專利名稱：用于增益調(diào)度控制的系統(tǒng)的制作方法
用于增益調(diào)度控制的系統(tǒng)
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及控制器尤其是反饋控制器。更加特別的是，本發(fā)明涉及狀態(tài)和 輸出反饋控制器。
2005年12月15日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?1/444850在此全文引入作為參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一個(gè)增益調(diào)度反饋控制器。


圖l示出了一狀態(tài)反饋控制器；
圖2a和2b示出了一增益調(diào)度狀態(tài)反饋控制器；
圖3示出了一輸出反饋控制器；以及
圖4示出了一增益調(diào)度輸出反饋控制器。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明可以解決的技術(shù)或者商業(yè)需求如下所述。增益調(diào)度控制器可以是用 于非線性對(duì)象的一種控制器設(shè)計(jì)?？梢詫⒍鄠€(gè)線性控制器放在一起，根據(jù)外源 或內(nèi)源調(diào)度變量從一個(gè)線性控制器切換到另一個(gè)，來(lái)實(shí)現(xiàn)增益調(diào)度控制器。本 系統(tǒng)是以相比于現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)某些閉環(huán)性能屬性的方式在控制器之間切換的技 術(shù)。
如果設(shè)計(jì)的線性控制器是"狀態(tài)反饋"結(jié)構(gòu)，那么在不論任何時(shí)間本系統(tǒng) 都可以并行實(shí)現(xiàn)每一個(gè)控制器的狀態(tài)觀察組件。這樣導(dǎo)致任何一個(gè)子控制器的 估計(jì)狀態(tài)更加接近于其"正確狀態(tài)"而不會(huì)由于初始化狀態(tài)觀察器導(dǎo)致產(chǎn)生不 想要的過(guò)渡過(guò)程效應(yīng)。通過(guò)并行運(yùn)行每一個(gè)狀態(tài)觀察器，減輕了啟動(dòng)過(guò)渡過(guò)程 的影響。
如果線性控制器是"輸出反饋形式"，那么本系統(tǒng)可將每一個(gè)控制器都懶軍 成它們的組件一內(nèi)部模型和不變的Youla參數(shù)。線性模型可適于線性控制器設(shè) 計(jì)使用的操作點(diǎn)。這樣，這些控制器可實(shí)現(xiàn)為并排的內(nèi)部模型以及并排的Youla參數(shù)。切換可以配置為用于確保閉環(huán)穩(wěn)定性。
本系統(tǒng)可以使用在非統(tǒng)性對(duì)象的增益調(diào)度控制中。設(shè)計(jì)方法可以使用具有 四個(gè)主步驟的標(biāo)準(zhǔn)增益調(diào)度控制設(shè)計(jì)過(guò)程。這些步驟包括l)計(jì)算對(duì)象的統(tǒng)性 參數(shù)變化(LPV)模型；2) j頓線性技術(shù)設(shè)計(jì)用于對(duì)象的各線性化模型的線性 子控制器，其對(duì)于調(diào)度參數(shù)a(t)的純不同；3)實(shí)現(xiàn)線性控制器族，使得總的 控制器根據(jù)調(diào)度體e(t)的輕化；以及4)分別通過(guò)分析和仿真方法根據(jù)局部 和全局屬性評(píng)價(jià)穩(wěn)定性和性能。本文中步驟3可認(rèn)為是重要的。
本系統(tǒng)可以是這樣一種技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)步驟3 (控制器增益變化)，使得步驟 4中通常評(píng)估的多個(gè)性能屬性被考慮。該系統(tǒng)可以在兩種控制器中實(shí)現(xiàn)，"狀態(tài) 反饋"和"輸出反饋"，它們可由步驟2中的線性設(shè)計(jì)產(chǎn)生。對(duì)于狀態(tài)反饋控制 器，本系統(tǒng)可以減少線性子控制器之間切換產(chǎn)生的過(guò)渡過(guò)程效應(yīng)。對(duì)于輸出反 饋控制器，本系統(tǒng)可以提供具有想要的閉環(huán)穩(wěn)定屬性的增益調(diào)度控制器。
圖1中，線性狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)11可以由狀態(tài)觀察器12和狀態(tài)反饋控制 器13兩個(gè)組件組成。動(dòng)態(tài)狀態(tài)觀察器12可以M測(cè)量信號(hào)y(t)17提供對(duì)于對(duì) 象14的內(nèi)部狀態(tài)的估計(jì)雄)15。狀態(tài)反饋控制器13可以產(chǎn)生作為估計(jì)狀態(tài) 雄)15的函數(shù)的致動(dòng)器信號(hào)u④16。生成致動(dòng)器信號(hào)u①16可以使用簡(jiǎn)單的矩陣 乘法函數(shù)例如w(o = f . 或者彷射函數(shù)m(,) = f.雄)+ g 。致動(dòng)器信號(hào)16可以反 饋給狀態(tài)觀察器12。
