CN1198224A - 一种含扰动预报器的控制装置、一种由这样一个控制装置控制的系统、一种由这样一个控制装置控制的电力拖动装置和一种装有这样一个拖动装置的节流装置 - Google Patents

Abstract

一种用来控制系统的一个第一状态变量的控制装置(75),例如控制一个内燃机中所用的一个节流装置中的一个节流阀(7)的一个旋转角Φ,该系统在运行期间受一个扰动变量的影响,例如受一个由节流装置中的气流振荡所产生的波动负载转矩的影响。该控制装置(75)包括:一扰动观测器(125),用来根据该系统的一个数学模型计算扰动变量值;和一扰动预报器(128),用来为一个第二瞬时点预报一个扰动变量值,该第二瞬时点以一个预定时间间隔跟随在一个第一瞬时点之后,扰动观测器(125)在该第一瞬时点计算所述值。这样,防止在扰动变量的高频的情况下在实际影响该系统的扰动变量和由该系统实现的对该扰动变量的补偿之间产生相移。在一个具体的实施例中,扰动预报器(128)包括一个具有一个学习阶段和一个测试阶段的人工神经网络(207)。在另一个实施例中,当神经网络(207)处于学习阶段时,扰动预报器(128)提供一个与由扰动观测器(125)所计算出的扰动变量值相对应的信号;当神经网络(207)处于测试阶段时,扰动预报器(128)提供一个与为第二瞬时点所预报的扰动变量值相对应的信号。

Description

一种含扰动预报器的控制装置、 一种由这样一个控制装置控制的系统、 一种由这样一个控制装置控制的电力拖动装置、 和一种装有这样一个拖动装置的节流装置

本发明涉及一种用来控制一个系统的一个第一状态变量的控制装置，该系统在运行期间受一个扰动变量的影响，该控制装置包括一个用来根据该系统的一个数学模型来计算扰动变量的扰动观测器，该扰动观测器具有至少一个用来接收与该系统的一个可测的第二状态变量相对应的一个输入信号的输入端和一个用来提供与在一个第一瞬时点计算出的扰动变量值相对应的一个输出信号的输出端。

本发明还涉及一种系统，该系统包括一个用来控制其一个第一状态变量的控制装置，该系统在运行期间受一个扰动变量的影响。本发明还涉及一种用来测量该系统的至少一个第二状态变量的测量装置。

本发明还涉及一种电力拖动装置，该装置包括一个第一拖动主体、一个绕一个旋转轴相对于第一拖动主体可转动一个旋转角的第二拖动主体、用来在该第二拖动主体上施加一个电磁转矩的电激励装置、和一个用来控制该第二拖动主体的旋转角的控制装置，所述控制装置包括一个输入端和一个输出端，该输入端用来接收一个与第二拖动主体的一个所需旋转角相对应的输入信号，该输出端用来提供一个与一个流过激励装置的所需电流相对应的输出信号。

本发明还涉及一种用于一个内燃机的一个进气口的节流装置，该节流装置包括一个节流阀壳体、一个可连接到进气口的气道、一个用轴安装于节流阀壳体内以便能在气道中绕轴转动的节流阀、和一个用来使节流阀绕轴转动的电力拖动装置。

在本说明书的开始的几个段落中所提到的各种装置和系统是由CIRP年刊第43卷1994年第一期所公开的H.Van Brussel等人所写的论文“基于一种延长极点配置法和一种扰动观测器的准确位移控制器设计”中公开的。该已知的控制装置是一种用来控制一个机床中驱动装置的位置的位移控制装置。在运行期间，所述驱动装置的位置受诸如存在于象轴承这样的机械界面中摩擦力和静摩擦力之类的内扰动变量和诸如产生于金属切削运行期间的剪切力之类的外扰动变量的影响。很难测量这样的扰动变量。该已知控制装置的扰动观测器用来根据驱动装置和机床的一个数学模型，即，根据一组描述受控系统的物理特性的一阶差分方程来计算扰动变量。把与所计算出的扰动变量值相对应的扰动观测器的输出信号传送给该已知控制装置的一个求和点，该求和点将所述扰动观测器的所述输出信号、一个由控制装置的一个前馈控制回路提供的前馈控制信号、和一个由控制装置的一个反馈控制回路提供的反馈控制信号加在一起。在这种方式下，反馈控制回路只需要补偿一个所计算出的扰动变量值与一个实际影响该系统的扰动变量值之间的一个偏差，从而通过该控制装置迅速补偿该扰动量。

这种已知控制装置和系统的一个缺点是，这种控制装置无法准确地补偿具有较高频率的波动扰动量，这是因为在由扰动观测器计算出扰动量的一个瞬时点和受控系统实际获得了对所计算出的扰动量进行补偿的另一个瞬时点之间有一个延迟时间，所述延迟时间由这种控制装置和系统的特性确定。由此，如果波动扰动量具有一个接近这种系统的谐振频率的频率，则该系统甚至产生谐振。由于所述延迟时间不仅由这种控制装置的特性确定，还由这种控制装置所控制的系统的特性确定，所以通过返回这种控制装置的控制回路并不能避免这种已知控制装置的所述缺点。

本发明的一个目的在于提供在本说明书的开始的几个段落中提到的各类装置和系统中的一种控制装置和一种系统，其中避免了已知控制装置和系统的上述缺点，从而用这种控制装置准确地补偿了具有较高频率的以及接近这种系统的谐振频率的频率的波动扰动量。

按照本发明，为此目的的控制装置的特征在于，将扰动观测器的输出信号传送给一个扰动预报器的输入端，该扰动预报器具有一个用来提供与一个为第二瞬时点预报的扰动变量值相对应的一个输出信号的输出端，该第二瞬时点以一个预定时间间隔跟随在第一瞬时点之后。

按照本发明，为此目的的系统的特征在于，其中所应用的控制装置是一个按照本发明的控制装置。

所述预定时间间隔与一个在第一瞬时点和另一瞬时点之间产生的延迟时间相对应，在第一瞬时点由扰动观测器计算出扰动变量值；在第二瞬时点系统实际获得在第一瞬时点所计算出的扰动变量值的补偿，所述延迟时间由控制装置和系统的特性确定。在这种方式下，由扰动预报器在第一瞬时点所预报的、并与在第二瞬时点处的扰动变量值相对应的扰动变量值对应于在第二瞬时点实际影响该系统的扰动变量值，从而由扰动预报器补偿控制装置和系统的延迟时间。这样，实际由系统获得的对扰动量的补偿基本上与实际影响系统的扰动量同相，从而使控制装置甚至在较高频率的扰动变量下、并且甚至当扰动变量具有一个接近该系统的谐振频率的频率时也能准确地补偿扰动变量。

按照本发明的一个控制装置的一个具体实施例，其特征在于，扰动预报器包括：一个人工神经网络，该人工神经网络具有：一个输入存储器，用来存储由扰动观测器在N个连续瞬时点直到并包括第一瞬时点处所计算出的N个扰动变量值(N≥4)；M个中间神经元(M≥4)，每个中间神经元提供N个所计算出的扰动变量值的一个加权值；和一个输出神经元，用来传送由中间神经元提供的M个加权值中的一个加权值，所述输出神经元的加权值与为第二瞬时点所预报的扰动变量值相对应。根据由扰动观测器在N个连续瞬时点直到且包括第一瞬时点处所计算出的N个扰动变量值，该人工神经网络为第二瞬时点预报扰动变量值。如果神经网络的N与M的数目足够多，例如为10个或更多，则甚至当该扰动变量具有一个复杂的谐波特性时，也可由扰动预报器对扰动变量作出非常准确的预报。

按照本发明的一个控制装置的一个具体实施例，其特征在于，扰动预报器装有一后向传播网络(backpropagation network)，该后向传播网络包括：一个输出存储器，用来存储为第二瞬时点所预报的扰动变量值；和一个比较器，用来确定在为第二瞬时点所预报的扰动变量值与由扰动观测器在第二瞬时点所计算出的扰动变量值之间的偏差，所述后向传播网络适用于用一个根据所述偏差对神经元的加权因子所作的计算来训练神经网络的神经元。训练神经网络的神经元，即，用例如一个梯度搜索法(gradient search method)来计算神经元的加权因子，其中以由神经网络为第二瞬时点所预报的扰动变量值和由扰动观测器在第二瞬时点所计算出的扰动变量值之间的偏差为依据。在这种方式下，当扰动变量的特性例如其频率或幅值变化时，神经元的加权因子也适当变化。因而，扰动预报器为一个自学习的鲁棒(robust)系统，当扰动变量的特性变化时，它也能以一个准确的方式预报扰动变量值。

