DE60217487T2

DE60217487T2 - Regler und verfahren zum regeln einer vorrichtung

Info

Publication number: DE60217487T2
Application number: DE60217487T
Authority: DE
Inventors: Florentin Woergoetter; Bernd Porr
Original assignee: Elverson Hopewell LLC
Current assignee: Zarbana Digital Fund LLC
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: DE60217487D1; EP1780617B1; US20050027373A1; EP1780618A1; WO2002099544A1; US8032237B2; US20090299499A1; GB0113627D0; EP1780617A1; EP1397727B1; US7558634B2; US20080091282A1; US7107108B2; EP1397727A1; DE60236035D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Steuerverfahren und Vorrichtungen und insbesondere auf elektronische oder computergesteuerte Steuervorrichtungen, die prädiktive elektronische Filter inkorporieren.
Viele Arten eines Steuersystems sind bekannt und in Verbraucher- und Industriemaschinen und Betriebsabläufe aller Arten implementiert. Diese Steuersysteme basieren ausnahmslos auf einer geschlossenen Schleife, bei der eine Stellgröße gefühlt wird, im Gegensatz zu einem Nennwert oder Einstellwert, um ein Fehlersignal abzuleiten, und einer in Reaktion auf das Fehlersignal angewandte Korrektur, um hoffentlich den Fehler auf Null zu treiben. Die Stabilität des Steuersystems ist jedoch vorrangig, und Filterfunktionen sind implizit oder explizit in den Rückkopplungswegen eingeschlossen, um Stabilität beizubehalten. Über die Jahre haben sich viele zusätzliche Rückkopplungs- und „Vorwärtsschub"-Mechanismen entwickelt, um die Leistung von Steuersystemen, insbesondere bei ihrer Reaktionsgeschwindigkeit, zu verbessern. Der Bedarf an Stabilität schränkt diese Ansätze jedoch auf eine wohl bekannte Art und Weise ein, insbesondere wenn die Filterfunktionen unter Berücksichtigung von Variationen und zulässigen Abweichungen bei einer Reihe von Bedingungen berechnet und implementiert werden müssen.
Bekannte Systeme werden in US 6181975 , EP 1030231 , EP 0334698 und US 3013721 offenbart.
Es wurde erkannt, dass viele Steuersysteme von messbaren „Stör"-Faktoren in der Umgebung beeinflusst werden, die unabhängig von der Hauptstellgröße gemessen werden können. Einige vorhergehende Versuche wurden unternommen, um den Ausgleich der Störsignale innerhalb des Steuersystems einzuschließen. Diese sind jedoch in ihrer Anwendbarkeit beschränkt, da sie auf analytischen oder empirischen Modellen des gesteuerten Prozesses beruhen, die nicht immer verfügbar sind oder, noch wichtiger, zwischen den Proben oder im Zeitablauf nicht stabil sind. Es wäre wünschenswert, ein Steuersystem bereitzustellen, dass die Korrelation zwischen verschiedenen Signalen beobachten und automatisch lernen kann, die Vorrichtung als Ergebnis besser zu steuern.
Das Ziel aller elektronischen Filter besteht darin, das gewünschte Signal von allen anderen Signalkomponenten, Rauschen genannt, zu trennen. Prädiktive adaptive Filter sind ebenfalls bekannt und nutzen die Tatsache aus, dass sich ein Signal im Gegensatz zu der Änderung des zusätzlichen Rauschens gewöhnlich langsam verändert. Dies geschieht aufgrund dessen, dass das Rauschen alle Frequenzen beinhaltet, während Signale überwiegend niedrige Frequenzen beinhalten. Anfangs weist ein derartiger adaptiver Filter eine vordefinierte Einstellung auf, aber diese Einstellung wird sich dann kontinuierlich dem sich ändernden Signal anpassen, um danach zu streben, das Rauschen auf eine optimale Art und Weise zu eliminieren. Dies wird durch Vergleichen des vorübergehend ankommenden Signals mit dem Signal der unmittelbaren Vergangenheit mittels eines an sich eingebauten Mechanismus erreicht, der als eine Autokorrelation abgebildet werden kann. Derartige Filter reagieren auf Änderungen bei dem Signal, um die Filtereinstellungen dementsprechend anzupassen. Als Folge sind derartige Filter fähig, die Gestalt des Eingangssignals mit abnehmender Prädiktionsverlässlichkeit zum Erhöhen temporärer (prädiktiver) Intervalle für die unmittelbare Zukunft vorherzusehen (zu extrapolieren).
Eine Klasse adaptiver prädiktiver Filter sind die Filter der Kalman-Art, die fähig sind, sich unter Verwendung rekursiver Schätzung den Charakteristiken eines Eingangssignals anzupassen. Durch einen derartigen Anpassungsmechanismus bleiben diese Filter optimal auf ihre entsprechende Aufgabe abgestimmt. Aufgrund des Ausmaßes, zu dem analoge elektronische Signale durch Rauschen gestört werden, weisen derartige prädiktive adaptive Filter eine umfassende Anwendungsdomäne in allen Bereichen analoger elektronischer Signalverarbeitung, zum Beispiel Telekommunikation, Rundfunkübertragung, Radarsignalverarbeitung und vieles mehr, auf. Diese Filter beruhen jedoch auf der Selbstähnlichkeit des Eingangssignals (das heißt, sie sind optimiert, um auf besondere Charakteristiken des erwarteten Signals zu reagieren). Ihr Ziel besteht darin, eine maximale Menge an Information aus dem Eingangssignal zu bewahren. Somit ist das Ausgangssignal gewöhnlich lediglich eine verbesserte Version des originalen Signals, das direkt von dem Eingang abgeleitet wird. Dementsprechend bietet der Kalman-Filter keine Lösung der Probleme von komplexen Steuersystemen, obwohl er an sich von Interesse ist.
Die Erfindung stellt ein Steuergerät zum Steuern einer physikalischen Vorrichtung bereit, wobei das Steuergerät erste Eingangsmittel zum Empfangen eines primären Eingangssignals, das einen gemessenen Zustand der Vorrichtung darstellt, und Signalverarbeitungsmittel, die auf das primäre Eingangssignal reagieren, um ein Steuersignal zum Beeinflussen des Zustands der Vorrichtung zu erzeugen, damit diese einen gewünschten Zustand beibehält, beinhaltet, wobei das Steuergerät mindestens einen weiteren Eingang für ein Signal aufweist, das zusätzliche Messungen der Vorrichtung oder ihrer Umgebung darstellt, wobei das Signalverarbeitungsmittel korrigierende Mittel zum Einschließen von Korrekturen in dem Steuersignal in Reaktion auf das zusätzliche Messungssignal und Mittel zum automatischen Konditionieren der Reaktion der korrigierenden Mittel in Reaktion auf eine temporäre Kreuzkorrelation einschließt, die zwischen dem zusätzlichen Messungssignal und dem Steuersignal, das während des Betriebs des Steuergeräts und der Vorrichtung zusammen beobachtet wird, beobachtet wird.
Das Konditioniermittel kann Mittel zum Einstellen einer Verstärkung und eines Frequenzgangs eines Signalwegs in dem korrigierenden Mittel beinhalten. Eine derartige Einstellung ist ähnlich der, die in einem Kalman-Filter implementiert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das korrigierende Mittel jedoch Mittel zum Filtern des zusätzlichen Signals mittels einer Vielzahl von Filtern, die verschiedene feststehende Impulsreaktionen aufweisen, und Mittel zum Bilden einer gewichteten Summe der verschieden gefilterten Signale, um die anzuwendende Korrektur abzuleiten, beinhaltet, wobei das Konditioniermittel Mittel zum Einstellen der Gewichtungen der verschiedenen Signalwege in Reaktion auf ihre jeweilige beobachtete Korrelation mit dem Steuersignal beinhaltet.