圖2a示出的結(jié)構(gòu)中，增益調(diào)度可以定義為多個(gè)線性控制器101， 102之間 的切換，其中每一個(gè)線性控制器都設(shè)計(jì)為(例如通過(guò)其各系數(shù)的不同順序和/或 值)用于非線性對(duì)象G18的特定操作點(diǎn)，如可以通過(guò)e的某一靜態(tài)值或者其鄰 域定義。控制器開(kāi)關(guān)19的位置可以艦切換信號(hào)21，《1)^1,...111}來(lái)確定，其 指定了在任意給定的時(shí)刻t， w個(gè)控制器101， 102中哪一個(gè)聯(lián)機(jī)(其中w可以 在幾到幾千之間)。
例如，測(cè)量信號(hào)17可以指示增壓柴油引擎中的某一增壓壓力輸出，致動(dòng)器 信號(hào)16可以代表可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)中致動(dòng)器葉片的位置，致動(dòng)器、 渦輪增壓引擎、和傳感器組成了非線性對(duì)象G(e,s)18。然而，增壓壓力的響應(yīng) 量相對(duì)于信號(hào)17的不同量級(jí)來(lái)說(shuō)可以是非線性的。或者另外，增益量可以隨著 引擎18的輸出的轉(zhuǎn)速(ipm)而變化?？梢栽O(shè)計(jì)一組m個(gè)線性子控制器，每一 個(gè)都適合于某一范圍的弓1^^度，每一個(gè)都具有相對(duì)于彼此不同的增益或者頻率響應(yīng)。對(duì)于給定的速度范圍，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)19選擇具有期望增益的某個(gè)控制 器用于輸出16。對(duì)于另HI度范圍，可以選擇具有另一期望增益的不同的控制
器，諸如此類。可以艦根據(jù)操作引擎18的鵬范圍從一組或一排控制器中選 擇一個(gè)控制器，來(lái)調(diào)度增益。每一個(gè)狀態(tài)觀察器22， 23 (圖2b)對(duì)于它們各自 的啟動(dòng)過(guò)渡過(guò)程消失掉可能已經(jīng)工作了充分長(zhǎng)的時(shí)間。對(duì)于線性狀態(tài)觀察器， 啟動(dòng)過(guò)渡過(guò)程具有指數(shù)型快速的衰變率。 一個(gè)關(guān)鍵的特征是每一個(gè)狀態(tài)觀察器 都從真正的聯(lián)機(jī)控制信號(hào)u(t)運(yùn)行，而不是從以27， 28示出的每一付控制器
VL..Vm各自的輸出運(yùn)行。
對(duì)于增益調(diào)度狀態(tài)反饋控制器，圖2a和2b中的本系統(tǒng)10可包括IOT并排 的狀態(tài)觀察器22， 23，目標(biāo)是為了減少開(kāi)關(guān)過(guò)渡過(guò)程。這些圖顯示了在狀態(tài)反 饋控制器25， 26之間切換的一種設(shè)計(jì)，w個(gè)狀態(tài)觀察器22， 23中的每一個(gè)可 以彼此同時(shí)或者并行運(yùn)行，也就是說(shuō)，無(wú)論何時(shí)被選擇或者接入它們都準(zhǔn)備好 運(yùn)行。聯(lián)機(jī)致動(dòng)器信號(hào)u(t)16可以選擇為狀態(tài)反饋控制器輸出"(t)...vm(t)， 27， 28中的一個(gè)。很明顯在任意給定的時(shí)亥i収僅需要執(zhí)行m個(gè)狀態(tài)反饋塊25， 26 中的最多 - -個(gè)。這樣也就導(dǎo)致減少了在例如嵌入式控制器的一些計(jì)算環(huán)境中可 能很重要的要求實(shí)時(shí)的浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)量。測(cè)量信號(hào)y(t) 17可以輸入到本系統(tǒng)10 的狀態(tài)觀察器(1至m) 22， 23中。狀態(tài)觀察器和控制器的數(shù)量(m)從應(yīng)用 到一種對(duì)象18到應(yīng)用到另一種對(duì)象18分別可以變化。其數(shù)量范圍可以從幾到 幾千之間變化。
狀態(tài)觀察器l (22)到m (23)可以分別輸出估計(jì)狀態(tài)^)到、w， 31，
32到狀態(tài)反饋控制器1 (25)到m (26)。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于ffiil確保估計(jì)狀態(tài) 是準(zhǔn)備好的并且其初始化過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)完全或者部分消失，從而減少切換
過(guò)渡過(guò)程。下標(biāo)"j"為從l到m之間。
圖3示出了穩(wěn)定化線性輸出反饋控制器K(s)30的圖，其可以分解成兩個(gè)組 件，包括對(duì)象G(6，s) 35動(dòng)力學(xué)的內(nèi)部模型。(^,5)模塊33以及穩(wěn)定Youla參數(shù)
