CN110879532B - 一种控制系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制系统及设计方法，输入器用于获取指示控制被控对象执行相应动作的输入信号、获取传感器返回的被控对象的输出信号以及计算输入信号和输出信号的差异量；第一增益器用于对输入信号和输出信号的差异量信号放大，其中对差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数大于对其它频率部分放大的增益系数；控制器用于根据差异量信号进行闭环控制，以使得被控对象执行动作；传感器用于测量被控对象执行动作产生的输出信号。本控制系统通过对系统低频谐振频带部分以单独的增益进行放大，能够增大控制系统的开环增益，降低控制系统对干扰的响应，应用于位移平台能够降低位移平台控制系统对干扰的响应，提高位移平台的定位精度。

Description

一种控制系统及设计方法

技术领域

本发明涉及控制系统技术领域，特别是涉及一种控制系统。本发明还涉及一种控制系统设计方法。

背景技术

随着精密仪器与设备的发展，精密位移平台得到了广泛应用，比如在精密光学仪器、精密检测设备、医疗器械等领域。同时，为保证精密位移平台具有较好的响应速度、较高的定位精度及定位稳定性，对位移平台的控制系统、控制方案、控制算法等也提出更高要求。

在精密位移平台中包含一些柔性结构，刚度较小，一阶共振频率较低，同时由于位移平台结构的复杂性导致系统同时存在低频谐振峰和高频谐振峰。在位移平台控制系统设计过程中，谐振会导致整个系统稳定性降低，同时由于系统中存在一定干扰，位移平台容易受到干扰噪声的激励产生响应，在谐振频率附近产生较大峰值，并且较小的干扰噪声就可能引起较大的定位误差。

现有技术中，通过增大控制系统的开环增益，能降低干扰对位移平台定位精度的影响，但是增大开环增益容易导致系统带宽增加，对高频干扰更加敏感，甚至导致系统不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制系统，应用于位移平台能够降低位移平台控制系统对干扰的响应，提高位移平台的定位精度。本发明还提供一种控制系统设计方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种控制系统，包括输入器、第一增益器、控制器和传感器；

所述输入器，用于获取指示控制被控对象执行相应动作的输入信号、获取所述传感器返回的所述被控对象的输出信号以及计算输入信号和输出信号的差异量并将得到的差异量信号传输到所述第一增益器；

所述第一增益器，用于对输入信号和输出信号的差异量信号放大，并将放大后的差异量信号传输到所述控制器，其中对差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数大于对其它频率部分放大的增益系数；

所述控制器，用于根据输入信号和输出信号的差异量信号进行闭环控制，向所述被控对象输出驱动信号以使得所述被控对象在所述驱动信号驱动下执行动作；

所述传感器，用于测量所述被控对象执行动作产生的输出信号。

优选的，所述第一增益器包括第一滤波器，所述第一滤波器用于从输入信号和输出信号的差异量信号中截取低频谐振频带部分，以对低频谐振频带部分放大。

优选的，由所述控制器输出的驱动信号存在的干扰引入误差的传递函数表示为：

其中，G(s)表示被控对象的传递函数，C(s)表示控制器的传递函数，H(s)表示输入器从传感器获取输出信号的传递函数，F表示被控对象的低频谐振频带，k表示对低频谐振频带部分放大的增益调整比例；

所述第一增益器具体用于通过调整k的取值而调整对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数。

优选的，所述第一增益器还用于根据所述被控对象的输出信号误差，在线调整对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数。

优选的，还包括第二滤波器，用于对所述控制器的输出进行滤波，从所述被控对象的输出信号的高频谐振频带部分截取信号幅值大于阈值的频率部分，获得这部分的最高峰值对应频率，并设置所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率，以使得获得的这部分最高峰值的对应频率位于所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率之间范围内。

一种控制系统设计方法，用于设计以上所述的控制系统，包括：

建立被控对象的物理系统模型并确定出所述被控对象的低频谐振频带；

根据所述被控对象的物理系统模型制定出用于所述被控对象的闭环控制方案；

确定出第一增益器对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数。

优选的，建立被控对象的物理系统模型包括：

获取若干组所述被控对象的输入信号数据和输出信号数据，根据所述数据建立所述被控对象的物理系统模型，得到所述被控对象的传递函数以及所述输入器从所述传感器获取输出信号的传递函数。

