CN110383187B - 基于具有滞后的速率限制中继及正弦注入的系统参数识别方法 - Google Patents

Abstract

一种系统参数识别系统使用中继控制与正弦注入的组合来获得受控系统或过程的系统参数的精确估计，同时满足与一些控制应用相关联的速率限制。该系统使用具有滞后的速率限制中继控制来使该系统处于振荡。接着，利用在该中继控制阶段期间所获得的振荡频率、幅度、以及相位信息，该系统将该控制信号从基于中继的控制切换至开路正弦控制。在该正弦控制阶段期间，该设备输出经过在该振荡频率的带通滤波器，以获得干净的正弦信号。接着，获得并使用在该输入与输出信号之间的相位差以及输出/输入幅度比例来计算该系统参数。

Description

基于具有滞后的速率限制中继及正弦注入的系统参数识别 方法

技术领域

本申请通常涉及控制系统，尤其涉及受控系统及过程的系统参数的估计。

背景技术

许多自动化应用采用闭路控制系统来控制机械运动系统或工业过程。运动控制系统通常包括在控制器的指导下操作的一个或更多个马达或其它运动装置，该控制器依据用户定义的控制算法向马达发送位置或速度控制指令。一些运动控制系统以闭路配置操作，由此，控制器指示马达移动至目标位置或转换至目标速度(期望状态)，并接收标示马达的实际状态的反馈信息。控制器监控该反馈信息以确定马达是否已到达目标位置或速度，并调节控制信号以校正实际状态与期望状态之间的误差。

在过程控制应用中也使用类似的控制技术。在过程控制应用的情况下，由控制器生成的控制信号依据控制算法调节一个或更多个过程变量，且该过程变量的测量值被提供给控制器作为反馈数据，以允许控制器相对期望的设置点基于该过程变量的实际值根据需要调节控制信号。

运动控制及过程控制系统的设计者寻求在性能与系统稳定性之间获得最佳平衡。例如，积极调谐的控制器可导致系统以高精度及快速响应时间跟踪期望的位置或设置点，但在存在系统噪声及不确定性的情况下可能变得不稳定。或者，更保守地调谐控制器会提升系统稳定性，但会牺牲到性能表现。理想地，应当选择控制器增益系数，以最优化性能与系统稳定性之间的此平衡。为控制器选择合适的增益系数的过程被称为调谐。

调谐控制器的增益系数决定控制器的带宽，它是受控系统对控制信号的变化的响应性的度量。受控系统对来自控制器的信号的响应在某种程度上是控制器的带宽及受控系统的物理特性(例如，惯性、阻尼、摩擦、耦合刚度、相位滞后等)的函数。一般来说，较高的控制器带宽会导致对控制信号的较快输出响应，较好的干扰抑制，以及较小的跟踪误差。不过，设置太高的带宽可使系统对噪声更敏感并降低闭路鲁棒性(robustness)(系统在合理的系统不确定性及干扰范围内保持稳定的能力)，从而导致系统不稳定，尤其是在存在内在不确定的马达-负载动力学的情况下。例如，对于轻阻尼运动系统，过高的控制器带宽可能过度激励系统，从而导致不希望的振荡，而这在控制器试图稳定所导致的振荡时可能引起控制器饱和。通过降低控制器带宽可使系统更稳定，但以性能为代价。至少出于这些原因，必须仔细选择给定运动控制系统的调谐参数，以获得鲁棒性能及鲁棒(robust)稳定性。

除了在获得最佳控制器调谐方面的这些困难以外，一些机械系统或过程经设计以在控制器发出控制命令与相应的系统响应之间具有相当大的延迟-被称为死区时间。具有高死区时间或相位滞后的系统常常响应干扰或设置点变化而经历不希望的振荡，从而导致性能下降并使此类系统的调谐变得更加困难。

发明内容

本申请的一个或更多个实施例涉及用于精确估计具有死区时间及对控制信号具有速率限制的受控系统或过程的系统参数的系统及方法。依据一个或更多个实施例，将基于中继的控制与开路正弦注入控制两者都应用于该受控系统或过程。尤其，使用具有滞后的速率限制的基于中继的控制来使系统振荡。速率限制该基于中继的控制的输出确保满足该控制应用的速率限制。当该系统处于振荡时，控制从基于中继的控制切换至开路正弦信号注入控制，其中，该正弦控制信号经配置以具有与该基于中继的控制输出的相位基本对齐的相位。由该正弦控制信号导致的该设备输出信号经带通滤波以获得较干净的信号，并基于该控制信号与该滤波输出信号之间的相位差以及该输出与控制信号之间的幅度比例导出该系统参数。此技术可产生精确的系统参数估计，而无需导出将临界增益与信号幅度关联的复杂描述函数。

附图说明

图1是闭路控制架构的简化图。

图2是示例的基于中继的系统参数识别系统的方块图。

图3是说明没有任何滞后的开关中继控制的设备输入与输出之间的关系的一对图形。

图4是说明具有滞后的开关中继控制的设备输入与输出之间的关系的一对图形。

图5是能够生成受控机械系统或工业过程的估计系统参数值的示例参数识别系统的方块图。

图6是说明具有滞后及0.1的速率限制的开关中继控制的设备输入与输出之间的示例关系的一对图形。

图7是说明具有滞后及0.5的速率限制的开关中继控制的设备输入与输出之间的示例关系的一对图形。

图8是说明具有滞后及1的速率限制的开关中继控制的设备输入与输出之间的示例关系的一对图形。

图9是说明系统参数识别过程的中继控制参数确定阶段的方块图。

图10是说明中继参数确定组件的示例输入及输出的方块图。

图11是代表使用基于中继的控制及开路正弦信号注入控制的系统参数识别过程的方块图。

图12是说明系统参数识别过程的基于中继的控制阶段的方块图。

图13是说明中继控制及测量组件的示例输入及输出的方块图。

图14是说明系统参数识别过程的正弦信号注入阶段的方块图。

图15是针对示例控制情形绘制随时间变化的控制信号u(t)及输出信号y(t)的图形。

图16是说明正弦控制及测量组件的输入及输出的方块图。

图17是说明系统参数确定组件的示例输入及输出的方块图。

图18是说明基于通过参数识别系统所获得的系统参数生成调谐参数的方块图。

图19A是用于确定受控机械系统或工业过程的系统参数的示例方法的流程图的第一部分。

图19B是用于确定受控机械系统或工业过程的系统参数的示例方法的流程图的第二部分。

图19C是用于确定受控机械系统或工业过程的系统参数的示例方法的流程图的第三部分。

图19D是用于确定受控机械系统或工业过程的系统参数的示例方法的流程图的第四部分。

图20是代表用于实施本文中所述的一个或更多个实施例的示例网络或分布式计算环境的方块图。

图21是代表用于实施本文中所述的一个或更多个实施例的示例计算系统或操作环境的方块图。

具体实施方式

现在参照附图说明各种实施例，所述附图中，类似的附图标记用以表示附图中类似的元件。在下面的说明中，出于解释目的，阐述许多具体细节来提供有关本申请的充分理解。不过，应当很清楚，可在不具有这些具体细节的情况下，或者用其它方法、组件、材料等实施此类实施例。在其它情况下，以方块图形式显示结构及装置，以促进说明一个或更多个实施例。

本文中所述的系统及方法涉及用于确定包括死区时间的受控系统的系统参数的技术。表征机械系统或工业过程的系统参数-例如系统增益、时间常数，以及死区时间-的精确估计可简化控制系统调谐过程，并辅助设计者选择合适的调谐参数，从而产生精确的鲁棒控制。在一个或更多个实施例中，参数识别系统使用具有滞后的速率限制中继控制，以使系统振荡，并因该中继控制而获得振荡频率。接着，该系统通过使用所获得的中继振荡频率将致动信号从中继信号变为开路正弦控制信号，以确保该正弦信号的相位与该中继控制信号的相位基本对齐。该受控系统的输出经带通滤波以产生干净的正弦信号。获得并使用由该正弦控制信号产生的该控制信号(输入)与受控变量(输出)之间的相位差以及输出/输入幅度比例来确定该受控机械系统或过程的系统参数(例如，增益、时间常数，以及死区时间)。

此参数估计技术也适用于对致动(控制)信号具有速率限制的控制系统。该正弦信号的最大变化速率发生于零交叉点，且该速率为正弦频率。为确保在参数识别过程期间，控制系统的致动器信号的速率限制保持满足，可配置正弦信号幅度，以满足致动器的速率限制。

图1为闭路控制架构的简化图。控制器102经编程以控制设备104，该设备可为机械系统(例如，驱动机械负载的马达)或工业工程，其中，依据控制算法通过控制器102调节一个或更多个过程参数。在示例机械应用中，设备104可包括马达驱动的工业自动化应用或工业工具，包括但不限于机械加工或材料处理机器人、输送机、工具机、机动手工工具等。设备104还可包括电动车辆设计的马达驱动牵引及/或推进系统，包括但不限于电动或混合电动汽车、自行车、叉车(forklift)或其它工业车辆、踏板车、轨道车辆例如火车，或其它此类车辆。设备104还可为一系列风扇及/或泵，它们是HVAC((heating,ventilating,and airconditioning)供暖、通风，以及空调)系统的部分，其中，马达及/或泵的速度由控制器102控制。设备104还可为马达驱动的家用或工业器具。例如，控制器102可用以控制驱动家用或工业洗衣机的滚筒的马达，控制离心机的旋转，或者控制其它此类器具的运动。这些示例控制系统并非意图为详尽无遗；相反，设备104可基本上包括任意类型的机械运动系统或工业过程。

