3.根据权利要求1所述的方法，其中对所述主音调的峰值能量和所述主音调的谐波求和，并且将和数与阈值比较以确定控制不稳定性是否紧迫。

4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含同时分析不同谱带，并选择性调整控制参数，否则所述控制参数趋向于在特定频率下触发振荡模式。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述控制是比例积分微分PID控制；并且其中响应于所述控制信号的高频分量的延迟峰值自动调整所述控制的微分增益，响应于所述控制信号的低频分量的延迟峰值自动调整积分增益和百分比贡献，并且响应于中频分量调整比例增益。

6.根据权利要求5所述的方法，其中对所述比例增益的调整基于实时控制信号振荡的绝对值。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述控制是具有包括收敛速率的参数的模型参考自适应控制；并且其中如果检测到所述紧迫不稳定性，则降低所述收敛速率。

8.根据权利要求1所述的方法，其中通过多个力致动器向所述目标的不同区域施加力；其中针对所述不同区域生成参数信号；并且其中通过监控对应参数信号的被选频带中主音调的最大振幅来独立控制每个致动器；以及如果所述最大振幅持续超过指定时段，则采取行动以避免紧迫控制不稳定性。

9.根据权利要求9所述的方法，其中所述目标是具有控制面的飞行器机翼，其中所述力致动器在试验期间向所述机翼施加力，并且其中对出错致动器采取行动包括在其它致动器驱动进入振荡之前降低控制增益。

10.一种系统，其包含：

效应器，其用于向目标施加刺激；

传感器，其用于测量表示在向所述目标施加所述刺激时所述目标的振荡的参数；以及

控制器，其用于监控所述参数信号的被选频带中主音调的最大振幅，并且如果所述最大振幅持续超过指定时段，则采取行动避免紧迫控制不稳定性。

11.一种系统，其包含：

效应器，其用于向目标施加刺激；

传感器，其用于测量表示在向所述目标施加所述刺激时所述目标的振荡的参数；

第一控制器，其具有趋向于在特定频率下触发振荡模式的可调整参数；以及

第二控制器，其对所述传感器作出响应，用于确定所测量参数的多个频带的每个频带中主音调的最大振幅；以及自动调整这些参数以便不在所述特定频率下触发这些振荡模式。

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