按照本发明的一个控制装置的另一个实施例，其特征在于，神经网络包括K个输出神经元(K≥1)，用来分别提供为K个连续瞬时点直到且包括第二瞬时点所预报的K个扰动变量值，而后向传播网络对于每个输出神经元都包括一个分开的输出存储器和一个分开的比较器，该后向传播网络适用于根据由K个比较器所确定的K个偏差来训练神经网络的神经元。在控制装置的这个实施例中，根据由神经网络为所述K个连续瞬时点所预报的K个扰动变量值与由扰动观测器为所述K个连续瞬时点所计算出的K个扰动变量值之间的K个偏差来训练神经网络的神经元。如果K的数目足够多，则以一个有效的方式来训练神经元，从而使训练所需的时间间隔最小。

按照本发明的控制装置的又一个实施例，其特征在于，后向传播网络只有在所述偏差超过一预定限度时才适用于训练神经元。在控制装置的本实施例中，把由神经网络所预报的扰动变量值和与其相对应的由扰动观测器所计算出的扰动变量值连续地进行比较。由所述预定限度确定训练神经元所需的时间间隔，所述限度的一个较小的值导致一个较长的训练时间和一个对扰动变量所作的非常准确的预报，所述限度的一个较大的值导致一个较短的训练时间和一个对扰动变量所作的准确度较差的预报。

按照本发明的控制装置的一个具体实施例，其特征在于，扰动预报器包括一开关，该开关具有：一个第一输入端，用来接收扰动观测器的输出信号；一个第二输入端，用来接收与为第二瞬时点所预报的扰动变量值相对应的加权值；和一个输出端，连接到扰动预报器的输出端，如果偏差超过预定限度，则该输出端用来提供扰动观测器的输出信号，如果偏差低于所述限度，则所述开关的输出端用来提供一个与所述加权值相对应的信号。如果偏差低于所述限度，则扰动预报器提供一个与由神经网络所预报的扰动变量值相对应的信号。如果偏差超过所述限度，则神经网络处于一个学习阶段并提供一个输出信号，该输出信号可能影响控制装置的稳定性。由于在神经网络的学习阶段将开关的输出端连接到扰动观测器的输出端，所以该预报器的输出端将提供一个与由扰动观测器所计算出的扰动变量值相对应的信号。在这种方式下，防止了在神经网络的学习阶段期间预报器的输出端传送一个由神经网络提供的信号。

从WO95/34903中公开了在本说明书的开始的几个段落中提到的各类装置中的一种电力拖动装置和一种节流装置。该已知节流装置用于汽车的内燃机的一个进气口，并且可由汽车驾驶员通过加速踏板来调节，该已知的拖动装置用来通过在节流装置上施加一个适当的电磁转矩来拖动该节流装置的节流阀。该加速踏板并不与节流装置的节流阀机械联接，但是电力拖动装置设有一个电输入端，用来接收与节流装置的气道中的节流阀的一个所需旋转角相对应的电信号，所述电信号由例如一个电子电动机管理系统来提供，该电子电动机管理系统还控制内燃机的喷油和点火系统。用该电动机管理系统来调节节流装置的气道中的节流阀的旋转角，使它不仅作为加速踏板位置的一个函数，而且作为例如该内燃机的每分钟转数(r.p.m)、进气压力和温度、以及内燃机的温度的一个函数。这样，改善了内燃机的性能、燃料的消耗和废气的成分。

在运行期间，该已知节流装置的节流阀以及由此还有已知电力拖动装置的第二拖动主体承受主要由气流的振荡和涡流造成的波动扰动负载。另外，该节流阀和第二拖动主体还要承受由节流阀的轴承的机械摩擦力和第一拖动主体施加在第二拖动主体上的静磁力所造成的扰动负载。这些扰动负载组成一个扰动变量，该扰动变量影响节流阀的旋转角并且测量起来非常困难。所述气流振荡和涡流由内燃机的工作原理造成，尤其由于在运行期间周期性打开和关闭内燃机的燃烧室的进气阀的缘故，所述波动的频率与内燃机的速度成正比。所述波动导致不希望的气道中节流阀的绕轴振动，这些振动不只导致节流阀的轴承的磨损，而且导致气道中的节流阀的旋转角不准确，由此使得流向内燃机的燃烧室的气流不准确。

按照本发明，该电力拖动装置其特征在于，其中所用的控制装置是按照本发明的一个控制装置。

按照本发明，该节流装置其特征在于，其中所用的电力拖动装置是按照本发明的一个电力拖动装置。

该电力拖动装置的控制装置的扰动观测器和扰动预报器用来预报施加在节流阀上的扰动负载。在这种方式下，可实现该电力拖动装置将一个补偿电磁转矩施加在节流阀上，该补偿电磁转矩基本上与施加在节流阀上的扰动负载同相，从而使该控制装置甚至在较高的扰动负载的频率下，即，在较高的内燃机的速度下，并且甚至在扰动负载具有一个接近节流装置的谐振频率的频率时，准确地补偿扰动负载。

按照本发明的一个电力拖动装置的一个具体的实施例，其特征在于，控制装置包括：一个第一控制部分，它具有一个用来接收与所需旋转角相对应的输入信号的输入端和一个用来提供与所需施加在第二拖动主体上的电磁转矩相对应的信号的输出端；和一个第二控制部分，它具有一个用来接收与所需电磁转矩相对应的信号的输入端和一个用来提供与所需电流相对应的输出信号的输出端，其中第一控制部分包括扰动观测器和扰动预报器，扰动观测器计算一个施加在第二拖动主体上的负载转矩。在本实施例中的电力拖动装置的控制装置，设有一个所谓的串级控制结构，其中第一控制部分用来对所需电磁转矩进行具体的计算，其中考虑到电力拖动装置的机械特性和由扰动预报器所预报的扰动负载转矩；而第二控制部分用来对所需的电流进行具体的计算，其中考虑到拖动装置的电磁特性。由于一方面考虑到电力拖动装置的机械特性和负载转矩，另一方面考虑到电力拖动装置的电磁特性，所以以一个较具体并且详细的方式来考虑关于电力拖动装置的这些特性的内容，从而使对第一和第二控制部分的计算较为准确，并且在第一和第二控制部分之间的协调运行非常有效。这限定了迭代计算的次数，在达到一个所需旋转角之前必需由这些控制部分来进行迭代计算。

按照本发明的一个电力拖动装置的一个具体的实施例，其特征在于，第一控制部分包括一个加法器，该加法器包括：一个输出端，用来提供一个与所需电磁转矩相对应的信号；一个第一输入端，用来接收一个由与所需旋转角相对应的输入信号所确定的前馈控制信号；一个第二输入端，用来接收由与所需旋转角相对应的输入信号和一个由一旋转角传感器提供、与第二拖动主体的一个所测量过的旋转角相对应的信号所共同确定的一个反馈控制信号；和一个第三输入端，用来接收扰动预报器的输出信号。通过将所述前馈和反馈控制信号加在一起，来获得对所需电磁转矩的一个快速、准确的计算和控制。将扰动预报器的输出信号加到前馈和反馈控制信号中使得不必在控制装置的反馈控制回路中计算反馈控制信号，以便包括所需用来补偿扰动负载转矩的电磁转矩分量。这改善了所需的反馈控制回路的收敛时间，并由此还改善了控制装置的响应时间。

按照本发明的一个电力拖动装置的再一个实施例，其特征在于，控制装置包括一个比较器，该比较器具有：一个第一输入端，用来接收与所需电流相对应的信号；一个第二输入端，用来接收由一个电流传感器提供、与一个所测量过的流过所述激励装置的电流相对应的信号；和一个输出端，用来提供一个差分信号，该差分信号与对应于所需电流的信号和对应于所测量过的电流的信号之间的偏差成正比，该控制装置还包括一个调节器，该调节器具有一个用来接收所述差分信号的输入端和一个用来提供与一要输送给所述激励装置的电流相对应的信号的输出端。所述比较器、电流传感器和调节器包括在控制装置的一个电流控制回路之中。所述调节器确定与输送给激励装置的电流相对应的信号以使所述差分信号等于零，从而使所测量的流过激励装置的电流准确地等于由控制装置所确定的所需电流。