Q((Jq,s)模塊34。標(biāo)準(zhǔn)線性控制理論指出積極控制對(duì)應(yīng)于Youla參數(shù)的hj范數(shù)
leWl&的大值，而保守控制對(duì)應(yīng)于小值。好的內(nèi)部模型。W會(huì)導(dǎo)致由
G(力-d(力表示的其與真實(shí)對(duì)象的差異的h—范數(shù)的小值，而差的內(nèi)部模型不
會(huì)很緊密地匹配真實(shí)對(duì)象G(s)并且會(huì)導(dǎo)致差異的很大范數(shù)。對(duì)于模型不確定性的魯棒穩(wěn)定性可以在以下剝牛下確保
|g("(《|2(《<i，
其示出了建模和控制之間的一個(gè)折衷。也就是，只能通過(guò)好的模型信息達(dá)到積
極控制。測(cè)量信號(hào)y(t) 17可以/M象G35到腿制器K(s)30的輸入。信號(hào)y(t)
可以轉(zhuǎn)到一個(gè)接點(diǎn)36 (例如加法器)，其從信號(hào)17中減去信號(hào)37從而得到信號(hào) 38發(fā)往穩(wěn)定Youla參數(shù)Q(aq,s)模i央34。信號(hào)37可以來(lái)自內(nèi)部模型^^,力模塊
33，內(nèi)部模型&c7^)模塊33具有致動(dòng)器信號(hào)u(t) 16的輸入，致動(dòng)器信號(hào)u(t) 16
皿動(dòng)器信號(hào)穩(wěn)定Youla參數(shù)Q(s)模塊34的輸出。
為了理解將線性系統(tǒng)的直接輸出反饋控制結(jié)果應(yīng)用至排線性系統(tǒng)的非線性 控制涉及的問(wèn)題，可以首先考慮非統(tǒng)性對(duì)象G(納，其中乂0^納"(0是以下依 賴于參數(shù)的狀態(tài)空間系統(tǒng)的符號(hào)簡(jiǎn)寫形式，
(1)
<formula>formula see original document page 8</formula>其中x(t)表示G(^)的內(nèi)部狀態(tài)，雄)表示x(t)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。接下來(lái)，可以考慮一
般的輸出反饋控制器，^fe力，其中如上一樣表達(dá)式"(/)《(^)刃)是以下依賴 于參數(shù)的狀態(tài)空間系統(tǒng)的符^簡(jiǎn)寫形式，
他)物y
(2)
其中義必表示控制器《dv)的內(nèi)部狀態(tài)。
在這里，可以將式(i)中的變量《o理解為表示對(duì)于其上事實(shí)上沒(méi)有控制 的對(duì)象的改變。相反，M 一)用于表示可以是設(shè)計(jì)決定的控制器的調(diào)度或者 切換。閉環(huán)可以M式(2)禾n (i)產(chǎn)生，其中，
由
之,=4脫 )^約束， 其中
樣4
(3)
—40 風(fēng)^G( )— 物輝)
其中參數(shù)M(0,5(外C(^)廠B了以視為對(duì)象(1)的給定屬性，這些屬性在設(shè)計(jì)者的
影響的范圍之外。而控制器參數(shù){4^),^(^),0^)}將由控制工程師設(shè)計(jì)，需要指出，將風(fēng)o)O,復(fù)Q),CK))設(shè)計(jì)為使得(3)中表示的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，是一項(xiàng)很 困難的事情。由于這種困難，通?；蛘咄ㄟ^(guò)adhoc增益調(diào)度技術(shù)，或者M(jìn)非 常高級(jí)的數(shù)學(xué)來(lái)解決，它們都需要使用專門的工具并且對(duì)許可的控制器結(jié)構(gòu)施 加限制。兩種方案都不是很完善，因?yàn)楣I(yè)應(yīng)用需要穩(wěn)定性保證并且通常需要 使用常見(jiàn)的子控制器結(jié)構(gòu)，例如工業(yè)從業(yè)者很清楚其設(shè)計(jì)和調(diào)整的PID或者 Smith預(yù)測(cè)器。
作為第一步，可注意將圖3中對(duì)于線性控制系統(tǒng)示出的Youla對(duì)象參數(shù)化 一般化到本文中等式(1)， (2)中討論的類型的非線性控制系統(tǒng)的一個(gè)方面。 可以考慮接下來(lái)的對(duì)于(2)中的輸出反饋控制器的參數(shù)化，i繊出反饋控制器 由兩個(gè)組件組成，由20vs)表示的非線性Youla-Kucera參數(shù)，其中 "W=ek,》cK0-K0)是下面所示的系統(tǒng)的符號(hào)簡(jiǎn)寫形式，
<formula>formula see original document page 9</formula>(4)
以及由(^o^)表示的內(nèi)部模型，其中外)=。&，咖(/)是如下的系統(tǒng)的符號(hào)簡(jiǎn) 寫形式，
<formula>formula see original document page 9</formula>(5)