控制器102与设备104构成示例闭路控制系统的主要组件。在示例机械应用中，设备104可代表单轴或多轴机器人或定位系统的马达驱动轴。在此类应用中，控制器102发送控制信号(或致动信号)108，指示马达以期望的速度将机械负载移动至期望的位置。控制信号108可被直接提供给马达，或者提供给控制输送给马达的功率(因此控制马达的速度及方向)的马达驱动器(未显示)。反馈信号110标示马达的当前状态(例如，位置、速度等)以及/或者基本上实时的机械负载。在伺服驱动系统中，反馈信号110可例如由跟踪马达的绝对或相对位置的编码器或解析器(未显示)生成。在不具有速度传感器的无传感器系统中，该反馈信号可由速度/位置估计器提供。在此例中，设备104的受控输出112(反馈信号110测量该受控输出)代表负载的位置(在速度控制应用中，受控输出112将为速度)。在移动操作期间，该控制器监控反馈信号110，以确保负载精确到达目标位置。控制器102将反馈信号110所标示的负载的实际位置与目标位置比较，并根据需要调节控制信号108，以减少或消除实际位置与目标位置之间的误差。

在另一个示例应用中，设备104可代表由马达驱动的旋转负载(例如，泵、洗衣机、离心机等)，其中，控制器102控制该负载的旋转速度。在此例中，控制器102(通过控制信号108)向该马达提供指令，以从第一速度转换为第二速度，并基于反馈信号110对控制信号108作必要的调节(在此例中，设备104的受控输出112为速度)。

应当了解，本申请的系统参数识别技术不限于用于上述示例类型控制系统，而是适用于基本上任意类型的运动控制或工业过程应用。

若表征设备104的系统参数(也就是，设备模型的传递函数的参数)是已知的，则选择用以获得鲁棒稳定性及性能的控制器102的合适调谐参数可被简化。不过，估计具有死区时间(在控制器所发出的控制信号与输出变量响应之间的滞后或延迟)的系统的参数可能具有挑战性。在一些情况下，可应用噪声注入及快速傅立叶变换(FFT)处理方法来获得系统的波特图(Bode plot)，并接着应用曲线拟合来获得设备的传递函数的参数。不过，实施此方法所需的算法造成高的计算负担，使所述算法在马达驱动器或控制器中的部署不切实际。而且，一些控制应用经设计而对控制(致动器)信号108具有速率限制，从而对控制信号108的变化速率设置限制。对于此类应用，噪声信号无法被传递至系统中，因为噪声的频率可能超过该速率限制控制信号所能支持的水平。

正弦信号扫描是可用以识别系统参数的另一种方法。不过，当被应用于具有死区时间的系统时，此方法存在困难。例如，由于与该死区时间相关联的延迟会导致控制信号与设备的输出(例如，受控过程变量、机械系统的速度或位置等)之间的相移，因此，若该延迟大于正弦周期，则所测量的相位可反映由该延迟产生的相位翻转，从而产生错误的延迟估计。

基于中继的识别是识别受控系统的临界频率及临界增益的一种方法。此方法由

和

提出，以改进Ziegler-Nichols频率调谐方法。图2是示例的基于中继的系统参数识别系统的方块图。为了避免在Ziegler-Nichols频率调谐方法中比例增益的不稳定手动调节，在单位反馈回路中插入中继202(例如，基于提供给中继202的输入信号产生阶梯状开-关输出的计算组件)，从而系统会在临界频率附近振荡。在测试序列期间，中继202替代控制系统的标准控制块，以使设备的控制信号u(t)仅由中继202控制。在此例中，在参数识别序列期间，控制系统生成参考信号r(t)，该参考信号可为阶梯测试信号。中继202的输入为参考信号r(t)与设备输出y(t)(其中，设备输出y(t)为受控系统变量的值)之间的误差e(t)。

图3是说明没有任何滞后的开关中继控制的设备输入u(t)与输出y(t)之间的关系的一对图形302及304。图形302绘制中继输出(控制信号u(t))作为中继输入(误差e(t))的函数。在没有任何滞后的情况下，该中继输出在误差e(t)为正时开启，并在误差e(t)为负时关闭(在此例中，对该中继输出的限制被设置为0.5)。图形304绘制所得控制信号u(t)(虚线)以及设备输出y(t)(实线)。

为容许噪声，在中继202中可包括滞后。图4是说明具有滞后的开关中继控制的设备输入u(t)与设备输出y(t)之间的关系的一对图形402及404。如图形402中所示，在滞带被设为0.2的情况下，中继输出u(t)于误差e(t)超过0.2时开启，并于误差e(t)降至低于-0.2时关闭。图形 404中绘制所得的控制信号u(t)以及设备输出y(t)。

基于图形404中所示的设备输入及输出数据，可得到所测量的比例(也就是，系统输出y(t)的峰值与中继输出信号u(t)的幅值的比例)与在临界频率的临界增益之间的关系。此方法可确定在奈奎斯特图上的临界点的频率及近似增益，且从此临界增益及频率可导出给定设备模型的系统参数。

不过，在一些情况下，利用此方法所获得的识别后的临界增益值可能大大偏离实际增益值。这部分是由于实际反馈信号y(t)常常远离假定的正弦信号(参见例如图形304及404中的y(t)的图)。对于死区时间远大于系统时间常数的系统，所导出的参数可能更进一步偏离实际参数。

为解决这些及其它问题，本文中所述的一个或更多个实施例提供系统参数识别系统及方法，其使用中继控制与正弦注入控制的组合来导出系统参数。本文中所述的技术可精确识别具有已知设备模型的系统的系统参数，并可克服与对控制信号具有速率限制的应用的参数识别相关联的困难。

在一个或更多个实施例中，该参数识别系统使用具有滞后的速率限制中继控制，以使系统振荡。接着，利用在该中继控制阶段期间所获得的振荡频率、幅度，以及相位信息，该系统将该控制信号从中继控制切换至开路正弦控制。在该正弦控制阶段期间，该设备输出经过在该振荡频率的带通滤波器，以抑制噪声并获得较平滑的正弦信号。接着，获得并使用该输入与输出之间的相位差以及输出/输入幅度比例来计算系统参数。

正弦信号的最大变化速率发生于零交叉点，且该速率为正弦频率。因此，该正弦信号幅度可经配置以满足被测量系统的控制信号速率限制。

图5是能够生成受控机械系统或工业过程的估计系统参数值的示例参数识别系统502的方块图。参数识别系统502可包括控制信号生成器504、输出监控组件506、中继参数确定组件508、中继控制及测量组件510、正弦控制及测量组件512、系统参数确定组件514、接口组件516、一个或更多个处理器518，以及存储器520。在各种实施例中，控制信号生成器504、输出监控组件506、中继参数确定组件508、中继控制及测量组件510、正弦控制及测量组件512、系统参数确定组件514、接口组件516、一个或更多个处理器518，以及存储器520的其中一个或更多个可彼此电性及/或通信耦接，以执行参数识别系统502的功能的其中一个或更多个。在一些实施例中，组件504、506、508、510、512、514，以及516可包括储存于存储器520上并由一个或更多个处理器518执行的软件指令。参数识别系统502还可与图5中未显示的其它硬件及/或软件组件互动。例如，一个或更多个处理器518可与一个或更多个外部用户接口装置例如键盘、鼠标、显示监控器、触摸屏，或其它此类接口装置互动。

控制信号生成器504可经配置以依据所定义的测试例程生成并输出控制信号(例如，模拟电压信号如0-10VDC信号、模拟电流信号如4-20mA信号、数字信号、软件指令，或任意其它合适类型的控制信号)。输出监控组件506可经配置以自受控系统接收并测量反馈数据，其代表响应该控制信号的被控参数的输出值(例如，运动系统的速度或位置、工业过程的过程变量等)。

中继参数确定组件508可经配置以指示控制信号生成器504依据中继配置确定序列控制该控制信号，并确定系统参数识别序列的基于中继的控制阶段的一个或更多个中继配置参数。中继控制及测量组件510可经配置以执行该系统参数识别序列的该基于中继的控制阶段(例如，通过指示控制信号生成器504依据速率限制的基于中继的控制来控制该控制信号)，并基于在该基于中继的控制阶段期间所收集的数据来确定振荡频率及正弦信号幅度。

正弦控制及测量组件512可经配置以执行该系统参数识别序列的正弦信号注入阶段(例如，通过指示控制信号生成器504将该控制信号设置为正弦信号)，并基于在该正弦信号注入阶段期间所收集的数据确定相位差及幅度比例。系统参数确定组件514可经配置以基于该基于中继的控制及正弦信号注入阶段的结果确定该受控系统(设备)的一个或更多个系统参数。例如，系统参数确定组件514可基于在该基于中继的控制及正弦信号注入阶段期间所获得的振荡频率及幅度比例信息确定增益、一个或更多个时间常数(取决于该设备模型)，以及该系统的死区时间。

接口组件516可经配置以接收用户输入并以任意合适的格式向用户提供输出(例如，视频、音频、触觉等)。用户输入可为例如在执行该系统参数识别序列时由参数识别系统503使用的用户定义参数(例如，设备模型的识别、噪声容许参数、速率限制定义等)。由接口组件516提供的输出可包括但不限于所获得的系统参数的值、随时间变化的该控制信号及/或该受控系统或过程变量的图形，或其它此类输出。