按照本发明的一个电流拖动装置的又一个实施例，其特征在于，扰动观测器具有一个用来接收与所测量过的电流相对应的信号的输入端，该扰动观测器根据该拖动装置的三个状态方程来计算第二拖动主体的旋转角、角速度和负载转矩。由电流传感器提供与所测量过的电流相对应的信号，该电流传感器用于控制装置的电流控制回路。由于控制装置包括一个电流控制回路，所以由电流控制回路而不是由施加在激励装置上的电压来控制流过电力拖动装置的激励装置的电流值。由此，由电流控制回路来规定流过激励装置的电流值，从而使作为扰动观测器的基础的电力拖动装置的数学模型能够省去一个常用的关于电流作为施加电压的函数的差分方程。由于数学模型仅包括了三个状态方程的缘故，所以扰动观测器较简单并且适于在线计算。

按照本发明的一个电力拖动装置的一个具体的实施例，其特征在于，扰动观测器包括：另一个输入端，用来接收与所测量过的旋转角相对应的信号；一个比较器，用来确定测量过的旋转角和所计算出的旋转角之间的偏差；和一个加法器，用来通过与所述偏差成正比的值来校正所计算出的旋转角、所计算出的角速度、和所计算出的负载转矩。在本实施例中，用一个反馈回路来校正由扰动观测器所计算出的旋转角的值、角速度的值和负载转矩的值中的不准确度和由作为扰动观测器的基础的数学模型的不准确度所造成的旋转角的值、角速度的值和负载转矩的值中的不准确度。该校正过的旋转角是所述偏差和第一加权因子的乘积与所计算出的旋转角之和，该校正过的角速度是所述偏差与第二加权因子的乘积与所计算出的角速度之和，该校正过的负载转矩是所述偏差与第三加权因子的乘积与所计算出的负载转矩之和，通过一个所谓的极点配置(pole-placement)法来确定第一、第二和第三加权因子。

以下将参照附图来更详细地说明本发明，其中

图1示意表示出按照本发明的一个节流装置，该装置用于内燃机的一个进气口；

图2a是按照本发明的一个电力拖动装置的一个剖面图，该电力拖动装置用于图1中的节流装置，处于一个未被激励状态；

图2b表示出处于一个激励状态的图2a中的电力拖动装置；

图3示意表示出按照本发明的一个控制装置，该控制装置用于图2a中的电力拖动装置；

图4a表示出发动机的一个电动机管理系统所需的电力拖动装置的一个旋转角—时间曲线；

图4b表示出由图3中的控制装置的一个曲线发生器所产生的一个旋转角—时间曲线；

图4c表示出一个与图4b中的旋转角—时间曲线相对应的一个角加速度—时间曲线；

图5示意表示出图3中的控制装置的一个扰动观测器；

图6a示意表示出图3中的控制装置的一个扰动预报器；

图6b示意表示出图6a中的扰动预报器的一个单独的中间神经元；

图7示意表示出一个包括按照本发明的一个控制装置的发电设备。

按照图1中所示本发明的节流装置包括一个具有一管状气道3和一法兰5的节流阀壳体1，利用它，可将节流装置连接到图中未示的一个内燃机的一个进气口或进气管上。该节流装置还包括一个盘型节流阀7，它被安装在沿径向延伸穿过气道3的一个轴9上。将轴9以可绕轴转动的方式装在节流阀壳体1的法兰5中，从而节流阀7在气道3中可绕轴转动。当使节流阀7绕轴转动时，就改变了气道3的孔径和流向内燃机的燃烧室的气流量。

利用一个电力拖动装置11，使节流阀7在气道3中可绕轴转动，该电力拖动装置11包括一个第一拖动主体13和一个第二拖动主体17，将第一拖动主体13安装于节流阀壳体1的一个拖动壳体15中，第二拖动主体17安装于轴9上，并且如图2a和2b所示，包括一个圆柱型永磁转子部分19，它被沿径向磁化，并具有一个北极N和一个南极S。第一拖动主体13包括一个U型定子部分21，它由一种具有高磁导率的材料制成，例如烧结铁，或由一种磁钢叠片制成。该U型定子部分21包括两个主极铁心23、25，它们与一个极身27相互连接。该电力拖动装置11还包括一个含一电绕组31的激励装置29，该绕组31由极身27固定支承。定子部分21的每个主极铁心23、25都配备有极靴33、35，每个极靴33、35都有曲面37、39。如图2a和2b所示，极靴33、35的弯曲表面37、39绕在永磁转子部分19周围，表面37确定了转子部分19与极靴33之间的一个气隙41，表面39确定了转子部分19与极靴35之间的一个气隙43。还有，把第一间隙45和第二间隙47设于极靴33、35之间，而将第一槽49设在极靴33的表面37的中央，将第二槽51设在极靴35的表面39的中央。这样，把表面37分为一个第一表面部分53和一个第二表面部分55，把表面39分为一个第一表面部分57和一个第二表面部分59，而把气隙41分为一个第一气隙部分61和一个第二气隙部分63，把气隙43分为一个第一气隙部分65和一个第二气隙部分67。如图2a和2b所示，沿径向相对的气隙部分61、67的宽度小于沿径向相对的气隙部分63、65的宽度。

由于气隙部分61、67的宽度小于气隙部分63、65的宽度，所以通过第一拖动主体13在第二拖动主体17上施加了一个静磁转矩T_MS，当未激励电绕组31时，迫使图2a中所示的第二拖动主体17进入一个静止位置。为增大静磁转矩T_MS，可以把在图2a和2b中用虚线所指的辅助永磁体69安装在极靴33的第一表面部分53中或安装在极靴35的第二表面部分59中。当对电绕组31进行激励时，在第二拖动主体17上施加一个电磁转矩T_EM，且第二拖动主体17绕轴从图2a中所示的静止位置转向图2b中所示的一个位置，该位置的特征在于，相对于该静止位置有一个第二拖动主体17的旋转角φ。如果无外力施加在节流阀7上，则在图2b中所示的位置处，电磁转矩T_EM等于静磁转矩T_MS。当切断流过绕组31的电流时，在静磁转矩T_MS的影响下，第二拖动主体17和节流阀7将再次返回它们的静止位置。通过流过电绕组31的电流来确定在图2b中所示位置处的旋转角φ的值，通过用以下将要描述的方式对流过绕组31的电流进行的调节，使该旋转角φ的值可调。

注意到，图2a中所示的电力拖动装置11的静止位置并不完全与第二拖动主体17和节流阀的一个位置相对应，在这个位置处，施加在第二拖动主体17上的静磁转矩T_MS为零。如图1所示，节流装置还包括一个机械挡块71，第二拖动主体包括一个凸轮73，当未激励绕组31时，凸轮73靠在挡块71上。由于凸轮73靠在挡块71上的第二拖动主体17的静止位置与静磁转矩T_MS为零的第二拖动主体17的一个位置稍有不同，所以在静磁转矩T_MS，O的影响下，凸轮73靠在挡块71上。如图1所示，该静止位置与一个所谓的气道3中节流阀7的准静止(limp-home)位置相对应，该准静止位置与一个所谓的节流阀7的空载位置稍有不同，在该空载位置处气道的孔径最小。而在节流阀7的准静止位置处，例如，当节流装置的电源发生故障时，气道3的孔径使一股小气流流向内燃机的燃烧室，从而仍可能进行该内燃机的应急运行。挡块71是机械可调的，从而使在节流阀7的准静止位置处流过气道3的气流可调。在节流阀7的其它位置处，包括在空载位置和全节流位置处——在这两处的气道3的孔径分别为最小和最大，有电流流过绕组31。

如图1所示，电力拖动装置11还包括一个电气控制装置75，通过该控制装置75来控制节流阀7的旋转角φ。图3中表示出该控制装置75，该控制装置75包括：一个电输入端77，用来接收一个电信号u_φ，该电信号u_φ与第二拖动主体17和节流阀7的一个所需旋转角φ相对应；和一个电输出端79，用来提供一个电信号u_C，该电信号u_C确定一股流过拖动装置11的激励装置29的电流。信号u_φ由内燃机的一个电子电动机管理系统来提供，在附图中没有表示出该系统，该电动机管理系统不仅将信号u_φ的值确定为一个由一个驾驶员操作的加速踏板的位置函数，而且将其确定为一个其它参数的函数，例如，内燃机的每分钟转数(r.p.m)、进气口气体的压力和温度、以及内燃机的温度等等。还有，在内燃机的一个冷起动期间和之后，该电动机管理系统控制该内燃机的空载速度，从而使常用的空气分流(air-bypass)系统不再必需。该电动机管理系统还控制内燃机的喷油和点火装置。这样，内燃机的喷油、点火和节流装置的工作相互协调，从而改善了内燃机的性能、燃料损耗与废气的成分。