應(yīng)當(dāng)注意fflil將非線性對(duì)象(1)與(4)， (5)中分割的控制器互連形成的閉環(huán) 導(dǎo)致對(duì)于內(nèi)部模型(5)完美匹配(1)中的真實(shí)對(duì)象的情況(換句話說(shuō)即 化( "( ),《( )卜(，),，)，C)，對(duì)于(4)中的任意依賴于指數(shù)穩(wěn)定
參數(shù)的Youla參數(shù)^ 力，(3)中的指數(shù)穩(wěn)定閉環(huán)。這種結(jié)果在控制工程技術(shù)
中可稱為標(biāo)稱穩(wěn)定性(NS)結(jié)果。
閉環(huán)的標(biāo)稱穩(wěn)定性對(duì)于任意KK),Q( 》潮每成立，唯一的限制是
對(duì)于允許的 的^( )的穩(wěn)定性。對(duì)于其它性能需求，設(shè)計(jì)者可以自由設(shè)計(jì)W" ),
0( )}，不擔(dān)心設(shè)計(jì)不會(huì)導(dǎo)致標(biāo)稱指數(shù)穩(wěn)定閉環(huán)。對(duì)于關(guān)于(2 )中的HO;O,
^(^), C"o^的設(shè)計(jì)不一定能這么說(shuō)。如(3)所示，閉環(huán)的穩(wěn)定性以一種復(fù)雜
的方式依賴于W《Q), W《0^)}，對(duì)于其穩(wěn)定性的分析在當(dāng)前的控制工程領(lǐng)域
是一個(gè)公開(kāi)的問(wèn)題。
不確定的對(duì)象可以具有魯棒的丄2穩(wěn)定性。在任意的線性或者非線性控制系 統(tǒng)中，期望控制器的內(nèi)部模型(5(a ,力完美地反映(1)中的對(duì)象G(&力是不現(xiàn)實(shí)的。如果(1)中的對(duì)象具有有界的I2范數(shù)從而使得IG(《,"〈^ ，那么小增 益理論會(huì)導(dǎo)致由(1)， (4)， (5)形成的閉環(huán)的丄2穩(wěn)定性的如下充分條件，
G的-(^7g)j2K)IL,1 (9)
(9)中的第一項(xiàng)可以解釋為將u(t)映射到y(tǒng)(t)的系統(tǒng)的誘導(dǎo)范數(shù)，其中 y(t>n(t)+y2(t)， M((K7(納《)，少2 = (^^)"(0。 (9)中的關(guān)系與線性系統(tǒng)結(jié)
果相似，因?yàn)槠湓僖淮蚊鞔_地示出了建模和閉環(huán)穩(wěn)定性上的控制之間的折衷。 如果內(nèi)部模型(5和調(diào)度邏輯。g已設(shè)計(jì)為使得(9)中的第一范數(shù)小，那么控制工 程師對(duì)于g(。一)的設(shè)計(jì)將會(huì)更加自由。積極控制通常會(huì)導(dǎo)致更大的誘導(dǎo)范數(shù)
類似于文中對(duì)指數(shù)穩(wěn)定l
、而使得
$述，如果在內(nèi)部模型中使用了完美的模型信 —0 ，那么(9)會(huì)顯示在
二2
力l卜oo條件下
的(4)中的任意的^v)產(chǎn)生&穩(wěn)定化的控帝U器f( ^V)。對(duì)于線性系統(tǒng)《&)、 。(^,力和^V)的特定情況，(9)中的結(jié)果等價(jià)于對(duì)于具有Youla參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)
定義1的附加不明確模型不確定性的凡范數(shù)魯棒穩(wěn)定性結(jié)
(4)， (5)中的控制器結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)至樹于(1)中的丄2穩(wěn)定對(duì)象的全局穩(wěn)定化控 制器。為了明白這個(gè)，可以暫時(shí)放棄所有特定于問(wèn)題的理解，假設(shè)(5)中的內(nèi)
L2
部模型設(shè)計(jì)成了使得||6(~力
全局丄2穩(wěn)定閉環(huán)，其中^足夠小使得 1
那么可以通過(guò)選擇l
生成-
-水
、<
(10)
從而這樣的設(shè)計(jì)技術(shù)會(huì)對(duì)于任意等級(jí)的模型不確定性獲得穩(wěn)定性?？梢宰⒁庖?br> 下(10)中的結(jié)果，它顯示了設(shè)計(jì)全局穩(wěn)定化控制器(4)， (5)的潛力；然而，
由于它對(duì)于任意切換信號(hào)。g和^下的任意。和G都成立，它可能會(huì)非常保守。
事實(shí)上一個(gè)好的內(nèi)部模型應(yīng)使得
2
本發(fā)明的一個(gè)方法可在(4)和(5)中的形式的增益調(diào)度控制器的設(shè)計(jì)中
解決幾個(gè)乘U余的實(shí)際問(wèn)題。首先，實(shí)際中從來(lái)不能具有完美的模型信息，意味 著。( 力-GW"。第二，選擇一個(gè)指數(shù)穩(wěn)定的依賴于參數(shù)的矩陣^( )，盡管比G)中的完全問(wèn)題容易的多，仍然是不小的任務(wù)。第三就是允許控制設(shè)計(jì)師
選軒控制器的結(jié)構(gòu)(例如PID控制器或者Smith預(yù)測(cè)鵬制器)。本發(fā)明的一 個(gè)方法是對(duì)于非線性Youla參數(shù)(4)和內(nèi)部模型(5)使用一個(gè)特定的形式。