优选的，确定出第一增益器对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数包括：绘制所述被控对象的输出信号误差随控制器输出驱动信号存在干扰的频率响应曲线，根据该频率响应曲线确定出第一增益器对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带放大的增益系数。

优选的，还包括：确定出所述被控对象的高频谐振频带；

设置第二滤波器，所述第二滤波器用于对控制器的输出进行滤波，从所述被控对象的输出信号的高频谐振频带部分截取信号幅值大于阈值的频率部分，获得这部分的最高峰值对应频率，并设置所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率，以使得获得的这部分最高峰值的对应频率位于所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率之间范围内。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种控制系统包括输入器、第一增益器、控制器和传感器，其中，输入器用于获取指示控制被控对象执行相应动作的输入信号、获取传感器返回的被控对象的输出信号以及计算输入信号和输出信号的差异量并将得到的差异量信号传输到第一增益器；第一增益器用于对输入信号和输出信号的差异量信号放大，并将放大后的差异量信号传输到控制器，其中对差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数大于对其它频率部分放大的增益系数；控制器用于根据输入信号和输出信号的差异量信号进行闭环控制，向被控对象输出驱动信号以使得被控对象在驱动信号驱动下执行动作；传感器用于测量被控对象执行动作产生的输出信号。

本发明控制系统通过对系统低频谐振频带部分以单独的增益进行放大，增大低频谐振频带这一局部频带范围的增益，能够增大控制系统的开环增益，降低控制系统对干扰的响应，并且对控制系统带宽影响小，对控制系统对高频干扰的响应影响小，应用于位移平台能够降低位移平台控制系统对干扰的响应，提高位移平台的定位精度。

本发明提供的一种控制系统设计方法，设计得到的控制系统能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种控制系统的示意图；

图2为对低频谐振频带部分放大的增益调整比例分别为k1、k2、k3时的放大倍数曲线和相位曲线；

图3(a)为仿真得到的对低频谐振频带调整增益前的输出信号频域图；

图3(b)为仿真得到的对低频谐振频带调整增益后的输出信号频域图；

图4为本发明又一实施例提供的一种控制系统的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种控制系统设计方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种控制系统的示意图，由图可知，所述控制系统包括输入器11、第一增益器12、控制器13和传感器14。

输入器11用于获取指示控制被控对象10执行相应动作的输入信号、获取所述传感器14返回的所述被控对象10的输出信号以及计算输入信号和输出信号的差异量信号并将得到的差异量信号传输到所述第一增益器12。

第一增益器12用于对输入信号和输出信号的差异量信号放大，并将放大后的差异量信号传输到所述控制器13，其中对差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数大于对其它频率部分放大的增益系数。

控制器13用于根据输入信号和输出信号的差异量信号进行闭环控制，向所述被控对象10输出驱动信号以使得所述被控对象10在所述驱动信号驱动下执行动作。

传感器14用于测量所述被控对象10执行动作产生的输出信号。

其中，在设计控制系统时针对被控对象会设计确定开环截止频率，低频谐振频带是指被控对象控制系统的信号中频率小于所设计开环截止频率的谐振频带。对于不同的被控对象，低频谐振频带的频率范围不相同。对信号放大的增益系数越大表示对信号放大的幅度越大。

所述控制器13根据输入信号以及由传感器14返回的输出信号为反馈信号，根据两者的差异量对被控对象10进行闭环控制。

本实施例控制系统通过对被控对象的低频谐振频带部分以单独的增益进行放大，增大低频谐振频带这一局部频带范围的增益，能够增大控制系统的开环增益，从而降低控制系统对干扰的响应，并且对控制系统带宽影响小，对控制系统对高频干扰的响应影响小。本实施例控制系统应用于位移平台能够降低位移平台控制系统对干扰的响应，提高位移平台的定位精度。

下面结合具体实施方式对本控制系统进行详细说明。可参考图1，所述控制系统包括输入器11、第一增益器12、控制器13和传感器14。

输入器11用于获取指示控制被控对象10执行相应动作的输入信号、获取所述传感器14返回的所述被控对象10的输出信号，以及计算输入信号和输出信号的差异量并将得到的差异量信号传输到第一增益器12。传感器14用于测量被控对象10执行动作产生的输出信号。

若本控制系统应用于位移平台，即被控对象10为位移平台，那么，输入器11用于获取指示控制位移平台产生相应运动量的输入信号，以及获取传感器14返回的位移平台的输出信号，传感器14用于测量位移平台运动的运动量信号即位移平台的输出信号。