Die Erfinder bezeichnen das korrigierende und das Konditioniermittel in diesem Fall als einen kreuzmodalen prädiktiven Filter (CMP Filter). Das korrigierende und das Konditioniermittel weist in diese Fall ebenfalls Ähnlichkeiten mit den wohl bekannten „neutralen Netzwerk"-Schaltungen auf, wobei zwischen gewünschten Ausgängen und einem Satz Eingänge aus einer Anzahl an Probemustern eine Kreuzkorrelation erlernt wird. Während die individuellen Eingangssignale aus entsprechenden Sensoren kommen wie in dem neutralen Netzwerk, sind sie in diesem Fall jedoch Signale aus dem gleichen Sensor, unterliegen aber unterschiedlichen Filtercharakteristiken. Durch das Erlernen des Musters der Korrelation zwischen diesen Signalen und dem Steuersignal erlernt das neuartige Steuergerät effektiv die temporäre Korrelation zwischen dem zusätzlichen Messungssignal und dem Steuersignal.
Das Konditioniermittel kann angeordnet sein, um die Korrelation durch Vervielfachen des Signals von jedem Weg mit einer Ableitung des Steuersignals zu beobachten und das Produkt der Signale im Zeitablauf zu integrieren, um die Gewichtung abzuleiten. Die Integration kann verlustbehaftet oder nicht verlustbehaftet sein, abhängig davon, ob das Konditionieren stets bei Fehlen eines Anreizes gehalten werden soll oder verfallen darf. Die Integration muss nicht verlustbehaftet sein, damit der CMP-Filter imstande ist, sich temporären Änderungen der Störungen anzupassen.
Das Steuergerät kann eine Vielzahl von zusätzlichen Eingängen aufweisen, jeder mit zugehörigen korrigierenden Mitteln und Konditioniermitteln innerhalb des Signalverarbeitungsmittels.
In Ausführungsformen, bei denen das korrigierende Mittel eine Vielzahl von Filtern verschiedener Impulsreaktionen aufweist, wobei die korrigierenden Mittel für jedes zusätzliche Signal weder alle die gleiche Anzahl an Filtern, noch den gleichen Satz an Impulsreaktionen aufweisen müssen. Die Anzahl an Filterwegen kann somit reduziert werden, wenn der Konstrukteur eine Vorstellung des Umfangs der erwarteten Korrelation hat.
Das Steuergerät kann angeordnet sein, um mehrfache Steuersignale zu erzeugen, die auf mindestens einigen der gleichen Eingangssignale basieren, wobei das Signalverarbeitungsmittel korrigierende Mittel und Konditioniermittel zur Erzeugung jedes Steuersignals umfasst.
Die mehrfachen korrigierenden Mittel können Filterkomponenten teilen.
In Ausführungsformen, die angeordnet sind, um vielfache Steuersignale zu erzeugen, kann ein erstes Steuersignal angeschlossen werden, um als ein zusätzlicher Messungseingang zu dem korrigierenden Mittel zum Erzeugen eines zweiten Steuersignals zu dienen. Eine Ableitung oder andere Transformation kann der Anwendung angemessen auf jeden der Messungseingänge angewandt werden.
Die Erfindung stellt des Weiteren ein Verfahren zum Steuern einer physikalischen Vorrichtung bereit, wobei das Verfahren auf einer beständigen Basis Folgendes beinhaltet:

– Empfangen eines primären Eingangssignals, welches einen gemessenen Zustand der Vorrichtung darstellt;
– Erzeugen eines Steuersignals zum Beeinflussen des Zustands der Vorrichtung in Reaktion auf das primäre Eingangssignal, damit diese einen gewünschten Zustand beibehält; und
– Empfangen mindestens eines weiteren Eingangs für ein Signal, welches zusätzliche Messungen der Vorrichtung oder ihrer Umgebung darstellt;
– Einschließen von Korrekturen in dem Steuersignal in Reaktion auf das zusätzliche Messungssignal; und
– automatisches Konditionieren der Reaktion der korrigierenden Mittel in Reaktion auf eine temporäre Kreuzkorrelation, die zwischen dem zusätzlichen Messungssignal und dem Steuersignal, das während des Betriebs des Steuergeräts und der Vorrichtung zusammen beobachtet wird, beobachtet wird.

Der korrigierende Schritt kann das Filtern des zusätzlichen Signals mittels einer Vielzahl von Filterfunktionen, die verschiedene feststehende Impulsreaktionen aufweisen, und das Bilden einer gewichteten Summe der verschieden gefilterten Signale, um die anzuwendende Korrektur abzuleiten, beinhalten, wobei der Konditionierschritt das Einstellen der Gewichtungen der verschiedenen Signalwege in Reaktion auf ihre jeweilige beobachtete Korrelation mit dem Steuersignal beinhaltet.
Der Konditionierschritt kann mit einer Nullbedingung anfangen oder kann mit einem Satz an Bedingungen, die in einer anderen Vorrichtung erlernt wurden, anfangen.
Die Erfindung stellt des Weiteren ein Steuergerät der oben dargelegten Art bereit, wobei das korrigierende Mittel durch eines mit einer feststehenden Reaktion, aber eines, das von einem anderen Steuergerät, das die feststehende Reaktion im Betrieb erlernt hat, übermittelt wurde, ersetzt wird. Ob dies praktisch ist, wird von der Wiederholbarkeit der Umgebung und den Charakteristiken der Vorrichtung unter Steuerung abhängen.
Eine weitere Alternative besteht darin, als eine Anfangsbedingung Erlerntes aus einem Steuergerät in ein anderes Steuergerät zu übermitteln, wobei das andere Steuergerät fähig ist, die Reaktion des korrigierenden Mittels während seines weiteren Betriebs einzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein verallgemeinertes Blockdiagramm einer herkömmlichen chemischen Aufbereitungsanlage ist, die ein typisches Regelungssystem zeigt;
2 schematisch die Werte gewisser Signale im Zeitablauf in einem typischen Regelungssystem zeigt, das auf eine reaktive Art und Weise auf eine externe Störung reagiert;
3 die chemische Aufbereitungsanlage aus 1 zeigt, die mit einem auf einem CMP-Filter basierenden Steuergerät modifiziert ist, das die Regelung von Dampf, der basierend auf sowohl den Eingangs- als auch den Ausgangsparametern der Anlage in die Anlage eintritt, durchgeführt wird;
4 die Signale, die denen in 2 entsprechen, in einem Regelungssystem unter Verwendung eines kreuzmodalen prädiktiven Filters zeigt, der direkt auf die gleiche externe Störung nach einer Lernphase reagiert;
5 ein schematisches Blockdiagramm eines verallgemeinerten Prozesssteuerungssystems ist, das ein auf einem CMP-Filter basierendes Steuergerät gemäß einer verallgemeinerten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung inkorporiert;
6 einen mehrstufigen CMP-Filter innerhalb des Steuersystems von 5 detaillierter zeigt;
7 Reaktionskurven eines Satzes an Resonatoren in einem CMP-Filter der in 6 gezeigten Art zeigt, wenn er mit einem Rechteckimpuls präsentiert wird;
8 eine Verstärkungssteuerschaltung (GCC), die mit jedem Resonator in dem CMP-Filter aus 6 verbunden ist, detaillierter zeigt;
9 eine Beziehung zwischen einem einzelnen Ausgangssignal u_i des Resonators, einem Steuersignal v, das den Prozess antreibt und seiner Ableitung v' unter Berücksichtigung der Zeit zeigt;
10 ein schematisches Blockdiagramm einer alternativen Form des CMP-Filters ist, wobei jeder Resonator einen variablen Frequenzgang aufweist;
11 ein schematisches Blockschaltdiagramm für ein Robotersteuerungssystem ist, das eine spezifischere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet;
12 eine Simulation des Wegs des Roboters unter Steuerung der Schaltung aus 11 ist, wenn er auf Hindernisse in einer Umgebung über einen Zeitraum trifft; und
13 das Lernen des optimalen Resonatorgewichts für ein Störungssignal innerhalb der Roboterschaltung während des Zeitraums, der in 12 dargestellt ist, darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Diese Erfindung ist nicht ausdrücklich auf eine Ausführungsform für entweder analoge oder digitale Hardware oder Software beschränkt. Die folgende Beschreibung ist im Allgemeinen für jede Implementierung gültig, wobei spezielle Unterschiede, wenn erforderlich, hervorgehoben werden. Die Mischung analoger und digitaler Schaltungen und von Hardware und Software, die in einer festgelegten Anwendung verwendet wird, wird von vielen dem Fachmann geläufigen Faktoren abhängen. Derartige Faktoren umfassen die für das System erforderliche Bandbreite, die relativen Entwicklungskosten der verschiedenen Lösungen und den erwarteten Produktionsumfang.