如上所述，本文中所述的系统及方法的实施例使用具有滞后的速率限制中继，以在将该控制输出切换至正弦注入信号之前激发该受控系统振荡，从而精确测量在该系统的输入与输出之间的幅度比例以及相位滞后。接着，基于该幅度比例及相位滞后可得到系统参数。图6-8显示针对不同的速率限制，在基于中继的控制期间的系统输入与输出之间的示例关系。图6是说明具有滞后及0.1的速率限制的开关中继控制的设备输入(控制信号u(t))与设备输出(y(t))之间的示例关系的一对图形602及604。图7是说明具有滞后及0.5的速率限制的开关中继控制的设备输入与输出之间的示例关系的一对图形702及704。图8 是说明具有滞后及1的速率限制的开关中继控制的设备输入与输出之间的示例关系的一对图形802及804。如这些示例图形所示，依据该控制信号带、该控制信号速率限制以及该滞带(其使系统能够容许噪声)的值，所测量的系统响应-因此相应的描述函数-是高度可变的。由于此可变性，仅使用基于中继的识别序列可能难以导出将具有噪声考量的速率限制系统的临界增益与信号幅度关联的精确描述函数。

为克服此问题，本申请的实施例将速率限制的中继控制与开路正弦注入组合，以获得系统参数的精确值，而无需导出描述函数。具有滞后的速率限制的中继控制可顾及受控系统(设备)的速率限制，且将此中继识别与正弦注入组合可产生精确的参数识别结果。

现在利用示例的一阶加死区时间(first-order-plus-dead-time；FOPDT)设备来说明该系统识别系统及方法。不过，应当了解，本文中所述的参数识别系统不限于用于此类设备，而是适用于符合其它类型设备模型的基本上任意的机械系统或过程。

此例的示例设备模型可由下面的传递函数表示：

其中，k为该系统的增益，T₁为该系统的时间常数，且D为该系统的死区时间。

本文中所述的参数识别序列包括三个常规阶段。第一阶段确定将要在基于中继的控制阶段期间使用的中继控制参数。图9是说明该中继控制参数确定阶段的方块图。在此例中，受控系统902被描述为运动系统，其包括驱动机械负载908的马达904。对于此类系统，受控系统输出可为机械负载908的速度或位置。该运动系统可包括例如定位轴、机器的旋转组件、输送系统，或其它此类马达驱动负载。不过，此类系统仅意图为示例，且本文中所述的参数识别系统不限于用于此类系统。受控系统902还可为工业过程，其中，通过控制系统调节过程变量(例如，温度、流量、压力等)。

该中继控制参数确定阶段的目的是获得合适的中继控制参数910，以在该参数识别序列的下一阶段将基于中继的控制应用于受控系统902。这些参数可包括参考信号值以及可容纳受控系统902的噪声的该基于中继的控制的滞带。

作为该中继控制参数确定阶段中的第一步，在中继参数确定组件508的指示下，控制信号生成器504向受控系统902输出恒定的控制命令u(t)，并逐渐增加此控制信号，直至系统输出(受控系统变量或过程参数的值)达到所定义的低值。在当前的例子中，所定义的低值是处于稳态的系统输出的额定值的20％(或约20％)。不过，在一些实施例中，所定义的低值可为该额定值的另一个百分比。可使用传感器906或估计器测量系统输出y(t)(例如，马达904的速度，机械负载908的位置，在工业过程的情况下受控过程变量的值等)并生成相应的反馈信号y(t)作为参数识别系统502的反馈。输出监控组件506测量该反馈信号y(t)、低通滤波该反馈信号以减少噪声，并将该低通滤波后的反馈数据y_LPF(t)提供给中继参数确定组件508。

在一些实施例中，通过接口组件516可向参数识别系统502手动提供系统902的额定输出，以用于比较目的。或者，在一些实施例中，通过应用于系统902的自动识别过程可获得该额定输出。当中继参数确定组件508确定该反馈信号y(t)的值已达到系统902的额定输出的20％或约20％(或另一个定义低输出值)时，指示控制信号生成器504将控制信号u(t)保持在其当前值。接着，中继参数确定组件508分别将控制信号u(t)与滤波输出(反馈)信号y_LPF(t)的当前值记录为U_L及Y_L。这些值分别被视为该控制信号与该输出信号的低值(也就是，对应于该额定输出的20％的该控制及输出信号的值)。

此外，当控制信号u(t)被保持于恒定值时，在所定义的时间段期间，滤波输出信号y_LPF(t)与其稳态值的最大偏差被记录为N_L。例如，一旦获得在该额定输出的20％的稳态，中继参数确定组件508即可启动定时器，该定时器定义滤波输出信号y_LPF(t)将持续被监控的时段。在此时段期间，在控制信号u(t)保持恒定时，中继参数确定组件508将监控y_LPF(t)的值。在此时段结束时，中继参数确定组件508将识别滤波输出信号y_LPF(t)的标称(nominal)稳态值(例如，基于在此时段期间该输出信号的平均值，或者通过另一种技术)，并将在该时段期间输出信号y_LPF(t)与此标称稳态值的最大偏差记录为N_L。此值标示在额定输出的20％的系统902的噪声。

一旦获得U_L、Y_L及N_L的值，中继参数确定组件508即逐渐增加控制信号u(t)，直至滤波系统输出y_LPF(t)达到所定义的高输出。在此例中，所定义的高输出为处于稳态的该额定值的80％或约80％。不过，其它定义高输出值也在一个或更多个实施例的范围内。确定滤波系统输出y_LPF(t)已达到所定义的高输出值同样基于系统输出y_LPF(t)与用户通过接口组件516所提供的或通过自动识别过程以另外方式获得的额定输出的比较。在确定系统输出y(t)已达到额定输出的80％或约80％以后，中继参数确定组件508将控制信号u(t)与滤波系统输出y_LPF(t)的值分别记录为U_H及Y_H。此外，在所定义的时段期间(例如，用以确定在额定输出的20％的最大偏差的相同时段)，输出信号y_LPF(t)与该标称稳态值的最大偏差被记录为N_H，其代表在额定输出的80％的该系统的稳态噪声。

通过这些所获得的值，中继参数确定组件508确定基于中继的控制的合适配置。尤其，基于中继的控制的参考信号R被设置为在高低系统输出Y_H与Y_L中间的值，如下式给出

该基于中继的控制的上下限分别被设置为N_H与N_L。

该基于中继的控制的滞带被设置为

ε＝nmax(N_H，N_L) (3)

其中，n为容差倍数，以确保滞带容许噪声影响(例如，n＝3)。一般来说，中继控制的滞带ε是基于在额定输出的20％的噪声N_L或在额定输出的80％的噪声N_H的其中较大者，额外容差由倍数n表示。在一些实施例中，用户可通过接口组件516调节容差倍数n。

该控制信号的平均值由下式给出

图10是说明依照上述操作，中继参数确定组件508的示例输入及输出的方块图。在该中继控制参数确定阶段期间，当执行上述中继参数确定操作时，中继参数确定组件508获得代表随时间变化的控制信号u(t)(自控制信号生成器504)及滤波反馈(输出)信号y_LPF(t)(自输出监控组件506)的值的数据。基于这些值，中继参数确定组件508依据上式(2)生成将要在该基于中继的控制阶段使用的参考信号R的值。中继参数确定组件508还依据上式(3)生成该基于中继的控制的合适滞带ε。在一些实施例中，用以确定该合适滞带ε的倍数n可作为用户提供参数由用户提供。或者，倍数n可为可能满足噪声容许要求的定义默认值。

中继参数确定组件508还生成一组增益参数1002，包括该控制信号及该输出信号的高低值(U_H、U_L、Y_H及Y_L)。如下所述，这些值可用以确定该系统的增益k。

在获得该中继控制参数以后，该系统参数识别序列可进至基于中继的控制阶段，接着进至正弦信号注入阶段(分别为该参数识别序列的第二及第三阶段)。图11是代表该系统参数识别过程的方块图。在该基于中继的控制阶段期间，被发送给设备(受控系统)902的输出信号u(t)是基于滞后中继方块1102的输出(通过中继控制及测量组件510结合控制信号生成器504实施)，该滞后中继方块依据在该中继控制参数确定阶段期间所获得的滞带ε配置。滞后中继方块1102的输入为误差信号e(t)，代表参考信号R(也在该中继控制参数确定阶段期间获得)与滤波设备输出信号y_LPF(t)(其中，通过输出监控组件506实施的低通滤波器方块1114对所测量的输出信号y(t)滤波，以减少噪声，从而产生滤波输出信号y_LPF(t))之间的差别。饱和/速率限制方块1104(其可通过控制信号生成器504实施)向滞后中继方块1102的输出施加速率限制，以实施该控制应用的控制信号速率限制。

延迟方块1106(也通过控制信号生成器504实施)可用以向控制信号u(t)添加人工死区时间D_i，其中，i为整数，代表该基于中继的控制及正弦信号注入阶段的执行计数。如下面更详细所述，若多次执行该基于中继的控制及正弦信号注入阶段(为确保该系统参数的精度，或为收集足够的数据点，以识别更高阶系统参数)，可随每次执行改变人工添加的死区时间量D_i。