第一增益器12用于对输入信号和输出信号的差异量信号放大，并将放大后的差异量信号传输到控制器13，其中对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数大于对其它频率部分放大的增益系数。控制器13用于根据输入信号和输出信号的差异量信号进行闭环控制，向被控对象10输出驱动信号以使得被控对象10在所述驱动信号驱动下执行动作。

在具体实施时，第一增益器12包括第一滤波器，第一滤波器用于从输入信号和输出信号的差异量信号中截取低频谐振频带部分，以对低频谐振频带部分放大。第一增益器12通过第一滤波器从信号中截取低频谐振频带部分，以使用单独的增益系数对其进行放大。

具体的，本实施例控制系统中，由控制器13输出的驱动信号存在的干扰引入误差的传递函数表示为：

其中，G(s)表示被控对象的传递函数，C(s)表示控制器的传递函数，H(s)表示输入器从传感器获取输出信号的传递函数，F表示被控对象的低频谐振频带，k表示对低频谐振频带部分放大的增益调整比例。其中，第一增益器12具体用于通过调整k的取值而调整对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数。

可选的，可以在对控制系统设计过程中，确定出对信号的低频谐振频带部分放大的增益系数，将增益系数写入到控制系统程序内，第一增益器12以固定的增益系数对信号的低频谐振频带部分进行放大。

优选的，还可以在控制系统及被控对象实际运行过程中，由第一增益器12根据被控对象的输出信号误差，在线调整对输入信号和输出信号的低频谐振频带部分放大的增益系数。被控对象的输出信号误差是指实时测量得到的被控对象的输出信号与想要控制被控对象产生的目标输出信号之间的偏差量，比如想要控制被控对象定位到(x0，y0，z0)，当前实时测量出被控对象的定位为(x1，y1，z1)，输出信号误差为这两者之间的偏差量。

请参考图2，图2的上图为对低频谐振频带部分放大的增益调整比例分别为k1、k2、k3时干扰信号的放大倍数曲线，图2的下图为对低频谐振频带部分放大的增益调整比例分别为k1、k2、k3时干扰信号的相位曲线，其中k1<k2<k3，被控对象为位移平台。根据图可看出，适当地增大k(k1<k2<k3)，可以增大系统的开环增益，降低干扰引起的低频增益及谐振峰值，从而降低控制系统稳态误差，同时控制系统带宽变化小，对控制系统对高频干扰的响应影响小。

请参考图3(a)和图3(b)，图3(a)为仿真得到的对低频谐振频带调整增益前的输出信号频域图，图3(b)为仿真得到的对低频谐振频带调整增益后的输出信号频域图，被控对象为位移平台。由图可以看出，图3(a)中的频域峰值在图3(b)中被降低。通过调整k值降低了干扰对控制系统谐振的影响，有助于提高位移平台定位精度。

进一步优选的，请参考图4，图4为又一实施例提供的控制系统的示意图，由图可知在上一实施例基础上，本实施例控制系统还包括第二滤波器15，用于对控制器的输出进行滤波，从所述被控对象的输出信号的高频谐振频带部分截取信号幅值大于阈值的频率部分，获得这部分的最高峰值对应频率，并设置所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率，以使得获得的这部分最高峰值的对应频率位于所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率之间范围内。

在设计控制系统时针对被控对象会设计确定开环截止频率，高频谐振频带是指被控对象控制系统的信号中频率大于所设计开环截止频率的谐振频带。对于不同的被控对象，高频谐振频带的频率范围不相同。使用第二滤波器15对控制器输出的驱动信号进行滤波，具体的，第二滤波器15实时地将被控对象的输出信号转换到频域，从被控对象10的输出信号的高频谐振频带部分截取信号幅值大于阈值的频率部分，获得这部分的最高峰值对应频率。进一步，判断得到的这部分的最高峰值对应频率是否位于第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率之间范围内，若否，则设置第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率，以使得这部分的最高峰值对应频率位于第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率之间范围内。随着控制系统及被控对象长时间运行，控制系统会产生一定非线性使得谐振峰频率发生移动，本实施例控制系统通过设置第二滤波器对控制器输出的驱动信号进行滤波，实时监测被控对象的高频谐振频带并实时调整第二滤波器的滤波范围，从而达到抑制高频谐振的产生和移动，也有助于保持系统运行稳定。