Die folgenden Beschreibungen klassischer mechanischer und chemischer Aufbereitungsanlagensteuerprobleme beschreiben, wie die Verwendung kreuzmodaler prädiktiver Filter verwendet werden kann, um ein verbessertes multimodales Steuersystem bereitzustellen, das aus Erfahrung die Korrelationen zwischen mehrfachen Eingängen und den erwünschten Korrekturen erlernt, insbesondere in dem Zeitbereich.
In einem typischen mechanischen System, das ein Steuergerät und einen mechanischen Aktuator beinhaltet, wird sich die Position des Aktuators aufgrund intern erzeugter und externer (störender) Kräfte ändern. In dem klassischen Regelungsparadigma wird die Aktuatorposition von einem Positionssensor gemessen, von dem das Signal mittels der Regelung, um die internen Kräfte auszugleichen, die das mechanische Bewegungsmuster des Aktuators bestimmen. Wenn eine externe Kraft (Störung) die Position staucht, erzeugt das Steuergerät ein Signal zum Ausgleichen. Die kombinierte Trägheit des Aktuators und Steuergeräts induziert jedoch eine Zeitverzögerung bei dem Ausgleich, der verwendet wird, um dieser Störung, die während des Ausgleichs(Übergangs)-Zeitraums zu einem bedeutenden Positionsfehler führt, entgegenzuwirken.
Die gleichen Probleme treten hauptsächlich im Allgemeinen bei Betriebsabläufen, zum Beispiel der chemischen Industrie, auf.
1 stellt einen typischen Prozess 102 dar, das mittels einer wärmegesteuerten Reaktion eine Ausgangssubstanz I in ein Produkt P transformiert. Wie in 1 gezeigt, tritt die Ausgangssubstanz normalerweise in den Prozess mit einer Temperatur T1 ein. Der optimale Ausgang wird bei T2 erreicht. Die komplette Anlage 100 beinhaltet Steuersysteme zum Beibehalten der verschiedenen Parameter auf ihrem optimalen Niveau, um die Prozesssicherheit zu sichern. Die Temperatur T2 wird als Signal FB zurückgespeist und als ein festgesetzter Punkt in einer herkömmlichen Regelung verwendet, um die Strömungsgeschwindigkeit 104 über das Ventil 106 des Dampfes S, der die Anlage erwärmt, zu steuern. Die Ausgangstemperatur T2 wird sich jedoch ändern, wenn T1 aufgrund einer Störung, die zu einer suboptimalen Situation führen wird, fluktuiert. Bekannte Verfahren zum Überwinden dieser Probleme haben durch einen heuristischen Zusatz die Wirkung von T1 auf die Eingangsseite der Rückkopplungsschleife. Dies kann jedoch nur erreicht werden, wenn die Beziehung zwischen den Eingangs- und Ausgangsgrößen auf eine deterministische Art und Weise bekannt sind. Es wurden komplexe Systeme entwickelt, die diese Probleme angehen, aber, wie später beschrieben, weisen diese ihre Nachteile im Sinne von Komplexität, Erfordernis bekannter Modelle und Instabilität der Schleife auf.
2 stellt eine graphische Darstellung bereit, die schematisch Werte angeforderter, echter und Fehlerwerte (T_D, T2 bzw. Err) während des Übergangszeitraums des chemischen Prozessregelungssystems nach einer Schrittänderung (Störung) in der Eingangstemperatur T1 zeigt. T_D stellt den Einstellwert oder den angeforderten Wert für T2 dar. Man kann die durch die Reaktionszeit von T2 auf die Variation in T1 ausgelöste Verzögerung und die Zeit, die das System benötigt, um sich der Änderung durch Ändern der Strömungsgeschwindigkeit FR des Dampfes S, um T2 auf den angeforderten Wert T_D zurückzubringen, anzupassen, beobachten. Während des Übergangszeitraums werden einige der Verarbeitungsparamter bei ihren nicht optimalen Einstellungen liegen, wobei die Qualität der wärmegesteuerten Reaktion und ihr resultierender Ausgang beeinträchtigt werden.
3 zeigt ein modifiziertes Steuersystem, wobei ein Steuergerät 200 nicht nur das Ausgangssignal T2, sondern auch das „Störungs"-Signal T1 empfängt. Die genaue kausale Beziehung zwischen den Variationen von T1 und dem Ausgangssignal T2 ist unbekannt, wenn das System konstruiert und eingestellt ist. Das neuartige Steuergerät 200 erlernt jedoch durch ein adaptives Verfahren, um eine anfangs unbekannte Änderung von T1 (Störung) mit der verzögerten Änderung von T2 zu korrelieren. Die genaue Implementierung davon wird hier nicht beschrieben, aber wird unten mit Bezug auf 5 bis 10 beschrieben. Sobald das Steuergerät sich der Störung angepasst hat, wird in dem Moment, in dem ein Änderung von T1 beobachtet wird, das Ventil 106 durch das Signal FB eingestellt, um die Strömungsgeschwindigkeit FR auf eine präkompensierte Einstellung zu ändern. Somit wird die Anlage 100 imstande sein, direkt auf die Störung in T1 zu reagieren, wobei sie die resultierende Wirkung auf T2 antizipiert, und demzufolge wird der Fehler in T2 (und seine negative Wirkung auf den Prozess) bedeutend abgeschwächt, wie in 4 gezeigt.
Bei dem einfachen Beispiel von 1 und 3 ist die Anzahl an Größen, die gesteuert werden und gemessen werden, sehr klein. Mit allgemeinen Worten kann die neuartige Art von Steuergerät konstruiert werden, um jede Anzahl unterschiedlicher Eingangssignale zu vergleichen und durch einen adaptiven Prozess zu erlernen, den Ausgang durch Beobachten der Kreuzkorrelationseigenschaften zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal vorherzusehen. Insbesondere das Steuergerät kann aus seinen Beobachtungen erlernen, welches der zahlreichen Eingangssignale relevant für die Vorhersehung des Ausgangssignals ist und auf welche Art und Weise. Ausführungsformen der Erfindung umfassen einen kreuzmodalen prädiktiven (CMP) Filter, der in den Regelkreis eingebaut ist, der mehrere Eingänge empfängt. Nach einem Lernzeitraum wird der CMP-Filter ein Ausgangsereignis (Ausgangssignal) durch Reagieren auf den am frühsten auftretenden relevanten Eingang, der konsistent dem zugehörigen Ausgangssignal vorangeht, vorhersehen.
Die Konstruktion des neuartigen Steuergeräts wird sowohl im Allgemeinen als auch in einem spezifischen Beispiel unten mit Bezug auf 5 bis 13 beschrieben. Durch das Anwenden des neuartigen Steuergeräts zuerst auf das vorhergehende Beispiel eines klassischen mechanischen Problems würde der CMP-Filter die externen Kräfte (Störungen) messen und sie während des adaptiven Prozesses temporär mit der (viel später auftretenden) Positionsänderung korrelieren. Sobald sich der Filter an die Störungen angepasst hat, kann ein Positionskorrektursignal (eine Gegenkraft) erzeugt werden, sobald eine externe Kraft auftritt, ohne warten zu müssen, bis ein verzögernder Positionsfehler an dem Ausgang aufgedeckt wird. Somit wird das System imstande sein, sofort auf die Anwendung einer externen Kraft zu reagieren, und der Positionsfehler wird bedeutend abgeschwächt.