如下面更详细所述，参数识别系统502首先应用此基于中继的控制，以振荡受控系统(设备)902。接着，参数识别系统502将控制信号u(t)从滞后中继方块1102的输出切换至正弦信号1112(此切换由图11 的开关1110表示)，其中，该正弦信号配置有合适的相位、频率，以及幅度，以继续由该基于中继的控制所启动的振荡，同时满足该速率限制及饱和。该正弦信号配置有与该中继控制输出的相位基本匹配的相位，以继续通过该基于中继的控制所启动的振荡。该正弦信号的幅度经设置以确保该控制信号的速率不超过该控制应用的速率限制。此技术产生精确的系统参数，而无需获得将临界增益与信号频率关联的描述函数，该描述函数常常可能是复杂且难以推导的。

现在说明该基于中继的控制阶段。图12是说明该基于中继的控制阶段的方块图。在此阶段期间，中继控制及测量组件510指示控制信号生成器504依据基于中继的控制生成控制信号u(t)，以振荡受控系统902。受控系统902一旦振荡，中继控制及测量组件510即确定将被用以生成该后续正弦信号注入阶段的正弦注入信号的合适正弦注入信号参数1202。这些正弦注入信号参数1202可包括该正弦信号的幅度及频率。

依据该控制应用，该基于中继的控制及正弦信号注入阶段可运行多次。对于该基于中继的控制阶段的第一次执行，延迟方块1106不向控制信号u(t)添加人工死区时间(死区时间D₁被设置为零)。

通过使用在该中继控制参数确定阶段期间所获得的中继参考信号R及滞带ε(以及人工添加死区时间D_i，针对该基于中继的控制阶段的初始执行为零)，控制信号生成器504生成中继输出信号u(t)，以激发受控系统902，使系统902振荡。输出信号u(t)符合速率限制中继输出，其中，该中继输入为参考信号R(由式(2)给出)与通过输出监控组件506所测量的反馈信号y(t)的滤波信号y_LPF(t)之间的误差信号e(t)，以及其中，该中继的滞带是由式(3)给出的值ε。由于通过控制信号生成器504所施加的速率限制，该频率将小于没有速率限制的频率。不过，该频率不需要接近奈奎斯特图的负实轴，因为该参数将在该后续正弦信号注入阶段中确定。

在受控系统902的振荡期间，中继控制及测量组件510可执行频率确定算法，以确定滤波输出信号y_LPF(t)的振荡频率，以Ω₁表示。中继控制及测量组件510还可依据下式确定将被用于该正弦信号的幅度A₁

其中，ρ为控制信号速率限制。依据式(5)，幅度A₁被设置为在U_L与U_H之间的范围的一半(分别对应于该受控系统的额定输出的20％及80％的恒定控制信号值)或速率限制除以所测量的振荡频率的其中较小者。以此方式设置幅度A₁确保该正弦信号的斜率不会超过速率限制ρ，其可为被控制的特定系统或过程的约束。在一些实施例中，该控制信号速率限制ρ可通过接口组件516作为用户定义参数输入，其中，该速率限制经选择以适合该控制应用的需要。或者，在一些实施例中，合适的速率限制ρ可通过自动识别过程确定。

图13是说明依照上述操作的中继控制及测量组件510的示例输入及输出的方块图。在该基于中继的控制阶段期间，通过使用在该中继控制参数确定阶段期间所确定的参考信号值R及滞带ε(以及任意的人工添加死区时间D_i，针对该基于中继的控制阶段的首次执行为零)，当控制信号u(t)被控制为具有滞后的速率限制中继输出时，中继控制及测量组件510获得代表随时间变化的控制信号u(t)(自控制信号生成器504)及滤波系统输出信号y_LPF(t)(自输出监控组件506)的值的数据。中继控制及测量组件510还分别接收在该中继控制参数确定阶段期间所记录的该控制信号的高低值U_H及U_L。基于这些值，中继控制及测量组件510基于在该基于中继的控制期间所测量的该滤波输出信号y_LPF(t)的振荡频率生成该振荡频率Ω₁的值。中继控制及测量组件510还依据上式(5)确定将要在该正弦信号注入阶段期间使用的幅度A₁的值。在一些实施例中，用以限制幅度A₁的控制信号速率限制ρ可作为用户提供参数由用户提供。或者，通过使用施加于受控系统902的自动识别过程可确定合适的速率限制ρ。

在该基于中继的控制阶段获得振荡频率Ω₁及幅度A₁的值以后，参数识别系统502切换至开路正弦信号注入控制(该参数识别序列的第三阶段)。返回图11的功能方块图，此转换由开关1110表示，从滞后中继方块1102的输出转换至正弦信号1112。在此开路阶段期间，自受控系统(设备)902所测量的输出信号y(t)经过带通滤波器1108(其可例如通过输出监控组件506实施)，以移除偏移及噪声，从而产生在该振荡频率的平滑正弦输出信号y_BPF(t)。如下所述，接着基于此滤波输出信号y_BPF(t)可导出相位差及幅度比例。

图14是说明该正弦信号注入阶段的方块图。在该基于中继的控制阶段结束时，受控系统902仍处于振荡。通过注入具有在该基于中继的控制阶段期间所获得的振荡频率Ω₁及幅度A₁的正弦信号(且其相位与该中继控制信号的相位基本对齐)，当控制从基于中继的控制转换至正弦控制时，该系统振荡将继续。通过控制信号生成器504所注入的该正弦信号可由下式给出

u(t)＝A₁sin(ηΩ₁t)+U (6)

其中，η为频率倍数，用以相对该基于中继的控制振荡频率Ω₁增加频率，以在接近零相位差的情况下增加输出信号y(t)与输入(控制)信号u(t)之间的相位差(例如，η＝2)。在一些实施例中，频率倍数η可为定义默认值，其通过参数识别系统502自动施加。或者，在一些实施例中，频率倍数η可通过接口组件516由用户输入或修改。以在该中继控制参数阶段期间所获得的该控制信号的平均值U(基于式(4))偏移该正弦注入信号。

图15是针对示例控制情形绘制随时间变化的控制信号u(t)(虚线)以及输出信号y(t)(实线)的图形。垂直虚线1502代表在该基于中继的控制阶段与该正弦信号注入阶段之间的转换时间。如此图形所示，利用在该基于中继的控制阶段期间所获得的振荡频率Ω₁及幅度A₁控制该正弦控制信号u(t)(例如，基于式(6))使在该正弦信号注入控制阶段期间的该控制及输出信号的相位与该基于中继的控制阶段期间的相应相位基本对齐。以此方式，在该正弦信号注入阶段期间继续在该基于中继的控制阶段期间所建立的振荡。

返回图14，系统输出信号y(t)通过输出监控组件506被带通滤波，以移除偏移及噪声，从而获得在该振荡频率的平滑正弦信号y_BPF(t)。基于正弦控制信号u(t)与滤波正弦信号y_BPF(t)的比较，正弦控制及测量组件512计算相位及幅度数据1402，该数据随后将被用以确定受控系统902的系统参数。

在稳态时，正弦控制及测量组件512测量控制信号u(t)与滤波正弦信号y_BPF(t)之间的相位差，由Θ₁表示。正弦控制及测量组件512还确定控制信号u(t)与滤波正弦信号y_BPF(t)的幅度之间的比例，由Φ₁表示。

图16是说明依照上述操作的正弦控制及测量组件512的输入及输出的方块图。在此正弦信号注入阶段期间，控制信号u(t)为符合式(6)(或其合理的变化)的正弦信号。来自受控系统902的所得输出信号y(t)由参数识别系统502接收并经过带通滤波器，以获得滤波信号y_BPF(t)。该正弦控制及测量组件512接收代表控制信号u(t)及相应滤波信号y_BPF(t)的数据，并基于所接收的数据的分析确定这些信号之间的相位差Θ₁及幅度比例Φ₁。可使用任意合适的计算技术来测量相位差Θ₁及幅度比例Φ₁。

对于具有复杂设备模型的设备，可重复该中继控制参数阶段、基于中继的控制阶段，以及正弦信号注入阶段两次或更多次，针对该三个阶段的每次执行使用不同的人工死区时间值D_i(其中，i为整数，代表该阶段的第i次执行)。在一些情形中，也可能希望执行该三个阶段多次，以通过获得多组数据来最大限度地降低计算错误。对于当前的FOPDT例子，假定该三个阶段仅执行一次，并使用因该单次执行而获得的数据集来识别受控系统902的参数。

图17是说明系统参数确定组件514的示例输入及输出的方块图，该系统参数确定组件基于在该中继控制参数阶段、基于中继的控制阶段，以及正弦信号注入阶段期间所获得的数据计算系统参数的值。系统参数确定组件514使用对应于受控系统902的已知系统模型来确定系统参数。在一些实施例中，参数识别系统502允许用户通过接口组件516从与被分析的控制应用对应的一组常见设备模型选择合适的设备模型(例如，一阶加死区时间模型，二阶加死区时间模型等)。

对于当前例子的FOPDT模型，系统参数确定组件514依据下式确定系统参数

其中，k及T₁分别为该一阶受控系统的增益因子及时间常数(见式(1)的设备模型)。

系统902的增益k基于在该中继控制参数确定阶段期间所获得的高低输出信号(Y_H与Y_L)之间的差与高低控制信号(U_H与U_L)之间的差的比例来确定。若所计算的增益k小于在该正弦信号注入阶段期间所获得的幅度比例Φ₁，则系统902的时间常数T₁取零。若所计算的增益k大于或等于幅度比例Φ₁，则基于在该基于中继的控制阶段期间所获得的增益k及振荡频率Ω₁计算时间常数T₁。