相应的，请参考图5，图5为本发明实施例提供的一种控制系统设计方法的流程图，所述控制系统设计方法用于设计以上所述的控制系统，包括以下步骤：

S20：建立被控对象的物理系统模型并确定出所述被控对象的低频谐振频带。

其中，在设计控制系统时针对被控对象会设计确定开环截止频率，低频谐振频带是指被控对象控制系统的信号中频率小于所设计开环截止频率的谐振频带，高频谐振频带是指被控对象控制系统的信号中频率大于所设计开环截止频率的谐振频带。对于不同的被控对象，其低频谐振频带的范围不相同，其高频谐振频带的范围也可能不相同。

具体的，可以获取若干组被控对象的输入信号数据和输出信号数据，根据所述数据建立被控对象的物理系统模型，得到所述被控对象的传递函数以及所述输入器从所述传感器获取输出信号的传递函数。根据获取到的若干组被控对象10的输入信号数据和输出信号数据，对被控对象10的物理系统模型进行辨识，得到被控对象10的传递函数。并通过对被控对象10的传递函数进行频域分析，得到被控对象控制系统的低频谐振频带和高频谐振频带。

S21：根据所述被控对象的物理系统模型制定出用于所述被控对象的闭环控制方案。

根据被控对象控制系统要求设定控制系统的相关参数比如带宽、相位裕度等，制定出用于被控对象的闭环控制方案。可选的在实际应用中，可以针对被控对象采用PID控制方案。

S22：确定出第一增益器对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数。

根据线性叠加原理，控制系统稳态总误差由输入信号引入误差和控制器输出处扰动引入误差叠加得到。那么，输入信号引入误差的传递函数表示为：

其中，G(s)表示被控对象的传递函数，C(s)表示控制器的传递函数，H(s)表示输入器从传感器获取输出信号的传递函数。

那么，被控对象的阶跃输入引起的稳态误差表示为：

若控制器的闭环控制方案采用PID控制，在PID控制器中存在积分环节，那么阶跃输入信号引起的稳态误差为0。

控制器输出处扰动引入误差的传递函数表示为：

在控制系统及被控对象实际运行过程中，干扰为持续性的，从频域角度分析可知，可通过降低瞬态频率响应的峰值来降低干扰的影响。从上述对各个部件传递函数分析可以得到，增大系统开环增益可以降低干扰对控制系统控制精度的影响。

根据此，本实施例方法设计的控制系统中，对被控对象的低频谐振频带部分以单独的增益进行放大，增大低频谐振频带这一局部频带范围的增益，能够增大控制系统的开环增益，并且不增加控制系统的带宽。具体的，本实施例控制系统中由控制器输出的驱动信号存在的干扰引入误差的传递函数表示为：

其中，G(s)表示被控对象的传递函数，C(s)表示控制器的传递函数，H(s)表示输入器从传感器获取输出信号的传递函数，F表示被控对象的低频谐振频带，k表示对低频谐振频带部分的增益调整比例。

在实际应用中，在对控制系统设计过程中，确定对信号的低频谐振频带部分放大的增益系数的方法为：绘制所述被控对象的输出信号误差随控制器输出驱动信号存在干扰的频率响应曲线，根据该频率响应曲线确定出第一增益器对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带放大的增益系数。具体的，根据绘制出的被控对象的输出信号误差随控制器输出驱动信号存在干扰的频率响应曲线，确定对低频谐振频带部分放大的增益调整比例k的取值，从而确定出增益系数。在具体实施时，可以在控制系统设计时确定出增益系数，将增益系数写入到控制系统程序内。或者可以在控制系统及被控对象运行过程中实时地调整增益系数。

因此，本实施例控制系统设计方法所设计出的控制系统，通过对被控对象的低频谐振频带部分以单独的增益进行放大，增大低频谐振频带这一局部频带范围的增益，能够增大控制系统的开环增益，降低控制系统对干扰的响应，并且对控制系统带宽影响小，使得控制系统对高频干扰的响应影响小，应用于位移平台能够降低位移平台控制系统对干扰的响应，提高位移平台的定位精度。