5 zeigt ein auf einem CMP-Filter basierendes Steuergerät 200 in einer typischen Konfiguration eines geschlossenen Regelkreises, das heißt mit einem Ausgangsanforderungswert v, der in die Betriebseinstellung der gesteuerten Vorrichtung, hier durch die verallgemeinerte Anlage 100 dargestellt, eingespeist wird und sie einstellt. Ein Bezugssignal P, das den gegenwärtigen eigentlichen Zustand der Anlage 100 darstellt, wird von einem gewünschten (eingestellten) Wert SV (der Null sein kann) subtrahiert 202, um einen Unterschieds- oder Fehlerbegriff X_R bereitzustellen, der in das Steuergerät zurückgespeist wird, wo es verwendet wird, um den Ausgangsanforderungswert zu definieren, wodurch der Regelkreis „geschlossen" wird. Um die multimodalen Fähigkeiten des Steuergeräts 200 auszuwerten, wird ebenfalls eine Anzahl an externen Störungseingängen X₁ ... X_N in das Steuergerät eingespeist. Diese werden von Sensoren in der ganzen Anlage 100 abgeleitet und beinhalten Spannungszeitfunktionen von willkürlicher Gestalt.
Die Anlage 100 muss gemäß der eigentlichen Anwendungsdomäne, zum Beispiel einer Kraftpositionstransformation, wie in dem früheren mechanischen Beispiel beschrieben, oder einer Dampfheizungseinrichtung, wie in dem früheren Beispiel der chemischen Aufbreitungsanlage beschrieben, spezifiziert werden. Der Fachmann wird leicht anerkennen, dass die Prinzipien des neuartigen Steuergeräts in einer großen Auswahl an „physikalischen" Vorrichtungen und Systemen, von klassischen Maschinen bis zu ökonomischen Systemen, anwendbar sind.
6 zeigt ein Verarbeitungssteuersystem, das ein sehr einfaches auf einem CMP-Filter basierendes Steuergerät zusätzlich zu dem herkömmlichen Fehlersignal X_R verwendet. Die Anlage 600 ist gezeigt, wobei sie das herkömmliche Ergebnissignal P und ebenfalls zwei Störungen X₁, X₂ aussendet. Die Anzahl an Störungen ist nicht auf zwei beschränkt. Obwohl diese gezeigt werden, wie sie im weitesten Sinne aus der Anlage kommen, sind sie für den Zweck herkömmlicher Umgebungsmessungen von Steuersystemen, deren Einfluss auf den Prozess nicht genau bekannt ist, gedacht. Die Subtraktionschaltung 602 empfängt das Einstellwertsignal SV und leitet das herkömmliche Fehlersignal X_R ab. Der Rückkopplungsfilter 604 (mit der Transferfunktion F = h_R × ρ_R) erzeugt daraus eine Steuersignalkontribution u_R, die über die Summierschaltung 606 den Steuerwert v erzeugt. Dieser Weg 600, 602, 604, bildet die proportionale Standardbegriffsreferenzschleife eines Regelungssystems und gewährleistet keine weitere Beschreibung. Die Summierschaltung 606 erlaubt jedoch viele zusätzliche Kontributionen, um den Steuerwert v gemeinsam mit dem herkömmlichen Begriff neben u_R zu bestimmen, wobei jeder aus einem Störungs-„Kanal" auf eins der Störungssignale X₁, X₂ usw. reagiert.
Jeder Störungskanal beinhaltet einen Resonator 611–615 mit feststehender Transferfunktion h_i (feststehende Impulsreaktion), der demgemäß ein entsprechendes gefiltertes Signal u_i erzeugt. Jedes Signal u_i führt durch einen variablen Verstärkungsblock 621–625 mit der Verstärkung ρ_i, um die (positive oder negative) Stärke der Kontribution dieses Kanals in der Summierschaltung 606 zu definieren. Die Resonatoren 611–615 sind an sich von einer wohl bekannten Form und beinhalten Bandpassfilter, die als LRC-Schaltungen (Induktivitätsspule, Widerstand, Kondensator) in einen analogen Schaltkreis oder als IIR-(Filter mit unendlicher Impulsreaktion) oder FIR-Filter (Filter mit endlicher Impulsantwort) in einen digitalen Schaltkreis implementiert werden können. Jede Eingangsstörung X_i wird durch mindestens einen Resonatorkanal durchgeführt. Die Anzahl an Kanälen, die mit jedem Störungssignal verbunden sind, ist nicht festgelegt und wird durch die bekannte Gestalt der Eingangswellenform und die gewünschte Reaktion durch das Steuergerät darauf bestimmt. In dem dargestellten Beispiel speist das Signal X₁ die M-Kanäle, während Signal X₂ die N-Kanäle speist.
Ein Differenzierglied 630, das das Steuerausgangssignal v empfängt, und individuelle Verstärkungssteuerschaltungen (GCCs) 631–635, die jede die Verstärkung eines jeweiligen Verstärkungsblocks 621–625 steuern, vervollständigen den CMP-Filter-Teilabschnitt des in 6 gezeigten Steuergeräts. Diese GCCs 631–635 stellen den Lernmechanismus des CMP-Filters bereit und werden unten mit Bezug auf 8 detaillierter beschrieben.
7 zeigt, wie sich die Resonatorreaktionen (u₀, u₁, u₂ usw.) unterscheiden, unter Verwendung des Beispiels einer Rechteckimpulsfunktion als Eingang X. Für jeden einzelnen Kanal werden die Charakteristiken seines zugehörigen Resonators 611 usw. gewählt, um eine einzigartige Reaktion auf jede Eingangsstörung bereitzustellen. Ihre Eigenfrequenzen können logarithmisch (zum Beispiel f₀, f₀/2, f₀/4 usw.) fortschreiten.
Das Lesegerät sollte nun erkennen, dass durch Bereitstellen eines geeigneten Satzes an Transferfunktionen h_i für jedes Störungssignal jede gewünschte Reaktion in der Summierschaltung 606 durch Variieren der relativen Verstärkungen ρ_i synthetisiert werden kann. Dies setzt natürlich eine unendliche Anzahl an Kanälen voraus, was nicht praktisch ist, und setzt voraus, dass die angemessene Reaktion identifiziert werden kann. Typischerweise wären jedoch für eine adäquate Annäherung weniger als zehn Resonatoren, eventuell fünf oder weniger, für jeden Eingang erforderlich. Des Weiteren setzen die Verstärkungssteuerschaltungen 631–635 durch einen adaptiven Prozess in dem Verlauf des Betriebs automatisch die Gewichte fest, um die optimale Reaktion ohne fortgeschrittene Kenntnis der gewünschten Transferfunktion zu erreichen, wie nun beschrieben wird.
8 zeigt eine der Verstärkungssteuerschaltungen 631–635 detaillierter, die zusammen den „Lern"-Mechanismus des Steuergeräts bereitstellen. Jede Einheit 631–635 in dieser Ausführungsform stellt eine Vervielfacherfunktion 800 und eine Integratorfunktion 802 bereit. Das Differenzierglied 630, hier der Klarheit halber erneut gezeigt, stellt die Ableitung v' der Stellgröße v bereit wie sie kontinuierlich durch die Summierschaltung 606 ausgegeben wird. Wie wohl bekannt ist, stellt der Ableitungsbegriff eine fortgeschrittene 90°-Phasen-Version des Steuersignals bereit und kann theoretisch als ein Prädiktor dieses Signals angesehen werden. Das Differenzierglied 630 kann unter Verwendung wohl bekannter Technologie in analoger Form durch ein Differenzierglied oder digital durch Subtrahieren aufeinanderfolgender Proben des Signals oder durch eine höher entwickelte FIR- oder IIR-Filter-Funktion implementiert werden. Der Vervielfacher 800 vervielfacht den Resonatorausgang u_i, einen Dämpfungsfaktor μ (typischerweise ein kleiner Anteil, um Instabilität zu vermeiden) und den Ableitungsbegriff v' miteinander, um ein Maß der Korrelation zwischen dem Resonatorausgang und der Ableitung v' abzuleiten. Dieses Korrelationsmaß Δρ_i wird kontinuierlich (entweder als ein analoges Signal oder in einem digitalen System als ein Strom diskreter Probenwerte) produziert und wird im Zeitablauf durch die Integratorfunktion 802 integriert, um die eigentliche Verstärkung ρ_i des jeweiligen Verstärkungsblocks 621–625 usw. einzustellen. In einer digitalen Ausführungsform würde die Integratorfunktion einen einfachen numerischen Akkumulator beinhalten.