若T₁/D很小，则

可能小于零。若是这种情况，则T₁的精度不重要，因为该系统是延迟主导的且在控制器设计中可忽略T₁。

由于基于中继的控制的性质，该受控系统的死区时间D不会大于振荡的周期。接着，系统参数确定组件514依据下式计算受控系统902的死区时间D

若在该正弦信号注入阶段期间所确定的相位差Θ₁小于atan2(T₁Ω₁，1)，则系统902的死区时间D取零。若相位差Θ₁大于或等于atan2(T₁Ω₁，1)，则基于在该基于中继的控制阶段期间所获得的振荡频率Ω₁、相位差Θ₁，以及所计算的时间常数T₁计算死区时间D。

通过使用上述技术，系统参数识别系统502可识别具有死区时间及速率限制控制信号的系统或过程的系统增益k、时间常数T₁及死区时间D的精确值，而无需获得该系统的描述函数。

如上所述，对于更复杂的系统，可使用通过该中继控制参数阶段、基于中继的控制阶段，以及正弦信号注入阶段的多次执行所生成的多组数据求解系统参数。例如，二阶加死区时间(second-order-plus-dead-time；SOPDT)设备可由下面的传递函数表示：

为识别此二阶系统的系统参数k、T₁、T₂以及D，可执行该中继控制参数阶段、基于中继的控制阶段，以及正弦信号注入阶段两次，以获得两组数据。对于该三个阶段的第一次执行(i＝1)，可将人工死区时间D₁设置为零，如上述一阶系统例子中那样(也就是说，由延迟方块1106向控制信号u(t)引入的人工延迟为零)。

在该三个阶段的第一次生成产生第一组数据以后(高低中继控制信号值U_H及U_L，高低中继输出信号Y_H及Y_L，振荡频率Ω₁，幅度比例Φ₁)，参数识别系统502执行该三个阶段第二次，此次将人工死区时间D₂设置为非零延迟值(使延迟块1106在该基于中继的控制及正弦信号注入阶段期间向控制信号u(t)添加延迟)。该三个阶段的此第二次执行产生第二组数据，包括第二振荡频率Ω₂及第二幅度比例Φ₂。

通过以此方式获得的该第一及第二组数据，系统参数确定组件514可基于上式(7)确定该二阶系统的增益k。对于该两组数据，Y_H、Y_L、U_H及U_L的值将基本相同，因为这些值基本不受延迟D₂影响。如此，系统增益k可通过使用该两组数据的其中任意一组的Y_H、Y_L、U_H及U_L的值确定(或基于该三个阶段的该两次执行期间的这些值的平均值确定)。

接着，系统参数确定组件514可通过求解下面的传递函数幅度公式来确定该二阶系统的时间常数T₁及T₂：

最后，系统参数确定组件514可依据下式通过使用上面所获得的时间常数T₁及T₂确定该二阶系统的死区时间D。

因此，针对设备模型由上面的传递函数(10)给出的具有死区时间的该二阶系统，参数识别系统502获得系统参数k、T₁、T₂及D的值。

可根据需要执行上述三个阶段额外的次数，以获得更高阶系统的系统参数。例如，对于三阶系统，可执行该三个阶段三次，其中，针对每个执行循环改变施加于控制信号u(t)的人工死区时间D_i。这生成三组数据(对于i＝1、2，以及3)，其可用以基于该系统的传递函数计算该三阶系统的系统参数。

在一些实施例中，在执行该参数识别序列之前，用户可通过接口组件516提供关于该受控系统的信息。这可包括例如自通过接口组件516所提供的一组可用系统类型选择该系统的类型(例如，一阶、二阶等)。接着，用户可启动该参数识别序列。基于所提供的系统类型信息，参数识别系统502将运行上述三个阶段合适的次数，以获得必要的数据集，并通过使用对应于用户所选择的系统类型的合适设备模型(传递函数)基于该数据集生成系统参数。在一些实施例中，作为在执行该参数识别序列之前手动选择该系统类型的替代，参数识别系统502可通过使用自动识别过程推断系统的类型。

此外，在一些实施例中，参数识别系统502可执行该三个阶段多次(超过该选定类型系统所需的执行数目)，以通过使用不同数据集提升系统参数估计的精度。

在一些实施例中，在执行该参数识别序列以后(包括上述该三个阶段的一次或多次执行)，可通过接口组件516将所识别的系统参数呈现于客户端装置上。该系统参数可由系统设计者使用，以帮助设计及/或调谐合适的控制器，从而实现该系统的稳定鲁棒控制。或者，可将所识别的系统参数提供给调谐参数估计系统，该系统能够基于该系统参数选择合适的控制器调谐参数。图18是说明基于通过参数识别系统502所获得的系统参数生成调谐参数的方块图。在此例中，调谐应用1808用于调谐控制器1806的控制器增益，其中，控制器1806控制马达驱动运动系统或过程控制系统(未显示)的操作。调谐参数估计系统1802可基于所识别的系统参数确定控制器1806的合适调谐参数1812(在所示例子中，假定具有死区时间的一阶系统；如此，该系统参数为系统增益k、时间常数T₁，以及死区时间D)。

通过手动输入或者自参数识别系统502本身向调谐参数估计系统1802提供系统参数的值。接着，调谐参数估计系统1802可确定一个或更多个合适的调谐参数1812，以控制由所提供的系统参数表征的系统。在一些实施例中，调谐参数估计系统1802可通过参考先前定义的调谐参数模型1804来确定合适的调谐参数1812，该调谐参数模型定义鲁棒稳定调谐参数与系统参数之间的函数关系。

在一个示例实施例中，调谐参数估计系统1802可经配置以确定控制器1806的控制器带宽ω₀及系统增益估计b₀的其中一者或两者的值作为该一个或更多个调谐参数。在此类实施例中，调谐参数模型1804可定义鲁棒稳定调谐参数(ω₀及b₀)与系统参数k、T₁及D之间的函数关系。

一旦确定合适的调谐参数1812，调谐参数估计系统1802即可将这些值提供给调谐应用1808。或者，调谐参数估计系统1802可在用户界面上呈现所估计的调谐参数，以允许用户将这些值手动输入调谐应用1808中。接着，调谐应用1808可基于所提供的调谐参数值设置一个或更多个控制器增益1810。对于支持主动干扰抑制控制(active disturbancerejection control；ADRC)的控制器，仅需优化控制器带宽ω₀及系统增益估计b₀，以便于调谐控制器1806来实现鲁棒稳定控制，从而简化该控制回路的调谐过程。

在一些实施例中，调谐参数估计系统1802可与参数识别系统502集成，从而参数识别系统502可向调谐参数估计系统1802发送该系统参数的识别值，该调谐参数估计系统可接着生成由该系统参数值表征的该系统的合适调谐参数1812。在此类实施例中，参数识别系统502及调谐参数估计系统1802可为工业控制器，工业驱动器、基于芯片的控制器，或另一种控制平台的集成子系统。

在一些应用中，参数识别系统502可用以在正常操作之前，在该运动或过程控制系统的初始部署期间确定该系统参数的精确估计。例如，可使用参数识别系统502获得该受控系统的系统参数，接着，在运行时间之前，可使用该系统参数设计及/或调谐该控制器。一经设置，该调谐参数即可在系统启动以后保持固定，除非决定以后重新调谐该系统。

在其它应用中，参数识别系统502的一些实施例可经配置而以闭路控制工作，以在该系统的运行时间期间执行系统参数的在线识别。在此类实施例中，参数识别系统502可为该控制器的集成子系统。系统参数的在线识别可响应用户启动参数识别序列(例如，通过接口组件516输入的命令)由参数识别系统502执行，或者可经配置以定期或响应所定义的条件(例如，在系统不执行关键操作时)自动重新计算该系统参数。接着，在此类在线识别序列期间所获得的更新系统参数可由在线调谐参数估计系统使用，以在该系统的初始部署以后动态调节该调谐参数。以此方式，参数识别系统502可自动补偿该系统的属性的逐渐变化(例如，因机械磨损导致，马达所见的负载的变化等)，该系统的属性的逐渐变化可能导致该系统的总死区时间或其它性能特性变化。

通过将速率限制的基于中继的控制与正弦信号注入控制组合，本文中所述的参数识别系统及方法相对于仅使用基于中继的识别或正弦信号扫描的技术可产生更精确的系统参数估计。而且，通过速率限制该基于中继的控制阶段，该识别技术确保该控制应用的速率限制约束保持满足。此外，本文中所述的参数识别技术无需导出将临界增益与信号幅度关联的描述函数，因此，与结合识别系统参数导出此类描述函数的系统相比，计算侵入(computationally intrusive)更少。

在各种实施例中，参数识别系统502可被实施为独立的系统，或者可为控制装置的集成组件(例如，工业控制器、微控制器、马达驱动器、片上系统等)。参数识别系统502还可被实施为控制器程序开发平台的组件；例如，作为该开发平台的功能插件，作为可供开发者选择的可用功能块库中所包括的指令块等。

对于参数估计系统相对该控制器为独立系统的配置，组件505、506、508、510、512、514及516的其中任意组件都可通过任意合适的通信方式与该控制器或该控制系统的其它元件交换数据，该通信方式包括但不限于有线或无线网络、硬连接数据链路，或其它此类通信方式。在其它实施例中，组件505、506、508、510、512、514及516的其中一个或更多个可为控制器(例如，工业控制器如可编程逻辑控制器、片上系统或其它类型的微控制器等)的集成组件。例如，组件505、506、508、510、512、514及516的其中一个或更多个可为由驻留于该控制器中的一个或更多个处理器执行的该控制器的操作系统及/或控制软件的功能组件。组件505、506、508、510、512、514及516还可为驻留于该控制器内的硬件组件，例如电路板或集成电路，其与该控制器的其它功能元件交换数据。在一些实施例中，参数识别系统502还可为马达驱动器(例如，变频驱动器或其它马达驱动器)的集成子系统。其它合适的实施也在本申请的特定实施例的范围内。