还是如图3所示，控制装置75包括一个第一控制部分81和一个第二控制部分83。该第一控制部分81包括控制装置75的电输入端77和一个用来提供一个电信号u_EM的电输出端85，该信号u_EM与要被施加在第二拖动主体17上的一个所需的电磁转矩T_EM相对应。该第二控制部分83包括一个用来接收来自第一控制部分81的信号u_EM的电输入端87和一个用来提供一个电信号u_I的电输出端88，该信号u_I与一个流过激励装置29的电流所对应。

如图3所示，第一控制部分81包括一个曲线发生器89，它具有一个用来接收信号u_φ的第一电输入端91和一个用来接收电信号u_φφ的第二电输入端93，信号u_φφ与第二拖动主体17和节流阀7的一个所测量的旋转角相对应。由节流装置的旋转角传感器95经一常用高频滤波器97来传送信号u_φφ。如图1所示，将旋转角传感器95安装于节流阀壳体1上，靠近轴9远离电力拖动装置11的那一端。曲线发生器89产生一个旋转角相对于时间的曲线，该曲线从一个所测的实际旋转角φ_M延伸到所需的旋转角φ_R。图4a表示出电动机管理系统所需的一个旋转角相对于时间的曲线的一个例子，其中在瞬时点t₀处，所需旋转角从φ_M突变到φ_R。这样一个曲线无法由电力拖动装置11来获得，因为这样所需的电磁转矩为无限大。图4b表示出由曲线发生器89产生的一个旋转角—时间曲线，其中旋转角在瞬时点t₀和t₁间从φ_M平滑过渡到φ_R。图4c表示出一个与图4b的旋转角—时间曲线相对应的一个角加速度—时间曲线。曲线发生器89包括一个第一电输出端99，用来提供一个前馈控制信号u_FF，它是根据角加速度—时间曲线所需的一个角加速度和节流装置的可绕轴转动部分的一个转动惯量的乘积。所以，信号u_FF与获得所述角加速度的所需电磁转矩分量相对应。该曲线发生器89还包括一个第二电输出端101，用来提供一个电参考信号u_φR，它与由曲线发生器89所产生的旋转角—时间曲线相对应。这样，通过曲线发生器89，可把由电动机管理系统提供的信号u_φ的一个瞬时突变转换为前馈控制信号u_FF和参考信号u_φR的曲线，它们是可获得的，这不仅是由于电力拖动装置11的动态特性的缘故，也是由于该拖动装置11的可控性的缘故。

还是如图3所示，第一控制部分81包括一个带有第一电输入端105和第二电输入端107的比较器103，第一电输入端105用来接收信号u_φφ，第二电输入端107用来接收参考信号u_φR。比较器103包括一个电输出端109，它提供一个与信号u_φφ和u_φR之间的偏差成正比的差分信号u_Dφ。将该差分信号u_Dφ传送给一个PID调节器113的一个电输入端111，该PID调节器还包括一个用来提供反馈控制信号u_FB的电输出端115。

将前馈控制信号u_FF和反馈控制信号u_FB分别传送给第一控制部分81的一个电加法器121的第一电输入端117和第二电输入端119。如图3所示，加法器121还包括一个用来接收一电信号u_PLT的第三电输入端123，该电信号u_PLT与一个所预报的、施加在节流阀7和第二拖动主体17上的负载转矩T_LP相对应。在运行期间，节流阀7和第二拖动主体17不仅承受上述的电磁转矩T_EM和静磁转矩T_MS，还承受其它转矩，例如，由轴9的轴承的摩擦力产生的转矩、和由通过气道3的气流施加在节流阀7上的气流力产生的转矩等。节流装置由此构成一个系统，其中，一个第一状态变量——即节流阀7的旋转角φ，受一个扰动变量——即包括静磁转矩T_MS、摩擦力所产生的转矩、和气流力所产生的转矩的负载转矩的影响。所述第一状态变量的值由控制装置75来控制，该控制装置75调节电力拖动装置11的电磁转矩T_EM。由于不能直接测量所述负载转矩，或是测量起来相当困难，所以控制装置75的第一控制部分81包括一个所谓的扰动观测器125，用来根据节流装置和电力拖动装置11的一个数学模型来计算扰动变量，即，计算施加在第二拖动主体17和节流阀7上的负载转矩。以下将详细描述的扰动观测器125包括一个电输出端126，用来提供与由扰动观测器125在第一瞬时点计算出的负载转矩值相对应的电信号u_CLT。将所述信号u_CLT传送给扰动预报器128的一个电输入端127。以下亦将详细描述的扰动预报器128包括一个电输出端129，用来提供与为一第二瞬时点预报的一个负载转矩值相对应的信号u_PLT，该第二瞬时点以一个预定时间间隔跟在所述第一瞬时点之后。以下亦将说明使用扰动预报器128的原因。

加法器121包括一电输出端131，用来提供与所需施加在第二拖动主体17上的电磁转矩相对应的电信号u_EM。信号u_EM为信号u_FF、u_FB和u_PLT的数学和。这样，所需电磁转矩T_EM是为获得所需节流阀7的角加速度所需要的电磁转矩分量、为补偿所预报的负载转矩所需要的一个电磁转矩分量、和由信号u_FB代表的一个反馈电磁转矩分量之和。PID调节器113确定信号u_FB以使差分信号u_Dφ等于零，从而所测量的节流阀7的旋转角能根据由曲线发生器89所产生的旋转角—时间曲线准确改变。由于比较器103如通常那样不确定信号u_φφ与u_φ之间的偏差，但确定信号u_φφ与u_φR之间的偏差，所以PID调节器113对信号u_FB的控制非常稳定，从而不会出现PID调节器通常有的的卷紧(wind-up)现象和动态超调。另外，由于使用了加法器121，使PID调节器113对信号u_FB的控制非常快。由于将信号u_FF和u_PLT加到信号u_FB上，所以PID调节器113不必计算用来获得节流阀7的所需角加速度所需的电磁转矩分量和用来补偿所预报的负载转矩所需的电磁转矩分量。用一个反馈控制回路中的一个PID调节器对这些电磁转矩分量作计算需要几个调节器采样次数，次数越多，则静磁转矩T_MS和旋转角φ之间的关系的非线性度越大，从而控制装置75的响应时间会变坏，并会增加PID调节器的不稳定性的危险。由于采用加法器121，PID调节器113只需计算所预报的负载转矩和一个实际影响节流阀7和第二拖动主体17的负载转矩之间一个相对较小的偏差。由此改善了控制装置75的响应时间和准确性。

如图3所示，第一控制部分81还包括一个电限幅器133，当信号u_EM超过一预定极限值时，用限幅器133对信号u_EM限幅。以这样一种方式来确定信号u_EM的所述极限值，即，施加在第二拖动主体17和节流阀7上的电磁转矩决不会超过一个预定的最大转矩值。这样，既避免了电力拖动装置11的机械损坏或运行故障，又避免了激励装置29过热。当加法器121所传送的信号u_EM超过了所述预定极限值时，用限幅器133将信号u_EM的值调到所述极限值。

还是如图3所示，控制装置75的第二控制部分83包括一个电存储器135，该电存储器135带有一个用来接收来自第二控制部分83的输入端87的信号u_EM的第一电输入端137、一个用来接收来自旋转角传感器95的信号u_φφ的第二电输入端139、和一个用来提供电信号u_I的电输出端141，该信号u_I与所需用来获得所需电磁转矩T_EM的流过激励装置29的电绕组31的电流相对应。电磁转矩T_EM的值取决于第二拖动主体17的旋转角φ和流过绕组31的电流值。电磁转矩T_EM、旋转角φ和流过绕组31的电流之间的关系取决于第一与第二拖动主体13、17和激励装置29的结构与组成。计算或测量所述关系，并以一个表格的形式将其存入存储器135中。这样，以一个准确而简单的方式从存储器135中读出用来获得一个所测的旋转角处的一个所需电磁转矩的所需电流值，基本上无延迟。注意到，用常用的计算器计算所需的电流需要一定的时间，时间越长，则电磁转矩、旋转角和电流之间的关系的非线性度越大。如果采用存储器135，则用PID调节器113和加法器121一起所获得的控制装置75的短响应时间就不会受第二控制装置83的影响。