In Kombination stellen die hierzu beschriebenen Komponenten ein Steuergerät bereit, das (während des Betriebs in einer neuen Umgebung) die Beziehung zwischen Eingangsstörungen und ihrer Wirkung auf den Prozess „erlernt", so dass die Reaktion durch den Prozess auf Störungen vorhergesehen und eher durch eine vorgreifende Art und Weise als durch eine rein reaktive Art und Weise ausgeglichen werden kann. Der Betrieb des CMP-Filters kann durch die folgenden mathematischen Gleichungen beschrieben werden.
Der Ausgang v des CMP-Filters ist wie folgt gegeben: ν(t) = ρRuR(t) + ΣNi=1 ρiui(t) (1)wobei u wie folgt gegeben ist: ui(t) = xi(t) ⊗ hi(t) (2)wobei X mit h gefaltet ist. Die Funktionen h sind die Transferfunktionen der Resonatoren 611 usw., die wie folgt gegeben sind:
wobei H(s) den Resonator in der Laplacedarstellung wie gewöhnlich mit zwei komplex/komplex-konjugierenden Parametern p und p* beschreibt, die durch p = a + ib und p* = a – ib gegeben sind, mit:
wobei f die Resonanzfrequenz der relevanten Resonatoren 611–615 und Q ihr Dämpfungsfaktor ist. (Der Wert von Q ist ungefähr mit der Anzahl an Oszillationen, die ein Resonator in Reaktion auf einen δ-Funktionseingang vornehmen wird, identisch.) Zu dem Zweck dieser Anwendung würde Q vorzugsweise ungefähr bei 1, zum Beispiel in dem Bereich von 0,5–1,2 liegen. Wie früher behandelt, hängt der Frequenzgang von der Reaktionszeit ab, die von dem Steuergerät in einer realen Anwendung erfordert wird. Wenn ein CMP-Filter innerhalb einer elektronischen Steuerungsschleife verwendet wird, kann f sehr hoch sein (Kilohertz bis Megahertz), wenn er in einem mechanischen System verwendet wird, wird f normalerweise in dem Bereich von 1–100 Hertz liegen, wenn er in chemischen Steuersituationen verwendet wird, kann f in dem Bereich von Millihertz oder sogar darunter liegen.
Der Prozess des Änderns der Verstärkungen, die mit jedem Störungsbegriff X_i verbunden sind, ist ein Prozess der Anpassung durch eine einfache Vielfalt von neutralem Erlernen. Jede Verstärkungsfestsetzung der variablen Verstärkungsblocks 621–625 wird durch ihre Verstärkungssteuerschaltung (GCC) 631–635 modifiziert. Alle Verstärkungssteuerschaltungen 631–635 sind identisch (aber empfangen unterschiedliche Eingänge). Auf einer kontinuierlichen Basis wird die Verstärkungsfestsetzung ρ_i jeder Verstärkungssteuerschaltung 631–635, mit Ausnahme der Referenzverstärkung ρ_R, durch die Addition kleiner (positiver oder negativer) Werte Δρ_i modifiziert, gemäß: ρi → ρi + Δρi 5(a) Δρi(t) = μui(t)ν'(t) 5(b)wobei μ eine kleine Zahl typischerweise in dem Bereich von 0,000001 bis 0,1 ist, die ein Dämpfungsfaktor ist, der auf alle variablen Verstärkungsblocks 621–625 angewandt wird, um zu schnelle Verstärkungsänderungen zu verhindern, und v'(t) die temporäre Ableitung von v(t) ist, die durch das Differenzierglied 630 berechnet wird, der ein Signal in direkter Proportion und Polarität mit der Änderungsrate seines Eingangssignals produziert. Auf dieser Basis ist v', wenn der Steuerbegriff v fällt, negativ, und gemäß Gleichung (5b) werden alle Verstärkungsmodifizierer der Verstärkungsblocks Δρ für einen positiven u_i negativ sein. Deswegen werden die Verstärkungswerte fallen, und der Einfluss der Störungssignale X_i wird reduzierend sein. Dies trifft jedoch nur dann zu, wenn der andere Eingang zu der Gleichung (5b), dem Resonatorbegriff, positiv ist. Das Störungssignal kann negativ sein, was das negative Ableitungssignal aufheben würde, wobei ein positiver Einfluss produziert wird. Die Polarität der Störungssensorsignale und der Signale innerhalb des CMP-Filters sind zugeordnet, um die Steuerschleife auf eine konvergierende Art und Weise zu beeinflussen, andernfalls würde positive Rückkopplung auftreten, die zu Instabilität der Schleife führen würde.
9 stellt Wellenformen bereit, die die Beziehung zwischen v, v' und u_i in einem Fall zeigen, in dem die besondere Funktion u_i gut mit einem Scheitel in der Ableitung v' korreliert ist.
Da das Differenzierglied nur bei dem einen Begriff v in Betrieb ist, braucht er nicht „physisch" in jeder Verstärkungssteuerschaltung 631–635 präsent zu sein und kann als eine gemeinsame Einrichtung 630, wie in 6 gezeigt, existieren, wobei ein Ergebnis in alle Verstärkungssteuerschaltungen 631–635 der Kanäle gespeist wird. Bei alternativen Implementierungen kann es günstig sein, den Differenzierungsschritt mit den individuellen GCC-Funktionen zu kombinieren. In anderen Fällen kann die Ableitungsfunktion bereits irgendwo in dem Steuersystem implizit sein, und ein expliziter Schritt würde ausgelassen.
Der Lernprozess in einem auf einem CMP-Filter basierenden geschlossenen Regelsystem ist ein konvergenter Prozess, dass von selbst anhalten wird (was unendliches Wachstum der Verstärkungen ρ verhindert), wobei es sich bei den optimalen Werten für die verschiedenen Störungen absetzt. Der Grund dafür besteht darin, dass, während des Prozesses der Anpassung an eine oder mehrere Störungen X_i, sich die Stellgröße des Prozesses einstellen wird, um den Störungen X_i entgegenzuwirken, und somit wird ihre relative Wirkung abschwächen. Als eine Folge wird die Wirkung der Störungen X_i allmählich aus dem Prozess entfernt, und der/die Verstärkungswert(e) ρ_i für jede einzelne Störungsreaktion u_i wird sich an seinem optimalen Wert absetzen. Die Anpassung wird fortgesetzt, wenn eine Veränderung bei der Störung auftritt, die nicht voll durch die gegenwärtige Einstellung ihres zugehörigen Verstärkungswerts kompensiert wird. Der Dämpfungsfaktor μ (der nicht für jede Störung der gleiche sein muss) stellt effektiv die Anzahl an Koinzidenzen ein, die beobachtet werden müssen, um eine definitive Korrelation zu konstituieren.
10 zeigt ein Blockdiagramm eines modifizierten CMP-Filters, wodurch, an Stelle von mehrfach feststehenden Resonatoren, ein oder mehrere Resonatorreaktionssteuerschaltungen (RRCC) 1000 die Frequenzgängen innerhalb Resonatoren 1010, 1020 mit variabler Reaktion für die Störung X₁ einstellen. Primär wird dies das Angleichen der Resonanzfrequenz einschließen, aber im Prinzip könnte der Q-Faktor ebenfalls eingestellt werden. Der Störungskanal für die Störung X₂, der variable Resonatoren beinhaltet, die variablen Verstärkungsblocks 623 bis 625 und die Verstärkungssteuerschaltungen 633 bis 635 sind nicht so detailliert gezeigt. Der Rest der Komponenten des in 10 gezeigten CMP-Filters, wie etwa der herkömmliche Block 604, die Summierungseinrichtung 606 und das Differenzierglied 630 können auf die gleiche Art und Weise wie für den CMP-Filter aus 6 in Betrieb sein und gewährleisten deswegen keine weitere Beschreibung.
Das Verwenden von Resonatoren mit variablen Reaktionen 1010, 1020 stellt den Vorteil des Reduzierens der Anzahl an Resonatoren bereit, die erforderlich sind, um die Störungen X_i mit dem Prozesssteuerbegriff v zu korrelieren. Anstatt eine große Menge, wie etwa zehn, an Resonatoren pro Störung zu erfordern, kann unter Verwendung von vorzugsweise nicht mehr als zwei Resonatoren mit variabler Reaktion pro Störung die gleiche Wirkung erreicht werden, wobei ein Nachteil darin besteht, dass zusätzlich zu der erhöhten Schaltungskomplexität der Lernprozess leicht gestreckt ist, da sich die variablen Resonatoren ebenfalls einstellen müssen, um den Störungen zu entsprechen. Es muss ebenfalls darauf geachtet werden, die Stabilität des Regelkreises zu bewahren.