参数识别系统502可结合基本上任意类型的控制应用使用。示例运动控制应用(通过使用系统502可识别其系统参数)包括但不限于输送控制系统、工业机器人(例如，机械加工或材料处理机器人)、工业工具系统、洗衣机、输送机、离心机、泵、机动手工工具、材料处理系统、汽车系统(例如，电动车辆或其它汽车系统的牵引或推进系统)、HVAC系统组件(例如，风扇、泵等)，或其它此类运动控制应用。参数识别系统502还可用以识别基本上任意类型的过程控制应用的系统参数。

图19A-图19D显示依据特定揭示的方面的方法。尽管出于简单解释的目的，将该方法显示并说明为一系列动作，但应当理解并了解，所揭示的方面不受动作的顺序限制，因为一些动作可能以不同的顺序发生及/或与本文中所示及所述的其它动作同时发生。例如，本领域的技术人员将理解并了解，作为替代，可将方法表示为例如在状态图中的一系列相互关联的状态或事件。而且，可能不需要所有示例动作来实施依据特定揭示的方面的方法。此外，还应当了解，在下文中以及本申请全文中所揭示的方法能够被储存于制品上，以便于将此类方法运输及转移至计算机。

图19A显示用于确定受控机械系统或工业过程的系统参数的示例方法的第一部分1900A。该方法的第一部分1900A获得速率限制的基于中继的控制阶段的配置参数。首先，在1902，从预定义的初始值逐渐增加该受控系统(或过程)的控制信号u(t)。依据控制应用的类型，该控制信号可为模拟电压信号例如0-10VDC信号、模拟电流信号例如4-20mA信号、数字信号、软件指令，或任意其它类型控制信号。在1904，确定该系统的滤波输出Y_LPF(t)(也就是，该系统或过程的被控变量的滤波测量值，例如机械系统的速度或位置，或受控过程参数的值)是否大于或等于(或基本等于)所定义的低值。在一些实施例中，该系统输出的该定义低值可为该系统的额定输出的20％。若滤波系统输出Y_LPF(t)未达到该定义低值(在步骤1904为“否”)，则该方法在步骤1902继续逐渐增加该控制信号。

当该滤波系统输出Y_LPF(t)达到所定义的低水平时(在步骤1906为“是”)，该方法进至步骤1906，其中，使控制信号u(t)保持恒定，并分别将控制信号u(t)与滤波系统输出Y_LPF(t)的值记录为U_L及Y_L。此外，当输出信号u(t)保持恒定时，将在一时间段期间滤波输出信号Y_LPF(t)与确定稳态值的最大偏差值记录为N_L。

通过存储器中所储存的这些值，该方法进至步骤1908，其中，再次逐渐增加该控制信号。在1910，确定滤波系统输出Y_LPF(t)是否等于(或基本等于)所定义的高值。在一些实施例中，该系统输出的该定义高值可为该系统的额定输出的80％。若滤波系统输出Y_LPF(t)未达到该定义高值(在步骤1910为“否”)，则在步骤1908，该控制信号继续逐渐增加。当滤波系统输出Y_LPF(t)达到所定义的高水平时(在步骤1910为“是”)，该方法进至步骤1912，其中，使该控制信号u(t)保持恒定，并分别将控制信号u(t)与滤波系统输出Y_LPF(t)的值记录为U_H及Y_H。当输出信号u(t)保持恒定时，将在一时间段期间滤波输出信号Y_LPF(t)与确定稳态值的最大偏差值记录为N_H。

在1914，基于Y_H及Y_L的值确定将要被用于该系统的速率限制的基于中继的控制的参考信号值R。例如，可将参考信号值R设置为在高低系统输出值Y_H与Y_L中间的值(例如，如上式(2)所给出)。在步骤1916，基于高低最大偏差值N_H及N_L确定该系统的该速率限制的基于中继的控制的滞带ε。例如，可将滞带ε选择为N_H或N_L的其中最大值，以预定义的或用户选择的容差因子缩放。

接着，该方法进至图19B中所示的第二部分1900B，在此期间，对该系统执行速率限制的基于中继的控制。在1918，通过使用在步骤1914所获得的参考信号值R及在步骤1916所获得的滞带ε，对该系统执行闭路速率限制的基于中继的控制。此基于中继的控制使该系统振荡。在步骤1920，当该系统响应该速率限制的基于中继的控制振荡时，测量滤波系统输出Y_LPF(t)的振荡频率并将其储存为Ω_i(其中，i为整数，代表方法部分1900B-1900C的执行计数)。在1922，基于振荡频率Ω_i及控制信号速率限制ρ确定幅度值A_i。例如，可将幅度值A_i设为速率限制ρ除以振荡频率Ω_i信号或在高低控制信号值U_H与U_L之间的范围的一半的其中较小者(如上式(5)所给出)。

将在该方法的第二部分1900B期间所获得的振荡频率Ω_i及幅度值A_i用作在图19C中所示的第三部分1900C期间所执行的正弦信号注入控制的参数。在获得振荡频率Ω_i及幅度值A_i以后，该方法进至该方法的第三部分1900C，其中，将控制从该基于中继的控制切换至该正弦信号注入控制。在1924，在该系统由于在该方法的第二部分1900B期间所执行的该基于中继的控制而仍处于振荡的情况下，控制从该基于中继的控制转换至开路正弦信号注入控制，由此，控制信号u(t)变为正弦信号，其具有与该基于中继的控制输出的相位基本对齐的相位。为此，该正弦信号可经生成而具有基于在步骤1920及1922所获得的振荡频率Ω_i及幅度值A_i的频率及幅度(例如，如上式(6)所给出)。

在步骤1926，当该正弦信号注入控制继续进行时，对该系统的输出y(t)执行带通滤波，以产生滤波输出信号y_BPF(t)。在1928，确定在该正弦信号注入控制期间控制信号u(t)与滤波输出信号y_BPF(t)之间的相位差Θ_i及幅度比例Φ_i。在1930，该正弦信号注入控制结束。

在1932，确定是否需要额外的数据集。在一些情形中，额外的数据集对于具有n阶设备模型的受控系统可能是必要的，其中，n为2或更大。此外，不论设备模型，可能想要额外的数据集以通过处理多个数据集来提升该系统参数估计的精度。

若确定需要额外的数据集(在步骤1932为“是”)，则该方法进至步骤1934，其中，向控制信号u(t)添加延迟或死区时间D_i，或者，若已针对部分1900B-1900C的前次执行添加了延迟D_i，则增加该延迟(或者另外更改为不同的延迟值)。接着，该方法返回步骤1904，并在将延迟D_i应用于该控制信号u(t)的情况下，重复部分1900B-1900C，以获得另一个数据集。可根据需要重复部分1900B-1900C多次(针对每次执行向该控制信号施加不同的延迟D_i)，以获得所需或期望数目的数据集。

若确定不需要额外的数据集(在步骤1932为“否”)，则该方法进至图19D中所示的第二部分1900D。在1936，基于在步骤1906及1912所获得的U_L、U_H、Y_L及Y_H的值确定该受控系统的增益k(例如，通过使用上式(7))。在1938，基于在步骤1936所获得的增益、在步骤1920所确定的振荡频率Ω_i的值，在步骤1928所确定的幅度比例Φ_i的值，以及在步骤1928所获得的相位差Θ_i的值识别该受控系统的其它参数(例如，一个或更多个常数T_i以及死区时间D)。用以获得该其它系统参数的计算可依据系统的类型(例如，一阶加死区时间、二阶加死区时间等)。例如，对于FOPDT系统，基于上式(8)可确定该系统的时间常数T₁，并可基于式(9)确定该系统的死区时间D。对于SOPDT系统，该系统的两个时间常数T₁及T₂可通过求解式(11)及(12)确定，且该系统的死区时间D可基于式(13)确定。

示例网络及分布式环境

本领域的普通技术人员可了解，本文中所述的各种实施例可结合任意计算机或其它客户端或服务器装置实施，可将其部署为计算机网络的部分或部署于分布式计算环境中，且可与任意种类的数据储存库连接，在该数据储存库中可找到媒体。在此方面，本文中所述的参数识别系统的各种实施例可在具有任意数目的存储器或储存单元(例如，图5的存储器520)以及在任意数目的储存单元上发生的任意数目的应用及过程的任意计算机系统或环境中实施。这包括但不限于在网络环境或分布式计算环境中部署服务器计算机及客户端计算机的环境，具有远程或本地储存。例如，请参照图5，控制信号生成器504、输出监控组件506、中继参数确定组件508、中继控制及测量组件510、正弦控制及测量组件512、系统参数确定组件514，以及接口组件516可被储存于与单个装置关联的单个存储器520上，或者可被分布于分别与多个装置关联的多个存储器之间。类似地，控制信号生成器504、输出监控组件506、中继参数确定组件508、中继控制及测量组件510、正弦控制及测量组件512、系统参数确定组件514，以及接口组件516可由单个处理器518执行，或者由与多个装置关联的多个分布式处理器执行。