圖4示出了 (11)， (12)中的控制器結(jié)構(gòu)的圖示?？梢钥紤]具有兩個(gè)主組 件的控制器結(jié)構(gòu)。非統(tǒng)艦象的內(nèi)部模型，由一排"個(gè)線性對(duì)象模型組成，
一
"(0 = v。。 0)
(11)
和一排并行的Youla-Kucera參數(shù)，
、
帆 /(0 =少(0-勉K0、(/)
(12)
為了示出它們的穩(wěn)定性，可以寫出02)中的2( 力的狀態(tài)空間版本。Q( ，力
可以在狀態(tài)空間中fflil類似于(4)的形式實(shí)現(xiàn)，那么(12)中切換的Yonla參
數(shù)可以由下式給出
一 4 《
常量免陣
(13)
(14)
不是切換信號(hào) 的函數(shù)。矩陣
Q;HO,...,O, c，，O,...,O] (15)
中除了第J個(gè)塊元素之外其余都可為O。從上面的表示來(lái)看，(12)中的切換的 ^V)如^^于尸l,…,m每一個(gè)LTI O)都是禾急定的，對(duì)于任意 來(lái)說(shuō)指數(shù)穩(wěn) 定。(11)中的該組內(nèi)部模型與(13)至(15)中示出的具有相似的結(jié)構(gòu)。
可以注意到由于其結(jié)構(gòu)，除萄瞎非常不正常的環(huán)境下(11)中的內(nèi)部模型
ii組件將不會(huì)很好地匹配0)中的真實(shí)對(duì)象。這是想要如何設(shè)計(jì)本控制器(用于 對(duì)象的多個(gè)每個(gè)操作點(diǎn)的線性控制器)的一定程度上的有準(zhǔn)備的結(jié)果。但是特
定的結(jié)構(gòu)允許使用(9)中的小增益條件以獲得對(duì)于(1)， (11)， (12)中的閉
環(huán)的閉環(huán)L2穩(wěn)定性的充分結(jié)果，為
IG欣力-。(C7g力l 12(OV勺IL <1 (16)
其中范數(shù)指示了在所有的輸入信號(hào)和所有切換信號(hào)上估計(jì)的最壞情況誘導(dǎo)L2范
數(shù)。(16)中的第一項(xiàng)應(yīng)當(dāng)理解為將u(t)映射到y(tǒng)(t)的系統(tǒng)的誘導(dǎo)范數(shù)，其中
y(thyi(t)+y2(t),^((K (&M0, ^(o二。( ,咖(0。
可以看到(12)中的該一排Youla參數(shù)和開(kāi)關(guān)(圖4中標(biāo)為0O一))的最 壞情況誘導(dǎo)L2范數(shù)由下式限定，
一,
《幾=
(17)
對(duì)于任意切換信號(hào)Oq(t)，符號(hào)I表示線性系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)凡范數(shù)。相似的上限
對(duì)于圖4中的。(^,力的誘導(dǎo)范數(shù):^成立，
《(力
i2
G刺
(18)
對(duì)于任意的切換信號(hào)(Jg(t)。那么(17)， (18)， (16)示出了ffl31設(shè)計(jì)一個(gè)線性 控制器族可以設(shè)計(jì)出對(duì)于不確定&穩(wěn)定對(duì)象的魯棒穩(wěn)定閉環(huán)切換控制器。
如果(1)中的開(kāi)環(huán)對(duì)象是丄2穩(wěn)定的，那么L2穩(wěn)定閉環(huán)對(duì)于(O， (11)，
(12)來(lái)說(shuō)是可獲得的，因?yàn)?16)中的第一誘導(dǎo)范數(shù)對(duì)于任意 。( ，力l <oo，并且第二范婁樹于任意叫l(wèi)2( "s't <oo，并可以由設(shè)
計(jì)者選擇。另一方面，(16)中的內(nèi)容使得在生成穩(wěn)定增益調(diào)度控制器的過(guò)程中 建模和控制之間的折衷變得清楚。對(duì)于第一誘導(dǎo)范數(shù)產(chǎn)生小值的好的建模結(jié)果 可以使得設(shè)計(jì)者能夠?qū)τ诘诙稊?shù)選擇一個(gè)較大的值。積極控制會(huì)導(dǎo)致Youla 參數(shù)的大值。相反， 一個(gè)不好的模型(例如具有太少統(tǒng)性化點(diǎn)")會(huì)導(dǎo)致第一范 數(shù)的大值，并且限制設(shè)計(jì)者只肖g選擇小值的第二范數(shù)，小值的第二范數(shù)對(duì)應(yīng)于 保守控制器。(11 ) ， ( 12 )中的增益調(diào)度控制器可以是LTI控制器
《(力e々)r1 ，其中和可以取任意固定值。(ii)， (i2)
中的增益調(diào)度控制器可以允許w癇，Youla參數(shù)和對(duì)象參數(shù)具有不同的數(shù)量。 通常，設(shè)計(jì)者需要的Youla參數(shù)的數(shù)量至少與統(tǒng)性對(duì)象模型的數(shù)量相同，這樣 附》《 ?？梢灶A(yù)想{頓比模型更多的Youla參數(shù)例如來(lái)獲得不同的閉環(huán)性能。例 如，控制器可以j頓結(jié)構(gòu)(11)， (12)用于包含單個(gè)線'艦象n=l和多個(gè)控制 器mM的特定情況中。(11)， (12)中的控制M 的切換時(shí)間上可能經(jīng)歷控 制信號(hào)w(O中的跳躍不連續(xù)?？梢砸砸环N自然的方式改變這種結(jié)構(gòu)從而允許更平 滑的轉(zhuǎn)變。例如可以在一些結(jié)構(gòu)中使用切換后濾波器。如在2005年12月15號(hào) 提交的美國(guó)專利申請(qǐng)11/444850中討論的，在這里全文引入作為參考，可以設(shè)計(jì) 這樣一種切換后濾波器使得其改變切換導(dǎo)致的過(guò)渡過(guò)程信號(hào)。