Jede Resonatorreaktionssteuerschaltung (RRCC) 1000 funktioniert auf folgende Art und Weise: Ein Anzeigegerät des Korrelationserfolgs für jede Störung ist die Größenordnung des Gewichtsbegriffs jeder Verstärkungssteuerschaltung (GCC) 631, 632. Diese werden in Kooperation mit dem Ausgang aus dem Resonator u_i jedes Kanals und der Ableitung des Verfahrensbegriffs v' verwendet, um den Frequenzgang jedes Resonators 1010, 1020 mit variabler Reaktion zu modifizieren, um die Größenordnung der Gewichtslaufzeiten an der optimalen Korrelation der Störung in Bezug auf den Prozessbegriff v zu maximieren. Wenn mehr als ein Resonator 1010, 1020 pro Störungssignal X_i verwendet wird, wie in dem Beispiel von 10 gezeigt, dann bewertet die RRCC (1000) alle relevanten Signale, die mit der Störung verbunden sind, um den Frequenzgang aller Resonatoren, die mit dieser bestimmten Störung verbunden sind, einzustellen. Unterschiedliche Reaktionen werden für die Resonatoren, die mit jeder Störung verbunden sind, ausgewählt, um die Korrelationsfenster während der anfänglichen Perioden des Lernens zu maximieren, wobei sich die Fenster verengen, wenn das Lernen voranschreitet und optimale Einstellungen erreicht sind.
11 präsentiert ein praktisches Beispiel eines Steuergeräts für einen sich bewegenden Roboter 1100, um die Funktionalität dieser Erfindung zu demonstrieren. Für die Umgebungssensoren gebraucht der Roboter Bumpsensoren 1102(FL), 1102(FR), 1102(BL) 1102(BR), einer in jeder Ecke, und drei visuelle Bereichssensoren, einen fortschrittlichen Sensor 1104(F) und die anderen zwei in die vordere Ecke sehenden Sensoren 1106(FL), 1106(FR). Die Suffixe der Sensoren L, R, F, B, die individuell oder in Kombination verwendet werden, kennzeichnen „links", „rechts", „vorne" bzw. „hinten".
In diesem Beispiel ist ein komplexeres auf einem CMP-Filter basierendes Steuergerät in dem Robotersystem angenommen, worauf sich zwei Regelungssysteme (Φ), (S) befinden, die nicht in Isolation in Betrieb sind, aber eng aneinander gekoppelt sind. Dies beinhaltet einen Regelkreis, der Antriebssteuerung bewirkt, mit dem Ausgang S (Geschwindigkeit – innerhalb der Reichweite nach vorne/Stopp/nach hinten) und einen Regelkreis, der Lenkbetätigung bewirkt, mit dem Ausgang Φ (innerhalb der Reichweite links/geradeaus/rechts).
Das Steuersystem beinhaltet ähnliche Komponenten wie für die vorhergehenden Beispiele: für jede visuelle (Reichweite) Störung sind entsprechende Banken von Resonatoren 1108 usw. vorhanden (in diesem bestimmten Beispiel sind feststehende Reaktionen vorhanden, könnten aber variable Reaktionen sein, die weniger Gewichte verwenden), für jede physikalische (Unebenheit) Störung sind entsprechende Filter 1110(L), 1110(R), 1110(F), 1110(B) mit feststehenden Reaktionen, Verstärkungssteuerschaltungen 1112(ϕ), 1112(s) usw. und Summierungseinrichtungen 1114(ϕ), 1114(s) vorhanden. Das Steuergerät beinhaltet ebenfalls einen zusätzlichen Ableitungsblock f' 1116 und ein Vorspannmittel 1118, dessen Betrieb später beschrieben wird. Die variablen Verstärkungsblocks 621 aus 6 existieren in dem Robotersteuergerät, bildlich dargestellt als ein großer Pfeil, der den Bus der gewichteten Ausgänge jeder Resonatorbank 1108 usw. kreuzt, wenn sie in die Summierungseinrichtungen 1114(ϕ), 1114(s) eingegeben werden. Bandpassfilter 1110(L), 1110(R), 1110(F), 1110(B) sind analog zu den Blocks 604 mit feststehender Reaktion aus 6, die X_R verarbeiten. Die Resonatoren 1108 usw., GCCs 1112(ϕ), 1112(S) usw. und die Verstärkungsblocks sind analog zu den Resonatoren 611 usw., GCCs 631 usw. und variablen Verstärkungsblocks 621 usw. aus 6, die die Störungssignale X₁, X₂ usw. verarbeiten. Drei repräsentative Kanäle mit den Reaktionen f, f/2, f/N sind für jede Störung gezeigt.
Es ist leicht ersichtlich, das die gezeigte „Schaltung" gänzlich in digitaler Form oder gänzlich in analoger Form in jeder Mischung dieser und in jeder Mischung von Hardware und Software, wie angemessen, implementiert werden könnte.
Während seiner anfänglichen Überwindung von jedem Hindernis wird der Roboter 1100 anfangs seine Bumpsensoren 1102 verwenden, um das Steuersystem unter Verwendung einer Rückwärtsregelung und des Lenkens, um jedes Hindernis zu überwinden, über die Grenzen zu informieren, in denen es in Betrieb ist. Die visuellen Bereichssensoren 1104(F), 1106(FL), 1106(FR) informieren das Steuersystem potenziell über eine bevorstehende Kollision, aber das Steuersystem wird anfangs nicht die Verbindung zwischen den visuellen Anreizen und einem Bumpsignal erlernt haben, das temporär etwas später auftritt. Sobald der CMP-Filter erlernt hat, dass eine Beziehung zwischen den zweien vorhanden ist, wird das Roboterregelungssystem imstande sein, die Steuerwege, die mit dem Antrieb S und besonders der Lenkung Φ durch direkten Einfluss der visuellen Sensoren 1104(F), 1106(FL), 1106(FR) verbunden sind, zu modifizieren, wobei der Roboter 1100 von einem Hindernis weggelenkt wird, bevor er es stößt.
Das Signal aus jedem Bumpsensor 1102(FL), 1102(FR), 1102(BL), 1102(BR) wird in beide Regelkreise gespeist. Die vorderen Bumpsensoren 1102(FL), 1102(FR) sind für die Steuerung der Umkehrgeschwindigkeit zusammen als ein negatives Signal in den Geschwindigkeits(s)-Regelkreis gekoppelt, und die hinteren Bumpsensoren 1102(BL), 1102(BR) sind für die Steuerung der Geschwindigkeit nach vorne zusammen als ein positives Signal in den Geschwindigkeits(s)-Regelkreis gekoppelt. Ein zusätzliches Vorspannmittel 1118 wird in den gleichen Geschwindigkeits(s)-Regelkreis gespeist, um eine Nicht-Nullgeschwindigkeit einzustellen, so dass sich ein nicht angereizter Roboter bei einer konstanten Geschwindigkeit nach vorne bewegt, bis er ein Signal von einem Umgebungssensor 1102(FL), 1102(FR), 1102(BL), 1102(BR), 1104(F), 1106(FL), 1106(FR) empfängt. Auf die gleiche Art und Weise wie für die Geschwindigkeitssteuerung sind die rechten Bumpsensoren 1102(FR), 1102(BR) für die linke Richtungssteuerung zusammen als ein negatives Signal in den Lenkungs(Φ)-Regelkreis gekoppelt, und die Bumpsensoren 1102(FL), 1102(BL) sind für die rechte Richtungssteuerung zusammen als ein positives Signal in den Lenkungs(Φ)-Regelkreis gekoppelt. Ein nicht angereizter Roboter wird sich geradeaus bewegen, bis er ein Signal von einem Umgebungssensor empfängt. Es wird anerkannt werden, dass ein Roboter, der eine reale Arbeit verrichten soll, zusätzliche Anreize erhält, um gewünschte Änderungen in der Geschwindigkeit und der Richtung anzuzeigen, die das Steuergerät in Kombination mit den hier dargestellten Sensoreingängen beeinflussen werden. In der vorliegenden Anwendung wird den Resonatoren für die Bumpsignale ein relativ niedriges Q zugewiesen, wie etwa 0,6, um hohes Dämpfen bereitzustellen und „Überschwingweite" in ihrer Reaktion (nach einer Unebenheit sollte der Roboter umkehren und nicht vor und zurück oszillieren) zu vermeiden.