控制装置75还包括一个比较器143，该比较器143具有一个第一电输入端145、一个第二电输入端147和一个电输出端149，其中第一电输入端145用来接收来自第二控制部分83的输出端88的信号u_I，第二电输入端147用来接收对应于一个所测量的流过激励装置29的电流的一个电信号u_II，电输出端149用来提供一个和信号u_I与u_II之间的偏差成正比的差分信号u_DI。由一个电流传感器151经一个常用的高频滤波器153来传送信号u_II。电流传感器151测量由电力拖动装置11的功率末级155传送到激励装置29的电流。在图3中，仅示意地表示出电流传感器151和功率末级155。另外，控制装置75包括一PI调节器157，它具有一个用来接收差分信号u_DI的电输入端159和一个用来提供一个电信号u_I’的电输出端161，该电信号u_I’对应于要由功率末级155传送到激励装置29的电流。PI调节器157确定信号u_I’，使差分信号u_DI等于零，从而使由功率末级155传送到激励装置29的所测量的电流等于由第二控制部分83所确定的所需电流。

还是如图3所示，从例如一个电池输送给电力拖动装置11的功率末级155一个恒定的电压。功率末级155包括：四个NPN晶体管，即，两个上晶体管163、165和两个下晶体管167、169；和两个电反相器171、173。晶体管163、165、167、169和反相器171、173相互连接成一个常用的桥式结构。通过控制装置75的脉宽调制器175以一个常用的方式来驱动晶体管163、165、167、169，该脉宽调制器175包括一个用来接收PI调节器157传送来的信号u_I’的第一电输入端177和一个用来接收电流传感器151传送来的信号u_II的第二电输入端179。将脉宽调制器175的一个第一输出端181连接到下晶体管167的基极，并经反相器171连接到上晶体管163的基极，而将脉宽调制器175的一个第二输出端183连接到下晶体管169的基极，并经反相器173连接到上晶体管165的基极。信号u_I’由脉宽调制器175分别转换成脉宽调制器175的第一和第二输出端181和183上的互补脉冲驱动信号u_C和-u_C。根据驱动信号u_C和-u_C的极性，使下晶体管167和上晶体管165打开，由此使激励装置29中的电流沿一个方向流动，或使下晶体管169和上晶体管163打开，由此使激励装置29中的电流沿相反方向流动。该脉宽调制器175还包括一电限幅器，当电流传感器151所传送的信号u_II超过了一个预定的极限值时，该限幅器可限制驱动信号u_C和-u_C的脉冲宽度。这样，将流过绕组31的电流的脉冲宽度限定在一个值，考虑到激励装置29的热特性，该值应是可实现的。这样，可以避免绕组31中的过流，过流可导致激励装置29和电力拖动装置11过热。

上述控制装置75具有一个所谓的串级控制结构，按照该结构，首先将对应于一个所需旋转角的信号u_φ转换成对应于一个所需角加速度的一个信号，接着将对应于所需角加速度的信号转换成对应于一个所需电磁转矩的一个信号u_EM，最后将对应于所需电磁转矩的信号u_EM转换成对应于一个所需流过激励装置29的电流的一个信号u_I。如上所述，该具有第一和第二控制部分81、83的准确的串联控制结构便于对所需电磁转矩T_EM进行具体的计算，该计算考虑到电力拖动装置11的机械特性和由扰动预报器128所预报的扰动负载转矩；并且该结构便于对所需的电流进行具体的计算，该计算考虑到拖动装置11的电磁特性。该准确的串级控制结构导致的控制装置75的响应时间比普通且常用的控制结构的响应时间短，按照这种普通且常用的控制结构，用一个反馈控制回路以迭代的方式来计算所需电流，而不用或仅用很少的中间控制级。所述普通且常用的控制结构会需要进行大量的迭代运算，尤其因为所需电流和旋转角之间的关系的非线性度很大，所以会导致响应时间长。

如上所述，扰动观测器125用来根据节流装置和电力拖动装置的一个数学模型来计算施加在第二拖动主体17和节流阀7上的负载转矩，从而避免了对负载转矩进行的一个困难且不可靠的测量。作为扰动观测器125的依据的数学模型基于如下所列的一组三个一阶差分方程：

J.dω/dt＝k(φ).I_ACT-T_LOAD[1]

ω＝dφ/dt[2]

dT_LOAD/dt＝0[3]

方程式[1]是节流阀7和第二拖动主体17的一个运动方程，其中J为节流装置的可绕轴转动部分的转动惯量，ω为节流装置的可绕轴转动部分的角速度，k(φ).I_ACT为施加在第二拖动主体17上的电磁转矩T_EM，k(φ)为一个取决于旋转角φ的系数，I_ACT为流过激励装置29的电流，T_LOAD为施加在节流阀7和第二拖动主体17上的负载转矩。方程式[2]描述了节流阀7的角速度ω和旋转角φ的关系。方程式[3]包括一个对负载转矩的一个简化的假设，即负载转矩恒定。

由于流过激励装置29的电流值I_ACT是由控制装置75的PI调节器157确定的，而不是由输送给电力拖动装置11的功率末级155的电压来确定的，所以作为扰动观测器125的依据的数学模型可省去第四差分方程，该方程描述的应是流过激励装置29的电流和施加在激励装置29上的电压之间的关系。如图3所示，扰动观测器125具有一个第一电输入端185，用来接收电流传感器151传送的并与所测量的流过激励装置29的电流相对应的信号u_II。该扰动观测器125根据输入信号u_II和以上所给出的三个差分方程[1]、[2]和[3]来计算旋转角φ、角速度ω和负载转矩T_LOAD。由于作为扰动观测器125的依据的数学模型仅包括三个一阶差分方程，所以扰动观测器125对于在线计算来说较简单且适用。

这组方程[1]、[2]和[3]以一个矩阵的形式如下表示： $\left[\begin{array}{c}\mathrm{d\φ}/\mathrm{dt}\\ \mathrm{d\ω}/\mathrm{dt}\\ d{T}_{\mathrm{LOAD}}/\mathrm{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ 0& 0& -1/J\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\φ}\\ \mathrm{\ω}\\ T_{\mathrm{LOAD}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 1/J\\ 0\end{array}\right]\·k\left(\mathrm{\φ}\right).I_{\mathrm{ACT}}$

另外，扰动观测器125以下列离散方程为基础：

φ_K+1＝φ_K+T.ω_K+T²/2J.k(φ).I_ACT-T²/2J.T_LOAD，k

ω_K+1＝ω_K+T/J.k(φ).I_ACT-T/J.T_LOAD，k

其中，φ_K+1和ω_K+1为扰动观测器125在一瞬时点K+1处所计算的旋转角和角速度的值；φ_K、ω_K和T_LOAD，K为扰动观测器125在一瞬时点K处所计算的旋转角、角速度和负载转矩的值；和T为瞬时点K与K+1之间的一个时间间隔。用这些离散方程，如下表示矩阵形式的这组方程[1]、[2]和[3]：

X_K+1＝Φ.X_K+H.k(φ).I_ACT；

其中 $X_K=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_K\\ {\mathrm{\ω}}_K\\ T_{\mathrm{LOAD}\·K}\end{array}\right];X_{K+1}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_{K+1}\\ {\mathrm{\ω}}_{K+1}\\ T_{\mathrm{LOAD}\·K+1}\end{array}\right];$

向量X_K和X_K+1是瞬时点K和K+1的状态向量，矩阵Φ是系统矩阵，矩阵H是输入矩阵。 $\mathrm{\Φ}=\left[\begin{array}{ccc}1& T& T^2/2J\\ 0& 1& -T/J\\ 0& 0& 1\end{array}\right];H=\left[\begin{array}{c}{T}^2/2J\\ T/J\\ 0\end{array}\right].$

在扰动观测器125中以一个计算机程序的形式来实现方程[1]、[2]和[3]。图5示意地表示出一组代表计算机程序的功能块的形式下的扰动观测器125。如上所述，扰动观测器125包括一个第一电输入端185，用来接收相应于所测量的流过激励装置29的电流I_ACT的信号u_II。另外，扰动观测器125包括一个第二电输入端187，用来接收相应于所测量的旋转角的信号u_φφ。扰动观测器125按下述方式使用信号u_φφ。还是如图5所示，扰动观测器125包括一个第一功能块189，用来用一个代表系数K(φ)的一个平均值的常系数K乘以值I_ACT。另一方面，功能块189可以包括例如一个K(φ)与φ之间的表格形式的关系，在这种情况下，功能块189包括一个用来接收输入信号u_φφ的输入端191。图5中，这另一个输入端191用一虚线表示。扰动观测器125还包括一个第二功能块193，用来用值K·I_ACT或用值K(φ)·I_ACT乘以输入矩阵H，该功能块193的输出代表向量H·K(φ)·I_ACT。扰动观测器125还包括一个第三功能块195，用来把向量H·K(φ)·I_ACT和一个以下将要描述的向量X_CORR相加，该第三功能块195的输出代表新的状态向量X_K+1。另外，扰动观测器125包括一个第四功能块197，用来将新的状态向量X_K+1的分量T_LOAD，K+1传送给扰动观测器125的输出端126。还有，第四功能块197将状态向量X_K+1输入到一个第五功能块199，该第五功能块199用系统矩阵Φ乘以状态向量X_K+1。第五功能块199的输出代表值Φ·X_K。