可選擇的，(11)， (12)可以允許控制器之間的自然內(nèi)插，其中多種adhoc 技術(shù)不會(huì)使閉環(huán)(1)， (11)， (12)不穩(wěn)定。(16)中的結(jié)果可以通過(guò)小增益理
論獲得并且可以使用任意誘導(dǎo)范數(shù)。在這里可以使用L2范數(shù)，因?yàn)槠渑c// 范數(shù) 的聯(lián)系，/^范數(shù)在線性系統(tǒng)的魯棒控制中是常見(jiàn)的。
文中提到的某些設(shè)計(jì)步驟可以涉及增益調(diào)度設(shè)計(jì)。這些步驟可包括l)關(guān)于
由Og參數(shù)化的"個(gè)操作點(diǎn)的族線性化非線性模型，產(chǎn)生模型。lW,...，4w; 2)
設(shè)計(jì)線性控制器..,^)的族從而在每一個(gè)操作點(diǎn)上獲得想要的性能；3) 構(gòu)造增益調(diào)度控制器一_在每一個(gè)操作點(diǎn)上計(jì)算對(duì)應(yīng)的Youla-Kucera參數(shù)， &W = 、W(/ —《(力&W)-1 ， {頓如(11)， (12)中的因子Q^)和4W實(shí)現(xiàn)
控制器；4)分析穩(wěn)定性(16)， (9)和性能。 一個(gè)重要的步驟是文中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào) 的步驟3。這些步驟可以描述當(dāng)設(shè)計(jì)增益調(diào)度控制器時(shí)使用的程序。創(chuàng)造性步驟 (3)比其它方法更有價(jià)值因?yàn)樗?a)允許設(shè)計(jì)者使用直覺(jué)的工業(yè)上熟悉的例 如PID或者Sm他預(yù)測(cè)器的子控制器，(b)確保閉環(huán)穩(wěn)定性，以及(c)不需要 很專業(yè)的數(shù)學(xué)工具即可保證穩(wěn)定性。
圖4將增益調(diào)度輸出反饋控制器(K(cjg,(jq,s)) 40 (等式(1), (11)和(12) 中描述的)的本系統(tǒng)方面作為與線性控制器30相對(duì)的非線性控制器示出。增益 調(diào)度輸出反饋控制器系統(tǒng)40可以包括與一排55并行的Youla參數(shù)一起的一排 54并行的內(nèi)部模型。目的是確保閉環(huán)穩(wěn)定性以及減少切換過(guò)渡過(guò)程。在控制器 系統(tǒng)40中，測(cè)量信號(hào)y(t)17可以來(lái)自非統(tǒng)性對(duì)象G(e,s)18 (例如引擎或者其它
13項(xiàng)或者聯(lián)合體)并且轉(zhuǎn)至贖點(diǎn)51 (例如加法器)?？梢詮男盘?hào)17中減去來(lái)自開(kāi)
關(guān)44的信號(hào)52以獲得信號(hào)53。
來(lái)自內(nèi)部模型l到n (其中n可以介于幾到幾千之間)的并行排45中的一
個(gè)內(nèi)部模型的信號(hào)48可以由開(kāi)關(guān)44根據(jù)給開(kāi)關(guān)44的切換信號(hào)(ig(t) 42選擇為 信號(hào)52。該排45內(nèi)部模型和開(kāi)關(guān)44可以是切換的內(nèi)部模型塊。(s力54的一部分。
來(lái)自接點(diǎn)51的結(jié)果信號(hào)53可以轉(zhuǎn)到穩(wěn)定Youla參數(shù)1到m (其中m可以 介于幾到幾千之間)的并行排47。可以由開(kāi)關(guān)46根據(jù)切換信號(hào)cjq(t)43從該排 47的參數(shù)輸出49中的一錯(cuò)擇致動(dòng)器信號(hào)u(t) 16。致動(dòng)器信號(hào)16可以微合內(nèi) 部模型的排45。穩(wěn)定Youla參數(shù)的排47和開(kāi)關(guān)46可以是切換的穩(wěn)定Youla參 數(shù)塊55的一部分。
切換信號(hào)cJ(t)，類似于控制器10的切換信號(hào)21 (圖2a和2b)可以分割成
(J(，[(Jg(t) aq(t)]。信號(hào)(Tg(t)42可以轉(zhuǎn)到開(kāi)關(guān)44，并且確定在任意給定時(shí)間應(yīng)用
或使用并行排45的內(nèi)部模型G^...,Gn中的明P—個(gè)來(lái)提供輸出信號(hào)52。信號(hào)cjq(t)
43可以轉(zhuǎn)到開(kāi)關(guān)46并且確定在任意給定時(shí)間應(yīng)用或使用并行排47的Youla參
數(shù)Q,，...,Qm的信號(hào)49中的明卜個(gè)來(lái)提供輸出信號(hào)16。