Die nach vorne, links und rechts sehenden Reichweitensensoren 1104(F), 1106(FL), 1106(FR) werden in ihre eigenen zugeordneten Bänke von Resonatoren 1108 gespeist, deren Ausgänge in beide Regelschleifen s, Φ speisen. Schließlich wird das Regelschleifen-Kreuzkoppeln durch Nehmen jeder Ausgangssteuergröße S und Φ (aus der Summierungseinrichtung) erreicht, und durch Speisen davon in eine Bank von Resonatoren, die in die andere Regelschleife speisen. In dem Fall, in dem die Geschwindigkeitssteuerung die Lenkungs(Φ)-Steuerung beeinflusst, wird ihre Ableitung f' genommen, um den Versatz von der konstanten Geschwindigkeitsvorspannung 1112 zu entfernen. Ohne Regelschleifen-Kreuzkopplung würde der CMP-Filter nicht fähig sein, eine Änderung der Geschwindigkeit mit einer Änderung der Richtung und eine Änderung der Richtung mit einer Änderung der Geschwindigkeit in Beziehung zu setzen. Dies stellt sicher, dass der Roboter, wenn er umkehrt, seine Lenkung modifiziert, um einen engen Bogen weg von einem Hindernis, mit dem er gerade kollidiert ist, zu durchlaufen, bis der visuelle Sensor anzeigt, dass er das Hindernis nicht länger sieht, und um ebenfalls sicherzustellen, dass die Geschwindigkeit reduziert wird, wenn enge Lenkungsbögen durchgeführt werden.
Idealerweise wird der visuelle Sensor immer fähig sein, den Roboter von Hindernissen wegzulenken, und die Bumpsensoren würden deswegen nie aktiviert sein, aber in der Realität wird der Roboter immer noch das Potential aufweisen, in Situationen zu geraten, aus denen es nicht herausgelenkt werden kann. In diesen Fällen werden die Bumpsensoren 1102 immer noch erforderlich sein, aber mehr als ein sekundärer Sensor, eher als die primären Sensoren, die sie am Anfang des Lernverfahrens waren. Einige typische Situationen könnten das Fahren in eine verdunkelte Sackgasse sein oder beim Umkehren und Stoßen an ein Hindernis (es sind keine umkehrenden visuellen Sensoren in diesem Beispiel vorhanden, obwohl der fachmännische Leser anerkennen wird, das dies mit der Zugabe weiterer Sensoren und Steuerlaufzeiten erreicht werden könnte).
Um Hindernisse zu überwinden, hätten dem Roboter traditionell verschiedene Parameter gelehrt werden müssen, die sich auf die Umgebung beziehen. Die vorliegende Erfindung braucht lediglich mit Regelschleifenparametern konfiguriert zu werden, die sicherstellen, dass die Steuerung des Roboters gleichmäßig ist, wie etwa Resonatorreaktionen, die auf die visuellen Sensorausgänge zugeschnitten sind. Keiner der Parameter ist umgebend, aber mit der Ausgestaltung des Roboters verbunden. Sie sind lediglich an dem Punkt der Ausgestaltung des Roboters festgesetzt und benötigen keine weitere Einstellung. Im Gegensatz dazu würden einem traditionellen Roboter neue Parameter, die mit jeder neuen Umgebung verbunden sind, in der er in Betrieb sein muss, gelehrt werden müssen. Das neuartige Steuergerät würde einem Roboter erlauben, in unterschiedlichen Umgebungen platziert zu werden, ohne jegliche Einstellung zu benötigen, und nimmt ebenfalls seine Reaktion an, wenn der Mechanismus des Roboters verschleißt oder sich die Natur der Umgebung ändert.
Unter Bezugnahme auf 12 kann man sehen, wie der Roboter (hier auf einem Computer simuliert) ein „Labyrinth" voller Hindernisse durchläuft, wobei er bei Punkt „0" beginnt und bei „11000" (Zeitschritte von willkürlichem Wert) endet. Wenn der Roboter Hindernisse überwindet, stellen sich die CMP-Filter ein, um eine Beziehung zwischen visuellem Fühlen, Lenken und Geschwindigkeit bereitzustellen. Man kann sehen, dass die Anzahl an Kollisionen allmählich reduziert wird, bis zu dem Punkt, an dem der Roboter bewerkstelligt, lange Distanzen ohne jegliche Kollisionen zu durchlaufen, insbesondere von der Ecke oben links (Zeitschritte 7900–8900) zu dem Endpunkt. Kleine Lenkungskorrekturen können gesehen werden, wo der visuelle Sensor eine bevorstehende Kollision angezeigt hat, die verursacht, dass sich der Lenkungskreis im Voraus einstellt, wobei der Roboter von dem Hindernis weggelenkt wird. In der niedrigeren linken Ecke, in der das Ergebnis des Erlernens am deutlichsten erkennbar ist, ist der Weg, der nach draußen führt mit OUT gekennzeichnet, und der Rückweg, der später in der Zeit liegt, ist mit RTN gekennzeichnet. Bei näherer Inspektion kann man sehen, dass der Roboter nach der in der Ecke links oben verbrachten Periode 7900–8900 erheblich eher imstande ist, zu Lenken, ohne in Hindernisse zu stoßen. Dies geschieht aufgrund des Erlernens, das das Steuersystems während dieser Periode erreicht hat, da der Roboter an eine große Anzahl an Hindernissen stoßen musste, um fähig zu sein, aus der Ecke herauszulenken.
Unter Bezugnahme auf 13 kann man beobachten, dass die Änderungsrate der Gewichtungen des Resonators während der Periode 7900–8900 des Roboters in der Ecke bedeutend höher ist als bei jeder anderen Zeit während seiner Reise. Dies zeigt einen Satz an zehn Gewichtungen ρ_i für zehn Resonatoren, die mit dem linken Reichweitensensor 1106(FL) verbunden sind, wenn er die Lenkungsstellgröße Φ beeinträchtigt. Unter Berücksichtigung aller Sensoren und der Kreuzkorrelationswege zwischen Φ und S wird anerkannt, dass die Beispielschaltung als ein Ganzes 5 × 50 = 50 Resonatoren 1108 und individuelle 8 × 10 = 80 Verstärkungssteuerschaltungen (GCCs) 1112(ϕ), 1112(s) usw. gebrauchen kann. Mann kann ebenfalls beobachten, dass sich die Gewichtungen nach Schritt 9000 weiterhin langsam verändern, selbst wenn keine Kollisionen vorhanden sind. Dies ist der erlernte wechselseitige Einfluss der Ausgänge aus ausschließlich den visuellen Sensoren, wobei die Gewichtungen auf ihre optimalen Einstellungen eingestellt werden.
Die Sensoren, die verwendet werden, um umgebendes Fühlen zu erwirken, könnten ebenso gut bereitgestellt werden, wobei sie unterschiedliche Sensortechnologien, wie etwa Ultraschallbereichssensoren, visuelle Bildverarbeitungssensoren, Strahlungssensoren, Elektromagnetfeldsensoren, Radarsensoren usw. verwenden, wobei das Verfahren, durch das der Roboter seine Umgebung fühlt, nicht essentiell für die neuartige Erfindung ist.
Die Methodologie, die verwendet wird, um Robotersteuerung zu erwirken, könnte genauso gut in anderen Anwendungen benutzt werden, wie etwa einer chemischen Anlage, in der zum Beispiel die Störungssignale Druck und Temperatur sind und die Steuerbegriffe Strömungsgeschwindigkeit und Wärmesteuerung sind.