如上所述，扰动观测器125根据方程组[1]、[2]和[3]来计算旋转角φ、角速度ω和负载转矩T_LOAD的值。由于还用旋转角传感器95来测量旋转角φ的值，所以可用所测量的旋转角的值来校正作为扰动观测器125的数学模型的不准确度和方程[1]、[2]和[3]的离散方程的不准确度。为此，扰动观测器125包括一个第六功能块201，用来对由输入信号u_φφ所表示的所测量的旋转角的值和由第四功能块197所传送的计算出的旋转角的值φ_K+1进行比较。第六功能块201的输出值Δφ对应于所述所测量的旋转角与所述计算出的旋转角之间的偏差，并将该输出值Δφ输入一个第七功能块203，该功能块203用值Δφ乘以一个校正矩阵L。该校正矩阵L包括一个第一加权因子L₁、一个第二加权因子L₂、和一个第三加权因子L₃，它们分别用来校正计算出的旋转角的值、计算出的角速度的值和计算出的负载转矩的值，用一个人们公知的且本身常用的所谓极点配置法来确定所述的加权因子。将第七功能块203的输出向量L·Δφ输入扰动观测器125的一个第八功能块205，它用来把第七功能块203的输出向量L·Δφ和向量Φ·X_K相加。这样，如下表示第八功能块205的输出向量X_CORR：

X_CORR＝Φ·X_K+L·Δφ；

其中 $L=\left[\begin{array}{c}{L}_1\\ L_2\\ L_3\end{array}\right]$

所以，如下表示新的状态向量X_K+1：

X_K+1＝Φ·X_K+H·K(φ)·I_ACT+L·Δφ

如上所述，扰动观测器125提供一个电信号u_CLT，该信号u_CLT对应于扰动观测器125在一个第一瞬时点计算出的负载转矩的一个值。如果控制装置75未配备扰动预报器128，则还要用控制装置75的第一控制部分81和第二控制部分83来处理电信号u_CLT，并且最终用电力拖动装置11将该电信号u_CLT转换成补偿所计算出的负载转矩的一个电磁转矩分量。因为控制装置75处理信号u_CLT需要一段时间，而电力拖动装置11产生补偿所计算出的负载转矩的所需电磁转矩分量需要另一段时间，所以将会在第一瞬时点和另一瞬时点之间产生一段延迟时间，扰动观测器125在该第一瞬时点计算负载转矩，电力拖动装置11会在该另一瞬时点实际获得补偿由扰动观测器125在第一瞬时点计算出的负载转矩的电磁转矩分量。如果负载转矩是一具有一个较高频率的波动负载转矩，则会在该波动负载转矩和补偿由扰动观测器125计算出的负载转矩的电磁转矩分量之间产生一个较大的相移，从而不能用电力拖动装置11正确地补偿该波动负载转矩。如果该波动负载转矩具有一个与第一瞬时点和所述另一个瞬时点之间的延迟时间相等的循环时间，则节流阀7甚至会发生谐振。在按照本发明的节流装置中，通过气流振荡和由于内燃机的工作原理、尤其由于在运行期间周期性打开和关闭内燃机的燃烧室的进气阀的缘故所产生的涡流，产生具有较高频率的波动负载转矩。所述气流振荡将导致不希望的气道3中节流阀7的绕轴振荡位移。

如上所述，控制装置75的扰动预报器128提供一个输出信号u_PLT，该信号u_PLT对应于为一个第二瞬时点所预报的负载转矩的一个值，该第二瞬时点以一个预定时间间隔紧跟在第一瞬时点之后。所述预定时间间隔对应于产生于第一瞬时点与所述另一瞬时点之间的延迟时间，扰动观测器125在该第一瞬时点计算负载转矩的值，如果控制装置75未配备扰动预报器128，则电力拖动装置11会在所述另一瞬时点实际获得补偿由扰动观测器125在第一瞬时点计算出的负载转矩的电磁转矩分量。这样，扰动预报器128通过提供输出信号u_PLT来补偿所述延迟时间，该输出信号u_PLT通过与所述延迟时间相对应的预定时间间隔来预报扰动预报器128的输入信号u_CLT。因而，补偿由扰动观测器125所计算出的负载转矩的电磁转矩分量基本上与实际施加在节流阀7和第二拖动主体17上的负载转矩同相，从而使电力拖动装置11甚至在负载转矩的高频情况下，即，在内燃机的高每分钟转数(r.p.m)下准确地补偿负载转矩。

如图6a所示，扰动预报器128包括一人工神经网络207，在扰动预报器128中以一个计算机程序的形式来实现该网络。图6a表示出代表所述计算机程序的一些功能块形式下的扰动预报器128。该神经网络207包括一输入存储器209，该存储器209含十一个存储位置Z⁰、Z^-1、……、Z^-10，它们用来存储十一个由扰动观测器125在十一个连续瞬时点(直到并包括第一瞬时点t₀)处所计算出的负载转矩值。在第一瞬时点t₀处，将最后一个由扰动观测器125计算出的负载转矩值存入存储位置Z⁰，而将所计算出的负载转矩的每个更早的值向下存入一个紧接着的存储位置Z^-1、……、Z^-10。该神经网络207还包括十一个中间神经元213的一层211。每个中间神经元213从输入存储器209接收十一个所计算出的负载转矩值，为简单起见，在图6a中用单独一条线215表示输入存储器209和中间神经元213之间的连接关系。图6b表示出一个单独的中间神经元213。如图6b所示，每个中间神经元213都包括十一个用来用一个加权因子乘以十一个所计算出的负载转矩值的功能块W₀、W₁、……、W₁₀，和一个用来将十一个由功能块W₀、W₁、……、W₁₀提供的值加在一起的加法器217。这样，每个中间神经元213的加法器213的输出值ε对应于十一个所计算出的负载转矩值的一个加权值。所述输出值ε由中间神经元213的另一功能块219处理，该功能块219包括一个输出反曲函数，其本身为人们公知且常用，它提供中间神经元213的一个输出值ε’。还是如图6a所示，扰动预报器128的神经网络207还包括五个输出神经元223、225、227、229和231的一层221。每个输出神经元223、225、227、229和231都具有一个与图6b中所示的中间神经元213的结构相似的结构。每个输出神经元223、225、227、229和231都接收由十一个中间神经元213所提供的十一个加权值ε’，为简便起见，在图6a中，用单独一条线233表示出十一个中间神经元213和五个输出神经元223、225、227、229和231之间的连接关系。如图6a中所示，输出神经元223提供中间神经元213的十一个加权值ε’的第一加权值ξ1，而输出神经元225、227、229和231分别提供中间神经元213的十一个加权值ε’的第二加权值ξ₂、第三加权值ξ₃、第四加权值ξ₄、和第五加权值ξ₅。如以下将要说明的，第五加权值ξ₅对应于一个为一瞬时点t₁＝t₀+Δt所预报的负载转矩值，第四加权值ξ₄对应于一个为一瞬时点t₂＝t₀+2Δt所预报的负载转矩值，第三加权值ξ₃对应于一个为一瞬时点t₃＝t₀+3Δt所预报的负载转矩值，第二加权值ξ₂对应于一个为一瞬时点t₄＝t₀+4Δt所预报的负载转矩值，而第一加权值ξ₁对应于一个为一瞬时点t₅＝t₀+5Δt所预报的负载转矩值，所述瞬时点t₅对应于所述第二瞬时点，时间段5Δt对应于上述第一瞬时点与第二瞬时点之间的预定时间间隔。