如果內(nèi)部模型的并行排45和在由開(kāi)關(guān)44實(shí)現(xiàn)的它們的輸出的選擇中的切換
策略以這樣一種方式被構(gòu)造，可以確保閉環(huán)穩(wěn)定性，這種方式是切換的內(nèi)部模 型塊(5(^,力54提供的輸出結(jié)果52"接近"或者類似于非統(tǒng)[頓象18，如等式
(16)中變得明顯的。
更多的意見(jiàn)可關(guān)于文中對(duì)于用于非線性對(duì)象的增益調(diào)度控制器描述的控制 器結(jié)構(gòu)?？梢垣@得全局標(biāo)稱和魯棒穩(wěn)定性。可以認(rèn)為對(duì)于單個(gè)線性子控制器來(lái) 說(shuō)拍頓序或者結(jié)構(gòu)或者數(shù)量上沒(méi)有限制。
汽車系統(tǒng)用作LPV對(duì)象的激發(fā)實(shí)例。然而，應(yīng)當(dāng)注意通常的調(diào)度變量包括 引擎速度和燃料流量。引擎速度可以根據(jù)一些"緩慢"動(dòng)力學(xué)改變，但是燃料 流量可以幾乎瞬間改變。這樣，在很多線性參數(shù)變化(LPV)增益調(diào)度控制器 設(shè)計(jì)中使用的p自^^:^/ ^的假定不能適當(dāng)?shù)貞?yīng)用在很多汽車系統(tǒng)中。本發(fā)
明的技術(shù)的一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)于調(diào)度變量e(t)的變化率來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何限制。
建模和控制之間的折衷按照閉環(huán)上的誘導(dǎo)范數(shù)會(huì)變得明顯。可以看到更好的建模允許更加積極的控制?；蛘?，相反，不好的非線性對(duì)象的建?？赡苡斜匾?犧牲閉環(huán)控制性能。
可以看到閉環(huán)穩(wěn)定性的問(wèn)題沒(méi)有必要轉(zhuǎn)化為對(duì)調(diào)度變量變化緩慢的要求。但 是相反閉環(huán)穩(wěn)定性會(huì),于非線性對(duì)象的內(nèi)部模型的質(zhì)量。如果這種模型是完 美的，那么在不考慮調(diào)度參數(shù)附的變4M度的情況下也不會(huì)存在閉環(huán)穩(wěn)定性問(wèn) 題。
可以表明在完美模型信息的情況中的閉環(huán)指數(shù)穩(wěn)定性。作為一個(gè)限制性情 況，可以首先考慮一禾中(不現(xiàn)實(shí)的)情況，其中控制設(shè)計(jì)師擁有完美的模型信 息~~^E這種上下文中將定義為內(nèi)部模型(5)在輸入一輸出意義上匹配真實(shí)對(duì) 象(O。這里，可以定義完美的模型實(shí)現(xiàn)是條件對(duì)于所有時(shí)間OO，
k( ),4(^),《(^)卜M(外s(外c(州。這種斜牛對(duì)內(nèi)部模型的實(shí)現(xiàn)以及控制
器調(diào)度變量O"g的設(shè)計(jì)都有要求，其應(yīng)當(dāng)允許內(nèi)部模型(5)完美i鵬蹤(1)中 的真實(shí)調(diào)度參數(shù)0的變化。與直觀相反的一個(gè)事實(shí)^t輸入一輸出行為的要求 可旨瀏狀態(tài)空間實(shí)現(xiàn)有要求。為了明白這為什么是這樣的，可以考慮在{J^，G} 和(」2AA》之間切換的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。如默寸于任意狀態(tài);c來(lái)說(shuō)在rr的切換時(shí)間都 需要輸出少(其中乂/K》(0)的連續(xù)性，那么必須選擇線性子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)從而
對(duì)所有^/r，均有c;xO。
如果內(nèi)部模型匹配對(duì)象，那么(7)可以通過(guò)恒定相似性變換來(lái)轉(zhuǎn)換到
^c》u
其中(8)式中^ =
o
0 0
o一 /
0
化)
0 ，)
(8)
從(8)的±央上三角形結(jié)構(gòu)中很容易可以看到，對(duì)所有容許的外)的i = 的 穩(wěn)定性和對(duì)容許的o(t)的* 二 ^( > 的穩(wěn)定性暗示了時(shí)變i; 二 /L眠的指
數(shù)穩(wěn)定性。例如，一 CQLF對(duì)于所有的A( )存在并且另一 CQLF對(duì)于#0存
在，對(duì)于閉環(huán)穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)是充分的(但不是必須的)。這樣如果(1)中的G(^0
對(duì)于所有容許的軌跡W)是指數(shù)穩(wěn)定的，且完美的模型信息在(5)中的內(nèi)部模 型。( ，力中應(yīng)用，那么(1), (4)， (5)形成的閉環(huán)對(duì)于(4)中的任何指數(shù)
15穩(wěn)定^V)來(lái)說(shuō)是指數(shù)穩(wěn)定的。穩(wěn)定性結(jié)果可以在(8)的底部狀態(tài)開(kāi)始并向上