Das Verfahren, durch die der auf einem CMP-Filter basierende Roboter optimierte Gewichte erreicht, die mit jeder Störung verbunden sind, ist nicht auf einen „Lern"-Prozess begrenzt. Das „Erlernen" kann von einem anderen Roboter erreicht und die „erlernten" Parameter als eine Anfangsbedingung an einen „ungelernten" Roboter übergeben worden sein, so dass der „ungelernte" Roboter sofort ein „Labyrinth" an Hindernissen überwinden kann. Der Roboter des CMP-basierten Filters kann imstande sein, des Weiteren die Gewichte anzunehmen, die mit jeder Störung verbunden sind, wenn die Zeit fortschreitet, um dem Roboter zu erlauben, sich den Änderungen, wie etwa einer anderen Umgebung oder physikalischer Degradation anzugleichen, oder kann feststehende Gewichte als eine kostengünstigere Lösung auf Kosten von Verlust von Anpassbarkeit an sich ändernde Umgebungen oder physikalische Degradation des Roboters gebrauchen.
Der fachmännische Leser wird anerkennen, dass zahlreiche Variationen innerhalb der Prinzipien der oben beschriebenen Vorrichtung möglich sind. Mehr oder weniger Strategien können erprobt werden, und Variationen von jeder können innerhalb der festgelegten Regeln bereitgestellt werden.
Demgemäß versteht es sich, dass die hierin dargestellten Ausführungsformen zwecks Verständnis als Beispiel dargelegt sind und nicht beabsichtigt sind, um den Bereich der beanspruchten Erfindung einzuschränken.

Claims

Ein Steuergerät (200) zum Steuern einer Vorrichtung oder eines Systems, im Folgenden als „die Vorrichtung" bezeichnet, wobei das Steuergerät erste Eingangsmittel zum Empfangen eines primären Eingangssignals (X_R), das einen gemessenen Zustand der Vorrichtung darstellt, und Signalverarbeitungsmittel (604), die auf das primäre Eingangssignal reagieren, um ein Steuersignal (V) zum Beeinflussen des Zustands der Vorrichtung zu erzeugen, damit diese einen gewünschten Zustand beibehält, beinhaltet, wobei das Steuergerät mindestens einen weiteren Eingang für ein Signal aufweist, das zusätzliche Messungen der Vorrichtung oder ihrer Umgebung darstellt, wobei das Verarbeitungsmittel für das Signal (X₁) korrigierende Mittel (606–625) zum Einschließen von Korrekturen in dem Steuersignal in Reaktion auf das zusätzliche Messungssignal einschließt, gekennzeichnet durch Mittel (631–635) zum automatischen Konditionieren der Reaktion der korrigierenden Mittel in Reaktion auf eine temporäre Kreuzkorrelation, die zwischen dem zusätzlichen Messungssignal und dem Steuersignal, das während des Betriebs des Steuergeräts und der Vorrichtung zusammen beobachtet wird, beobachtet wird.
Steuergerät gemäß Anspruch 1, wobei das Konditioniermittel Mittel zum Einstellen einer Verstärkung (ρ) und eines Frequenzgangs (h) eines Signalwegs in den korrigierenden Mitteln beinhaltet.
Steuergerät gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das korrigierende Mittel Mittel zum Filtern des zusätzlichen Signals (X₁) mittels einer Vielzahl von Filtern (611–612), die verschiedene feststehende Impulsreaktionen (h₀-h_M) aufweisen und Mittel (606, 621–622) zum Bilden einer gewichteten Summe der verschieden gefilterten Signale, um die anzuwendende Korrektur abzuleiten, beinhaltet, wobei das Konditioniermittel Mittel (631–632) zum Einstellen der Gewichtungen (ρ₀-ρ_M) der verschiedenen Signalwege in Reaktion auf ihre jeweilige beobachtete Korrelation mit dem Steuersignal (V) beinhaltet.
Steuergerät gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei das Konditioniermittel angeordnet ist, um die Korrelation durch Vervielfachen des Signals von jedem Weg mit einer Ableitung (V') des Steuersignals zu beobachten und das Produkt der Signale im Zeitablauf zu integrieren, um die Gewichtung abzuleiten.
Steuergerät gemäß Anspruch 4, wobei die Integration imstande ist, auf einem feststehenden Wert gehalten zu werden, so dass das automatische Konditionieren bei Fehlen eines Anreizes beibehalten wird.
Steuergerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Vielzahl von zusätzlichen Eingängen (X₂ usw.) aufweist, wobei jeder Eingang zugehörige korrigierende Mittel und Konditioniermittel innerhalb des Signalverarbeitungsmittels aufweist.
Steuergerät gemäß Anspruch 6, wobei von jedem korrigierenden Mittel verschiedene Mengen (M, N) an Filtern verwendet werden.
Steuergerät gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei von jedem korrigierenden Mittel verschiedene Filtercharakteristiken (h) verwendet werden.
Steuergerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das angeordnet ist, um mehrfache Steuersignale auf der Basis von mindestens einigen derselben Eingangssignale zu erzeugen, wobei das Signalverarbeitungsmittel korrigierende Mittel (1114) und Konditioniermittel (1112) zur Erzeugung jedes Steuersignals (S, Φ) einschließt.
Steuergerät gemäß Anspruch 9, wobei ein erstes Steuersignal (S) angeschlossen ist, um als zusätzlicher Messungseingang für ein korrigierendes Mittel zum Erzeugen eines zweiten Steuersignals (Φ) zu dienen.
Steuergerät gemäß Anspruch 10, wobei eine Ableitung oder eine andere Transformation auf mindestens einen der Messungseingänge als ein vorausgehender Verarbeitungsschritt angewandt wird (1116).
Steuergerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich mehrfache korrigierende Mittel Filterkomponenten (1108) teilen.
Steuergerät im Wesentlichen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das korrigierende Mittel durch eines mit einer feststehenden Reaktion, die von einem anderen Steuergerät, das die feststehende Reaktion im Betrieb erlernt hat, übermittelt wurde, ersetzt wird.
Steuergerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Nicht-Null-Reaktion in das korrigierende Mittel als eine Anfangsbedingung eingesetzt wurde, wobei das Steuergerät dann imstande ist, die Reaktion des korrigierenden Mittels während seines anhaltenden Betriebs einzustellen.
Ein Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung oder eines Systems, im Folgenden als „die Vorrichtung" bezeichnet, wobei das Verfahren auf einer beständigen Basis Folgendes beinhaltet: – Empfangen eines primären Eingangssignals (X_R), welches einen gemessenen Zustand der Vorrichtung darstellt; – Erzeugen eines Steuersignals (V) zum Beeinflussen des Zustands der Vorrichtung in Reaktion auf das primäre Eingangssignal, damit diese einen gewünschten Zustand beibehält; – Empfangen mindestens eines weiteren Eingangssignals (X₁), welches zusätzliche Messungen der Vorrichtung oder ihrer Umgebung darstellt; – Einschließen von Korrekturen in dem Steuersignal in Reaktion auf das zusätzliche Messungssignal; und gekennzeichnet durch – automatisches Konditionieren der Reaktion der korrigierenden Mittel in Reaktion auf eine temporäre Kreuzkorrelation, die zwischen dem zusätzlichen Messungssignal und dem Steuersignal, das während des Betriebs des Steuergeräts und der Vorrichtung zusammen beobachtet wird, beobachtet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei der korrigierende Schritt das Filtern des zusätzlichen Signals mittels einer Vielzahl von Filterfunktionen, die verschiedene feststehende Impulsreaktionen aufweisen, und das Bilden einer gewichteten Summe der verschieden gefilterten Signale, um die anzuwendende Korrektur abzuleiten, beinhaltet, wobei der Konditionierschritt das Einstellen der Gewichtungen der verschiedenen Signalwege in Reaktion auf ihre jeweilige beobachtete Korrelation mit dem Steuersignal beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei der Konditionierschritt mit einer Nullbedingung anfängt.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei der Konditionierschritt mit einem Nicht-Null-Satz von Bedingungen anfängt.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Konditionierschritt mit einem Nicht-Null-Satz von Bedingungen, die durch das Steuern einer anderen Vorrichtung erlernt wurden, anfängt.