进一步优选的，本实施例控制系统设计方法还包括：确定出所述被控对象的高频谐振频带。还包括步骤S23：设置第二滤波器，所述第二滤波器用于对控制器的输出进行滤波，从所述被控对象的输出信号的高频谐振频带部分截取信号幅值大于阈值的频率部分，获得这部分的最高峰值对应频率，并设置所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率，以使得获得的这部分最高峰值的对应频率位于所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率之间范围内。

使用第二滤波器15对控制器14输出的驱动信号进行滤波，具体的，第二滤波器15实时地将被控对象的输出信号转换到频域，从被控对象10的输出信号的高频谐振频带部分截取信号幅值大于阈值的频率部分，获得这部分的最高峰值对应频率。进一步，判断得到的这部分的最高峰值对应频率是否位于第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率之间范围内，若否，则设置第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率，以使得这部分的最高峰值对应频率位于第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率之间范围内。随着控制系统及被控对象长时间运行，控制系统会产生一定非线性使得谐振峰频率发生移动，本实施例控制系统通过设置第二滤波器对控制器输出的驱动信号进行滤波，实时监测被控对象的高频谐振频带并实时调整第二滤波器的滤波范围，从而达到抑制高频谐振的产生和移动，也有助于保持系统运行稳定。

以上对本发明所提供的一种控制系统及设计方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种控制系统，其特征在于，包括输入器、第一增益器、控制器和传感器；

所述输入器，用于获取指示控制被控对象执行相应动作的输入信号、获取所述传感器返回的所述被控对象的输出信号以及计算输入信号和输出信号的差异量并将得到的差异量信号传输到所述第一增益器；

所述第一增益器，用于对输入信号和输出信号的差异量信号放大，并将放大后的差异量信号传输到所述控制器，其中对差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数大于对其它频率部分放大的增益系数；

所述控制器，用于根据输入信号和输出信号的差异量信号进行闭环控制，向所述被控对象输出驱动信号以使得所述被控对象在所述驱动信号驱动下执行动作；

所述传感器，用于测量所述被控对象执行动作产生的输出信号；

由所述控制器输出的驱动信号存在的干扰引入误差的传递函数表示为：

其中，G(s)表示被控对象的传递函数，C(s)表示控制器的传递函数，H(s)表示输入器从传感器获取输出信号的传递函数，F表示被控对象的低频谐振频带，k表示对低频谐振频带部分放大的增益调整比例；

所述第一增益器具体用于通过调整k的取值而调整对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数；

还包括第二滤波器，用于对所述控制器的输出进行滤波，从所述被控对象的输出信号的高频谐振频带部分截取信号幅值大于阈值的频率部分，获得这部分的最高峰值对应频率，并设置所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率，以使得获得的这部分最高峰值的对应频率位于所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率之间范围内。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一增益器包括第一滤波器，所述第一滤波器用于从输入信号和输出信号的差异量信号中截取低频谐振频带部分，以对低频谐振频带部分放大。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一增益器还用于根据所述被控对象的输出信号误差，在线调整对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数。

4.一种控制系统设计方法，其特征在于，用于设计权利要求1-3任一项所述的控制系统，包括：

建立被控对象的物理系统模型并确定出所述被控对象的低频谐振频带；

根据所述被控对象的物理系统模型制定出用于所述被控对象的闭环控制方案；

确定出第一增益器对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数。

5.根据权利要求4所述的控制系统设计方法，其特征在于，建立被控对象的物理系统模型包括：

获取若干组所述被控对象的输入信号数据和输出信号数据，根据所述数据建立所述被控对象的物理系统模型，得到所述被控对象的传递函数以及所述输入器从所述传感器获取输出信号的传递函数。

6.根据权利要求4所述的控制系统设计方法，其特征在于，确定出第一增益器对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带部分放大的增益系数包括：绘制所述被控对象的输出信号误差随控制器输出驱动信号存在干扰的频率响应曲线，根据该频率响应曲线确定出第一增益器对输入信号和输出信号的差异量信号的低频谐振频带放大的增益系数。

7.根据权利要求4-6任一项所述的控制系统设计方法，其特征在于，还包括：确定出所述被控对象的高频谐振频带；

设置第二滤波器，所述第二滤波器用于对控制器的输出进行滤波，从所述被控对象的输出信号的高频谐振频带部分截取信号幅值大于阈值的频率部分，获得这部分的最高峰值对应频率，并设置所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率，以使得获得的这部分最高峰值的对应频率位于所述第二滤波器的低通截止频率和高通截止频率之间范围内。

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