还是如图6a所示，扰动预报器128配备有一所谓的后向传播网络235，该网络适于用上述一种方式来训练神经网络207的中间神经元213和输出神经元223、225、227、229和231。该后向传播网络235包括五个存储器237、239、241、243和245与五个比较器247、249、251、253和255。存储器237用来在一个5Δt的时间段期间存储值ξ₁，该值ξ₁对应于为第二瞬时点t₅＝t₀+5Δt所预报的负载转矩。接着，在第二瞬时点t₅，比较器247确定在值ξ₁和一个由扰动观测器125在第二瞬时点t₅实际所计算出的负载转矩值之间的一个偏差δ₁。同样地，存储器239、241、243和245分别用来在时间段4Δt、3Δt、2Δt和Δt期间存储值ξ₂、ξ₃、ξ₄和ξ₅，而比较器249、251、253和255分别用来确定在值ξ₂和一个由观测器125在瞬时点t₄所计算出的负载转矩值之间的一个偏差δ₂、在值ξ₃和一个由观测器125在瞬时点t₃所计算出的负载转矩值之间的一个偏差δ₃、在值ξ₄和一个由观测器125在瞬时点t₂所计算出的负载转矩值之间的一个偏差δ₄、以及在值ξ₅和一个由观测器125在瞬时点t₁所计算出的负载转矩值之间的一个偏差δ₅。这些偏差δ₁、δ₂、δ₃、δ₄和δ₅用来训练神经网络207的中间神经元213和输出神经元223、225、227、229和231，即，按照一个基本上为人们所公知且常用的梯度搜索法(gradient search method)根据所述的偏差来计算神经元213、223、225、227、229和231的加权因子。这样，训练神经元213、223、225、227、229和231以使偏差δ₁、δ₂、δ₃、δ₄和δ₅最小，从而使值ξ₁、ξ₂、ξ₃、ξ₄和ξ₅在第一瞬时点分别对应于一个由观测器125在所述第一瞬时点之后与其相距时间段5Δt、4Δt、3Δt、2Δt和Δt的瞬时点处所计算出的负载转矩值，其中时间段5Δt对应于如上所述第一瞬时点和第二瞬时点之间的预定时间间隔。

在图6a中所示的扰动预报器128中，只有在偏差δ₁、δ₂、δ₃、δ₄和δ₅中的至少一个超出了一个预定限度时，才训练神经元213、223、225、227、229和231。那么，神经网络207处在一个所谓的学习阶段。如果每个偏差δ₁、δ₂、δ₃、δ₄和δ₅都低于所述的预定限度，则神经元213、223、225、227、229和231的加权因子保持恒定并且神经网络207处在一个所谓的测试阶段。在运行过程中，如果例如象其频率或幅值这样的负载转矩的特性有改变，则神经网络207从测试阶段返回到学习阶段。这样，扰动预报器128是一个自学习的鲁棒系统，它在负载转矩特性改变时也能以一个准确的方式预报负载转矩值。还是如图6a所示，扰动预报器128包括另一功能块257，它具有：一个直接连接到扰动预报器128的输入端127的第一输入端259，用来接收扰动观测器125的输出信号u_CLT；一个第二输入端261，用来接收对应于为第二瞬时点预报的负载转矩值的输出神经元223的加权值ξ₁；和一个连接到扰动预报器128的输出端129的输出端263。该功能块257具有一个切换功能，并用如图6a中示意表示出的一条线265来与比较器247、249、251、253和255相互连接。如果每个由比较器247、249、251、253和255所确定的偏差δ₁、δ₂、δ₃、δ₄和δ₅都低于预定限度并且神经网络207处于测试阶段，则切换功能块257的输出端263提供一个与预报值ξ₁相对应的输出信号u_PLT；而如果神经网络207处于学习阶段，则切换功能块257的输出端263提供与扰动观测器125的输出信号u_CLT相对应的一个输出信号u_CLT。当神经网络207处于学习阶段时，神经网络207可能产生一个值ξ₁，它与在第二瞬时点实际所施加的负载转矩值偏差极大，从而可能使节流装置的稳定性受到影响。由于在神经网络207处于学习阶段时将切换功能块257的输出端263直接接到扰动预报器128的输入端127，所以防止了扰动预报器128提供一个与神经网络207学习阶段中的所述偏差值ξ₁相对应的输出信号。

注意到，按照本发明的电力拖动装置也可以用于其它装置，在这些装置中，应将一个轴的角位置调节到一个恒定值或可变参考角。该电力拖动装置可以例如用于化工厂和电站中的伺服控制阀，或用来偏转飞机的控制表面。该拖动装置可用作一个所谓的主拖动装置，不带传动机构，这种情况下该拖动装置直接驱动一个要被移动的物体，正如在上述本发明的实施例中那样；或与一个传动机构一起用来将一旋转位移转换成另一旋转位移或一直线位移，在这种情况下可由电力拖动装置准确地控制一物体的直线位置。

在上述的电力拖动装置11中，第一拖动主体13将一静磁转矩施加在第二拖动主体17上，所述静磁转矩取决于第二拖动主体17相对于第一拖动主体13的旋转角。注意到，本发明还涉及到其它类型的电力拖动装置，它们包括：一个第一拖动主体；一个第二拖动主体，它相对于第一拖动主体可绕轴旋转一限定的旋转角；激励装置，用来将一电磁转矩施加在第二拖动主体上；和一个控制装置，用来控制所述旋转角。该拖动装置可以例如装有一机械扭簧，用来将一机械弹簧扭矩代替静磁转矩(或除静磁转矩之外)施加在第二拖动主体上。在这样一种情况下，扰动观测器125以一个修改的电力拖动装置的数学模型为基础，该数学模型还要考虑到所述机械扭簧的扭矩。

如上所述，控制装置75的扰动预报器128包括一人工神经网络207，用来为第二瞬时点预报一负载转矩值。还注意到，按照本发明，控制装置75的扰动预报器128还可以包括一个不同类型的处理器。这样一个不同类型的处理器的例子为一个所谓的多存储回路，该回路本身为人们所公知且常用。这样一个存储回路包括大量的存储位置，这个回路可用作如下所述的一个扰动预报器。把由扰动观测器在直到且包括第一瞬时点处连续计算出的波动扰动变量值或负载转矩值存入该存储回路中。按照一预定循环准则，该存储回路确定连续存储的值中的哪一个属于一波动扰动变量的单循环。如果该存储回路已确定了一个扰动变量的单循环，则可以从所述所确定的单循环中将第二瞬时点的扰动变量值确定为一个值，它以所述预定时间间隔预报在第一瞬时点所计算出的值。

前述扰动预报器128的神经网络207包括：一个输入存储器209，它具有十一个存储位置；十一个中间神经元213的一层211；和五个输出神经元223、225、227、229和231的一层221。注意到，按照本发明，神经网络207也可以包括这样一个输入存储器，它具有不同数目的存储位置、不同数目的中间神经元和不同数目的输出神经元。为得到预报扰动变量或负载转矩值的一个高准确度，神经网络207应包括这样一个输入存储器，该输入存储器含足够数目例如10个以上的存储位置，含足够数目例如10个以上的中间神经元，和含足够数目例如5个以上的输出神经元。但是，如果允许有一个预报扰动变量值有较低准确度，例如当扰动变量具有一个较低的频率时，神经网络207可以包括这样一个输入存储器，该输入存储器含更少数目例如四个以上的存储位置，含更少数目例如四个以上的中间神经元，和含更少数目例如一个以上的输出神经元。

还注意到，按照本发明，可以在扰动预报器128中去掉切换功能块257。在这样一个按照本发明的控制装置的另一实施例中，总是将神经网络207的输出信号ξ₁传送给扰动预报器128的输出端129。如果神经网络207的学习阶段相对于神经网络207的测试阶段很短，例如如果波动扰动变量或负载转矩的特性只是逐渐地改变，则可以在扰动预报器128中去掉切换功能块257而不会影响节流装置的稳定性。

如上所述，控制装置75用来控制一个系统的一个第一状态变量，该系统即为包括节流阀7的节流装置，该第一状态变量即为旋转角φ，在运行期间该节流装置受一扰动变量的影响，该扰动变量即为施加在节流阀7上的负载转矩。最后注意到，本发明还涉及其它类型的系统，在这些系统中，用一控制装置来控制系统的一个第一状态变量，在运行期间该系统受一扰动变量的影响。所述第一状态变量可以是例如一个位置扰动变量，可以是影响所述位置的一个外力。但是第一状态变量还可以是其它类型的变量，例如象温度、压强、或电压，扰动变量可以是例如象影响所述温度的电流或热流、影响所述压强的外部热源或外力、或影响所述电压的电磁场。这样一个其它系统的一个例子是一个如图7中所示用来产生一恒定电压u_SET的发电设备。该发电设备包括一涡轮机267和一由涡轮机267经一轴271驱动的发电机269。该发电机269产生一电压u，该电压u的值由轴271的角速度ω确定。为获得一恒定电压u，角速度ω应尽可能保持恒定。在运行期间，角速度ω受一些扰动变量的影响，例如象轴271的轴承的波动支承力、尤其在轴271的高速旋转情况下产生的涡轮机267的旋转部件和发电机269的旋转部件。