分布式计算通过计算装置及系统之间的通信交流提供计算机资源及服务的共享。这些资源及服务包括信息的交换、对象的缓存储存以及磁盘储存。这些资源及服务还可包括在多个处理单元上的处理能力的共享，以实现负载平衡、资源扩展、处理专业化等。分布式计算利用网络连接性的优势，允许客户端利用它们的集体能力来使整个企业受益。在此方面，各种各样的装置可能具有可参与本申请的各种实施例的应用、对象或资源。

图20提供示例网络或分布式计算环境的示意图。分布式计算环境包括计算对象2010、2012等，以及计算对象或装置2020、2022、2024、2026、2028等，其可包括程序、方法、数据储存库、可编程逻辑等，由应用2030、2032、2034、2036、2038等表示。应当了解，计算对象2010、2012等及计算对象或装置2020、2022、2024、2026、2028等可包括不同的装置，例如个人数字助理(PDA)、音频/视频装置、移动电话、MP3播放器、个人计算机、便携式计算机、平板计算机等，其中，本文中所述的惯性估计器的实施例可驻留于此类装置中或与其互动。

各计算对象2010、2012等及计算对象或装置2020、2022、2024、2026、2028等可直接或间接地通过通信网络2040与一个或更多个其它计算对象2010、2012等以及计算对象或装置2020、2022、2024、2026、2028等通信。尽管在图20中显示为单个元件，但通信网络2040可包括向图20的系统提供服务的其它计算对象及计算装置，以及/或者可代表未显示的多个互连网络。各计算对象2010、2012等或计算对象或装置2020、2022、2024、2026、2028等还可包含应用，例如应用2030、2032、2034、2036、2038(例如，参数识别系统502或其组件)，该应用可使用API，或其它对象、软件、固件及/或硬件，适于与实施本申请的各种实施例通信或其实施。

有多种支持分布式计算环境的系统、组件，以及网络配置。例如，计算系统可通过本地网络或广泛分布的网络通过有线或无线系统连接在一起。目前，许多网络与因特网耦接，因特网提供广泛分布计算的基础架构并包括许多不同的网络，不过可使用任意合适的网络基础架构进行如本文中的各种实施例中所述的系统的示例通信。

因此，可使用网络拓扑及网络基础架构的主机，例如客户端/服务器、点对点，或混合架构。“客户端”是一族或组的成员，其使用另一族或组的服务。客户端可为计算机过程，例如大约一组指令或任务，其请求由另一个程序或过程所提供的服务。客户端过程可使用所请求的服务，而不必“知道”关于该另一个程序或服务本身的所有工作细节。

在客户端/服务器架构中，尤其网络系统中，客户端可为一台计算机，其访问由另一台计算机例如服务器所提供的共享网络资源。在图20的示例中，作为非限制性例子，计算对象或装置2020、2022、2024、2026、2028等可被视为客户端，且计算对象2010、2012等可被视为服务器，其中，计算对象2010、2012等提供数据服务，例如自客户端计算对象或装置2020、2022、2024、2026、2028等接收数据、储存数据、处理数据、向客户端计算对象或装置2020、2022、2024、2026、2028等传输数据，不过，任何计算机都可被视为客户端、服务器，或两者兼有，视情况而定。任意这些计算装置可能在处理数据，或请求事务服务或任务，这可能涉及用于一个或更多个实施例的如本文中所述的系统的技术。

服务器通常是可通过远程或本地网络例如因特网或无线网络基础架构访问的远程计算机系统。客户端过程可能活动于第一计算机系统中，且服务器过程可能活动于第二计算机系统中，通过通信媒体相互通信，从而提供分布式功能并允许多个客户端利用服务器的信息收集功能。依照本文中所述的技术所使用的任意软件对象可独立提供，或分布于多个计算装置或对象上。

例如，在通信网络/总线2040为因特网的网络环境中，计算对象2010、2012等可为Web服务器、文件服务器、媒体服务器等，客户端计算对象或装置2020、2022、2024、2026、2028等通过若干已知协议的其中任意一种(例如超文本传输协议(hypertext transferprotocol；HTTP))与其通信。计算对象2010、2012等还可充当客户端计算对象或装置2020、2022、2024、2026、2028等，这可为分布式计算环境的特性。

示例计算装置

如上所述，有利地，本文中所述的技术可应用于任意合适的装置。因此，应当理解，所有种类的手持式、便携式及其它计算装置及计算对象都拟结合各种实施例使用。相应地，下面在图21中所述的下方计算机仅为计算装置的一个例子。此外，合适的服务器可包括下方计算机的一个或更多个方面，例如媒体服务器或其它媒体管理服务器组件。

尽管不需要，但实施例可通过操作系统被部分实施，以供装置或对象的服务的开发者使用，以及/或者被包括于用以执行本文中所述的各种实施例的一个或更多个功能方面的应用软件内。软件可在由一个或更多个计算机例如客户端工作站、服务器或其它装置执行的计算机可执行指令例如程序模块的一般背景下说明。本领域的技术人员将了解，计算机系统具有可用于数据通信的多种配置及协议，因此，没有任何特定配置或协议可被视为限制。

因此，图21显示合适的计算系统环境2100，可在其中实施本文中所述的实施例的一个或更多个方面，不过如上所述，计算系统环境2100仅为合适的计算环境的一个例子，且并非意图表示对用途或功能的范围的任何限制。也不应将计算系统环境2100解释为对示例计算系统环境2100中所示的其中任意一个组件或组件组合有任何依赖或需求。

请参照图21，显示用于以计算机2110的形式实施的一个或更多个实施例的示例计算装置。计算机2110的组件可包括但不限于处理单元2120、系统存储器2130，以及将包括该系统存储器的各种系统组件与处理单元2120耦接的系统总线2122。处理单元2120可例如执行与参数识别系统502的处理器518关联的功能，而系统存储器2130可执行与存储器520关联的功能。

计算机2110通常包括各种计算机可读媒体，并可为可由计算机2110访问的任意可用媒体。系统存储器2130可包括采用易失性及/或非易失性存储器例如只读存储器(ROM)及/或随机访问存储器(RAM)的形式的计算机储存媒体。作为例子但非限制，系统存储器2130还可包括操作系统、应用程序、其它程序模块，以及程序数据。

用户可通过输入装置2140将命令及信息输入计算机2110中，该输入装置的非限制性例子可包括键盘、小键盘、定点装置、鼠标、触控笔、触控板、触摸屏、轨迹球、运动检测器、相机、麦克风、操纵杆、游戏垫、扫描仪，或允许用户与计算机2110互动的任意其它装置。监控器或其它类型的显示装置也通过接口例如输出接口2150与系统总线2122连接。除监控器外，计算机还可包括其它周边输出装置例如扬声器及打印机，其可通过输出接口2150连接。在一个或更多个实施例中，输入装置2140可向接口组件516提供用户输入，而输出接口2150可自接口组件516接收与参数识别系统502的操作相关的信息。

计算机2110可通过与一个或更多个其它远程计算机例如远程计算机2170的逻辑连接操作于网络或分布式环境中。远程计算机2170可为个人计算机、服务器、路由器、网络PC、点装置或其它公共网络节点，或任意其它远程媒体消费或传输装置，且可包括与计算机2110相关的上述元件的其中任意或全部。图18中所示的逻辑连接包括网络2172，例如局域网(local area network；LAN)或广域网(wide area network；WAN)，但还可包括其它网络/总线，例如蜂窝网络。

如上所述，尽管结合各种计算装置及网络架构来说明示例实施例，但基础概念可用于期望以灵活的方式发布或消费媒体的任意网络系统及任意计算装置或系统。

此外，有多种方式实施相同或类似的功能，例如合适的API、工具包、驱动程序代码、操作系统、控制、独立或可下载的软件对象等，其使应用及服务能够利用本文中所述的技术。因此，从API的观点(或其它软件对象)，以及从实施本文中所述的一个或更多个方面的软件或硬件对象来考虑本文中的实施例。因此，本文中所述的各种实施例可具有以下方面：完全在硬件中，部分在硬件中且部分在软件中，以及在软件中。

计算装置通常包括各种媒体，其可包括计算机可读储存媒体(例如，存储器520)及/或通信媒体，其中，这两个术语在本文中的使用彼此不同，如下所示。计算机可读储存媒体为可由计算机访问的任意可用储存媒体，通常是非暂时性的，且可包括易失性及非易失性媒体、可移除及不可移除媒体。作为例子但非限制，计算机可读储存媒体可结合用于储存信息例如计算机可读指令、程序模块、结构数据或非结构数据的任意方法或技术实施。计算机可读储存媒体可包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪速存储器或其他存储器技术，CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光盘储存，磁盒、磁带、磁盘储存或其它磁储存装置，或可用以储存所需信息的其它有形和/或非暂时性媒体。计算机可读储存媒体可例如通过访问请求、查询或其它数据检索协议由一个或更多个本地或远程计算装置访问，从而针对该媒体所储存的信息进行各种操作。

另一方面，通信媒体通常将计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他结构或非结构数据包含于数据信号例如调制数据信号中，例如载波或其它传输机制中，且包括任意信息传递或传输媒体。术语“调制数据信号”是指信号特征的其中一个或更多个经设置或更改以将信息编码于一个或更多个信号中的信号。作为例子但非限制，通信媒体包括有线媒体，例如有线网络或直接有线连接，以及无线媒体，例如声、RF、红外或其它无线媒体。