如图7所示，发电设备包括一控制装置273，用来控制由发电机269所提供的电压u。该控制装置273包括一反馈控制回路275，该反馈控制回路275具有一个比较器277，用来确定由一电压传感器279所测量的电压u_M和一所需电压值u_SET之间的一个偏差δu，该反馈控制回路275还具有一个PID调节器281，用来确定一个与所需使偏差δu等于零的施加在轴271上的制动力相对应的信号u_FFB。另外，控制装置273包括一扰动观测器283，该扰动观测器283具有一输入端，用来接收一个与由角速度传感器285所测量的角速度值ω_M相对应的信号。扰动观测器283的输出信号u_CDF对应于一个由扰动观测器283根据该发电机系统的一个数学模型所计算出的干扰支承力的一个值。控制装置275还包括一扰动预报器287，用来提供一个与为以后一个瞬时点所预报的干扰支承力的一个值相对应的输出信号u_PDF。一个加法器289将信号u_FFB和u_PDF加起来，并且一个调节器291将信号u_FFB+u_PDF转换成一个信号传送给一制动装置293。扰动预报器287补偿一段产生于第一瞬时点和第二瞬时点之间的延迟时间，观测器283在第一瞬时点计算支承力，而制动装置293在第二瞬时点实际获得一制动力，以补偿在第一瞬时点所计算出的支承力。以这种方式还在轴271的较高角速度的情况下获得对电压u的准确控制。

Claims (14)

1.一种用来控制一个在运行期间受一个扰动变量影响的一个系统的第一状态变量的控制装置，所述控制装置包括一扰动观测器，该扰动观测器用来根据该系统的一个数学模型计算所述扰动变量，该扰动观测器具有至少一个输入端，所述输入端用来接收一个与该系统的一个第二状态变量相对应的输入信号，该第二状态变量是可测量的，该扰动观测器具有一个输出端，所述输出端用来提供一个与在一个第一瞬时点计算出的一个扰动变量值相对应的输出信号，其特征在于，将该扰动观测器的所述输出信号传送给一个扰动预报器的一个输入端，该扰动预报器具有一个输出端，用来提供一个与为一个第二瞬时点预报的一个扰动变量值相对应的输出信号，该第二瞬时点以一个预定时间间隔跟随在所述第一瞬时点之后。

2.一种如权利要求1中所述的控制装置，其特征在于，所述扰动预报器包括一人工神经网络，该人工神经网络具有：一个输入存储器，用来存储由扰动观测器在N个连续瞬时点直到并包括第一瞬时点处所计算出的N个扰动变量值(N≥4)；M个中间神经元(M≥4)，每个中间神经元提供N个所计算出的扰动变量值的一个加权值；和一个输出神经元，用来传送由中间神经元提供的M个加权值中的一个加权值，所述输出神经元的加权值与为第二瞬时点所预报的扰动变量值相对应。

3.一种如权利要求2中所述的控制装置，其特征在于，所述扰动预报器装有一后向传播网络，该后向传播网络包括：一个输出存储器，用来存储为第二瞬时点所预报的扰动变量值；和一个比较器，用来确定为第二瞬时点所预报的扰动变量值与由所述扰动观测器在第二瞬时点所计算出的一个扰动变量值之间的偏差，所述后向传播网络适用于通过一个根据所述偏差对神经元的加权因子作的计算来训练神经网络的神经元。

4.一种如权利要求3中所述的控制装置，其特征在于，所述神经网络包括K个输出神经元(K≥1)，用来分别提供为K个连续瞬时点直到且包括第二瞬时点所预报的K个相应扰动变量值，而所述后向传播网络包括用于每个输出神经元的一个分开的输出存储器和一个分开的比较器，该后向传播网络适用于根据由K个比较器所确定的K个偏差来训练神经网络的神经元。

5.一种如权利要求3或4中所述的控制装置，其特征在于，所述后向传播网络只有在所述偏差超过一预定限度时才适用于训练神经元。

6.一种如权利要求5中所述的控制装置，其特征在于，所述扰动预报器包括一开关，该开关具有：一个第一输入端，用来接收所述扰动观测器的输出信号；一个第二输入端，用来接收与为所述第二瞬时点所预报的扰动变量值相对应的所述加权值；和一个输出端，将该输出端连接到扰动预报器的输出端，如果所述偏差超过所述预定限度，则所述开关的输出端用来提供扰动观测器的输出信号；如果所述偏差低于所述预定限度，则所述开关的输出端用来提供一个与所述加权值相对应的信号。

7.一种包括一个用来控制系统的第一状态变量的控制装置的系统，该系统在运行期间受一扰动变量的影响，该系统还包括一个测量装置，用来测量该系统的至少一个第二状态变量，其特征在于，所述控制装置是一个如权利要求1、2、3、4、5或6中所述的控制装置。

8.一种电力拖动装置，包括：一个第一拖动主体；一个第二拖动主体，该第二拖动主体相对于第一拖动主体可绕一个旋转轴旋转一个角度；电激励装置，用来将一电磁转矩施加在第二拖动主体上；和一个控制装置，用来控制第二拖动主体的旋转角，所述控制装置包括一个用来接收与第二拖动主体的一个所需旋转角相对应的一个输入信号的输入端和一个用来提供与一个所需流过所述激励装置的电流相对应的一个输出信号的输出端，其特征在于，所述控制装置是一个如权利要求1、2、3、4、5或6中所述的控制装置。

9.一种如权利要求8中所述的电力拖动装置，其特征在于，所述控制装置包括：一个第一控制部分，它具有一个用来接收与所需旋转角相对应的所述输入信号的输入端，和一个用来提供与一个所需施加在第二拖动主体上的电磁转矩相对应的一个信号的输出端；和一个第二控制部分，它具有一个用来接收与所需电磁转矩相对应的信号的输入端和一个用来提供与所需电流相对应的输出信号的输出端，其中第一控制部分包括扰动观测器和扰动预报器，扰动观测器计算施加在第二拖动主体上的负载转矩。

10.一种如权利要求9中所述的电力拖动装置，其特征在于，所述第一控制部分包括一个加法器，该加法器包括：一个输出端，用来提供一个与所需电磁转矩相对应的信号；一个第一输入端，用来接收一个由与所需旋转角相对应的输入信号所确定的前馈控制信号；一个第二输入端，用来接收由与所需旋转角相对应的输入信号和一个由一旋转角传感器提供、与第二拖动主体的一个所测量过的旋转角相对应的信号所共同确定的一个反馈控制信号；和一个第三输入端，用来接收扰动预报器的输出信号。

11.一种如权利要求9或10中所述的电力拖动装置，其特征在于，所述控制装置包括一个比较器，该比较器具有：一个第一输入端，用来接收与所需电流相对应的信号；一个第二输入端，用来接收一个由一个电流传感器提供、与一个所测量过的流过所述激励装置的电流相对应的信号；和一个输出端，用来提供一个差分信号，该差分信号与对应于所需电流的信号和对应于所测量过的电流的信号之间的偏差成正比，所述控制装置还包括一个调节器，该调节器具有一个用来接收所述差分信号的输入端和一个用来提供一个与一要输送给所述激励装置的电流相对应的信号的输出端。

12.一种如权利要求11中所述的电力拖动装置，其特征在于，所述扰动观测器具有一个用来接收与所测量过的电流相对应的信号的输入端，该扰动观测器根据用于该拖动装置的三个状态方程来计算第二拖动主体的旋转角、角速度和负载转矩。

13.一种如权利要求12中所述的电力拖动装置，其特征在于，所述扰动观测器包括：另一个输入端，用来接收与所测量过的旋转角相对应的信号；一个比较器，用来确定测量过的旋转角和所计算出的旋转角之间的偏差；和一个加法器，用来通过一个与所述偏差成正比的值来校正所计算出的旋转角、所计算出的角速度和所计算出的负载转矩。

14.一种用于一个内燃机的一个进气口的节流装置，该节流装置包括：一个节流阀壳体；一个气道，该气道可连接到所述进气口；一个节流阀，将该节流阀用轴安装在节流阀壳体内以便在气道内可绕轴转动；和一个电力拖动装置，用来使节流阀绕轴转动，其特征在于，所述电力拖动装置是一个如权利要求8、9、10、11、12或13中所述的电力拖动装置。

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