如上所述，可结合硬件或软件或(在适当情况下)两者的组合实施本文中所述的各种技术。本文所用的术语“组件”、“系统”等意指与计算机相关的实体，硬件、硬件与软件的组合、软件，或执行软件。例如，组件可为但不限于运行于处理器上的过程、处理器、对象、可执行文件、执行线程、程序，以及/或者计算机。例如，运行于计算机上的应用及计算机可为组件。一个或更多个组件可驻留于过程和/或执行线程内，且组件可位于一台计算机上和/或分布于两台或更多台计算机之间。另外，“装置”可采用以下形式：专门设计的硬件；通用硬件，通过其上软件的执行被专门化，从而使该硬件能够执行特定功能(例如，编码及/或解码)；储存于计算机可读媒体上的软件；或其组合。

本文就数个组件之间的互动对上述系统进行了描述。应当了解，此类系统及组件可包括所述组件或特定子组件，该特定组件或子组件的部分，以及/或者额外组件，且具有多种排列及组合。子组件还可被实施为通信耦接其它组件的组件，而非包括于母组件(阶层式)中。另外，应当注意，可将一个或更多个组件组合为单个组件以提供综合的功能，或划分为数个独立的子组件，并可提供任意一个或更多个中间层例如管理层与此类子组件通信耦接，以提供集成功能。本文所述的任意组件还可与本文中未特别说明但本领域的技术人员通常已知的一个或更多个其它组件互动。

为提供或帮助本文中所述的任意推理，本文中所述的组件可检查允许访问的数据的全部或其子集，并可通过事件和/或数据所撷取的一组观察资料推理系统、环境等的状态。例如，推理可用以识别特定的背景或行动，或者可生成状态的概率分布。推理可为概率性的，也就是，基于数据及事件的考量计算兴趣状态的概率分布。推理还可参照技术以自一组事件和/或数据构建更高级事件。

此类推理可导致自一组观察到的事件和/或储存的事件数据建立新的事件或活动，无论所述事件是否以接近的时序相关，以及无论所述事件及数据是否来自一个或数个事件及数据源。结合执行与所请求的发明主题相关的自动和/或推理活动，可采用多种分类(明确及/或隐含训练)方案和/或系统(例如，支持向量机器、神经网络、专家系统、贝叶斯信念网络、模糊逻辑，数据融合引擎等)。

鉴于上述示例系统，参照附图的流程图可更好地了解可依据所述发明主题实施的方法(例如，图19A-19D)。尽管出于简单解释的目的，所述方法以一系列方块图显示并说明，但应当了解，所请求的发明主题不受方块的顺序限制，因为某些方块可能以与本文中所示及所述的顺序不同的顺序发生以及/或者与其它方块同时发生。对于通过流程图示例的非顺序或有支路的流程，应当了解，可实施多种其它支路、流路以及方块顺序，以实现相同或相似的结果。而且，可能不需要全部示例方块来实施下文所述的方法。

除本文中所述的各种实施例以外，应当理解，可使用其它类似实施例，并可对所述实施例进行修改及添加，以执行相应实施例的相同或等同功能，而不偏离该相应实施例。另外，多个处理芯片或多个装置可共享本文中所述的一个或更多个功能的性能，且类似地，储存可在多个装置上进行。相应地，本发明不限于任意单个实施例，而是可依据所附权利要求的广度、精神及范围进行解释。

Claims (15)

1.一种参数识别系统，包括：

存储器；以及

处理器，经配置以执行储存于该存储器上的组件，该组件包括：

控制信号生成器，经配置以生成针对受控系统的控制信号；

输出监控组件，经配置以监控该受控系统的输出信号，该输出信号代表由该控制信号控制的该受控系统的变量；

中继控制及测量组件，经配置以依据该受控系统的速率限制的基于中继的控制而输出该控制信号，其中，该速率限制的基于中继的控制使该控制信号振荡于第一相位；

正弦控制及测量组件，经配置以响应在该速率限制的基于中继的控制期间该输出信号处于振荡的确定，停止该速率限制的基于中继的控制并启动该受控系统的开路正弦信号注入控制，由此，该控制信号是具有与该第一相位基本对齐的第二相位的正弦信号；以及

系统参数确定组件，经配置以基于通过在该速率限制的基于中继的控制及该开路正弦信号注入控制期间该控制信号及该输出信号的测量所获得的数据集来确定该受控系统的一个或更多个系统参数。

2.如权利要求1所述的参数识别系统，其中，该一个或更多个系统参数包括该受控系统的增益、该受控系统的一个或更多个时间常数、或该受控系统的死区时间的至少其中之一。

3.如权利要求1所述的参数识别系统，其中，该数据集包括在该速率限制的基于中继的控制期间所测量的该输出信号的振荡频率、在该开路正弦信号注入控制期间所测量的该控制信号的第一幅度与该输出信号的第二幅度的比例、以及在该开路正弦信号注入控制期间所测量的该控制信号与该输出信号之间的相位差的至少其中之一。

4.如权利要求1所述的参数识别系统，其中

该输出监控组件还经配置以对该输出信号执行低通滤波，以产生滤波输出信号，以及

该参数识别系统还包括中继参数确定组件，其经配置以于该控制信号保持在恒定水平时，基于该滤波输出信号与该滤波输出信号的稳态值的测量最大偏差而设置该速率限制的基于中继的控制的滞带。

5.如权利要求1所述的参数识别系统，其中

该中继控制及测量组件经配置以测量在该速率限制的基于中继的控制期间该输出信号的振荡频率，以及

该正弦控制及测量组件经配置以基于该振荡频率及所定义的控制信号速率限制而设置该正弦信号的幅度。

6.如权利要求1所述的参数识别系统，其中

该中继控制及测量组件与该正弦控制及测量组件经配置以实施该速率限制的基于中继的控制及该正弦信号注入控制的多次执行，以产生多个数据集，以及

该多次执行通过向该控制信号添加各自不同的延迟量来实施。

7.如权利要求1所述的系统，其中，该参数识别系统是工业控制器的集成组件、马达驱动器的集成组件、微控制器的集成组件、或片上系统的至少其中之一。

8.一种系统参数识别的方法，包括：

作为参数识别序列的第一阶段，通过包括至少一个处理器的系统向受控系统输出控制信号作为速率限制的基于中继的控制输出，其中，该输出产生在第一相位的该受控系统的输出信号的振荡；

响应该输出信号在该基于中继的控制阶段期间处于振荡的确定，作为该参数识别序列的第二阶段，通过该系统向该受控系统输出该控制信号作为具有与该第一相位基本对齐的第二相位的开路正弦控制输出；以及

基于通过在该第一阶段与该第二阶段期间该控制信号及该输出信号的测量所获得的数据集，通过该系统确定该受控系统的一个或更多个系统参数。

9.如权利要求8所述的方法，其中，该确定包括：作为该一个或更多个系统参数，确定该受控系统的增益、该受控系统的一个或更多个时间常数、或该受控系统的死区时间的至少其中之一。

10.如权利要求8所述的方法，还包括：

作为该数据集，通过该系统确定在该第一阶段期间所测量的该输出信号的振荡频率、在该第二阶段期间所测量的该控制信号的第一幅度与该输出信号的第二幅度的比例、以及在该第二阶段期间所测量的该控制信号与该输出信号之间的相位差的至少其中之一。

11.如权利要求8所述的方法，还包括：

通过该系统向该受控系统输出该控制信号作为测试期间的恒定信号值；

低通滤波该输出信号，以产生滤波输出信号；

通过该系统测量在该测试期间该滤波输出信号与该滤波输出信号的确定稳态值的最大偏差；

基于该最大偏差，通过该系统设置该速率限制的基于中继的控制输出的滞带；以及

通过该系统将该速率限制的基于中继的控制输出的参考信号值设置为在对应于该受控系统的额定输出的约20％的该滤波输出信号的第一值与对应于该额定输出的约80％的该滤波输出信号的第二值的中间或大致中间的值。

12.如权利要求8所述的方法，还包括：

通过该系统测量在该第一阶段期间该输出信号的振荡频率；以及

基于该振荡频率及所定义的控制信号速率限制，通过该系统设置该开路正弦控制输出的幅度。

13.一种非暂时性计算机可读媒体，在其上储存有可执行组件，响应包括处理器的系统的执行，该可执行组件使该系统执行操作，该操作包括：

实施受控系统的速率限制的基于中继的控制，包括向该受控系统输出控制信号作为速率限制的基于中继的控制输出，其中，该输出产生在第一相位的该受控系统的输出信号的振荡；

响应该输出信号在该速率限制的基于中继的控制阶段期间处于振荡的确定，实施该受控系统的开路正弦信号注入控制，包括向该受控系统输出该控制信号作为具有与该第一相位基本对齐的第二相位的正弦控制输出；以及

基于通过在该速率限制的基于中继的控制与该开路正弦信号注入控制期间该控制信号及该输出信号的测量所获得的数据集，确定该受控系统的一个或更多个系统参数。

14.如权利要求13所述的非暂时性计算机可读媒体，其中，该确定包括：作为该一个或更多个系统参数，确定该受控系统的增益、该受控系统的一个或更多个时间常数、或该受控系统的死区时间的至少其中之一。

15.如权利要求13所述的非暂时性计算机可读媒体，其中，该数据集包括在该速率限制的基于中继的控制期间所测量的该输出信号的至少一振荡频率、在该开路正弦信号注入控制期间所测量的该控制信号的第一幅度与该输出信号的第二幅度的比例、以及在该开路正弦信号注入控制期间该控制信号与该输出信号之间的相位差。

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