工作時(shí)得到驗(yàn)證；每一種狀態(tài)的穩(wěn)定性可以依賴于其之前的狀態(tài)的穩(wěn)定性?？?以注意到這種結(jié)果按照模型信息的質(zhì)量和應(yīng)用來(lái)陳述，而不是按照增益調(diào)度中 的"緩慢變化"項(xiàng)或者切換系統(tǒng)的"停留時(shí)間"結(jié)果。
本控制器系統(tǒng)具有一排"個(gè)狀態(tài)觀察器，在幾乎任何時(shí)間使一組m個(gè)狀態(tài) 觀察器在某時(shí)并行運(yùn)行，其中w<="， 一排狀態(tài)反饋控制器對(duì)應(yīng)于并且與所述 一祠敞態(tài)觀察器連接。并^iS行的m個(gè)狀態(tài)觀察器的組，可以是時(shí)間的函數(shù)并 且4繊于測(cè)量信號(hào))^)17。狀態(tài)反饋控制器的排中的每一個(gè)狀態(tài)反饋控制器的輸 出在幾乎任意時(shí)刻都是可選擇的。狀態(tài)觀察器排中的狀態(tài)觀察器可以在幾乎任 意時(shí)刻并，fii行。狀態(tài)觀察器排可以具有Kalman濾波器或者擴(kuò)展Kalman濾波 器°
狀態(tài)反饋控制器排中的每一個(gè)狀態(tài)反饋控制器可以^頓受約束LQR技術(shù) 設(shè)計(jì)。受約束LQR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)為作為系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)來(lái)明確計(jì)算的一組查找表。
本控制器系統(tǒng)可具有一個(gè)控制環(huán)，包含一排第一動(dòng)態(tài)濾波器，連接到第一 動(dòng)態(tài)濾波器排的一排查找表，以及連接到查找表排中的查找表的一排第二動(dòng)態(tài) 濾波器。第二動(dòng)態(tài)濾波器排的第二動(dòng)態(tài)濾波器可以是辨識(shí)濾波器。
一個(gè)或多個(gè)查找表可以以不同的方式計(jì)算和/或提供各種功能或動(dòng)作，文中 示出了一些實(shí)例。 一個(gè)查找表可以使用多參數(shù)混合算法計(jì)算。該查找表可以編 碼與控制器系統(tǒng)連接的一個(gè)對(duì)象的一個(gè)或多個(gè)輸出參數(shù)上的一個(gè)或多個(gè)約束。
可以M:使用用于受約束混合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)編程算法計(jì)算該查找表。該查找表可 以接受一個(gè)或多個(gè)控制約束作為輸入。該一個(gè)或多個(gè)控制約束可以是隨時(shí)間變 化的。
在本申請(qǐng)說(shuō)明書中， 一些內(nèi)容即使是以其它的方式或時(shí)態(tài)闡述的，但也可 以是假設(shè)的或者預(yù)言的性質(zhì)。
雖然對(duì)于至少一個(gè)示意性實(shí)例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員一旦閱讀了 本說(shuō)明書仍然可以很清楚很多變化和改變。因此意圖是所附權(quán)利要求在現(xiàn)有技 術(shù)的基礎(chǔ)上盡可能寬范圍地解釋，以包括所有這種變化和改變。
權(quán)利要求
1. 一種增益調(diào)度控制器系統(tǒng)，包括多個(gè)控制器(25，26，101，102)；以及開(kāi)關(guān)(19)；并且其中所述開(kāi)關(guān)(19)的一個(gè)端子可連接到所述多個(gè)控制器(25，26，101，102)中的幾乎任意一個(gè)控制器(25，26，101，102)的輸出；所述多個(gè)控制器(25，26，101，102)中的每一個(gè)控制器(25，26，101，102)都包括一增益；所述多個(gè)控制器(25，26，101，102)的至少兩個(gè)增益是不同的；并且所述開(kāi)關(guān)(19)的所述端子可選擇地連接到所述多個(gè)控制器(25，26，101，102)中的一個(gè)控制器(25，26，101，102)的輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述開(kāi)關(guān)(19)包括用于選擇地將所述開(kāi)關(guān)(19)的所述端子連接到所述 多個(gè)控制器(25， 26， 101， 102)中的一個(gè)控制器(25， 26， 101， 102)的輸 出的輸入；向所述多個(gè)控制器(25， 26， 101, 102)的輸入用于來(lái)自對(duì)象(18)的測(cè)所述開(kāi)關(guān)(19)的所述端子用于向?qū)ο?18)的致動(dòng)器提供信號(hào)(16);所述開(kāi)關(guān)(19)的所述輸入用于選擇地連接所述端子至lj所述多個(gè)控制器(25 ， 26， 101， 102)中的一個(gè)控制器(25， 26， 101， 102)的輸出的信號(hào)(21);以 及所述信號(hào)(21)指示了根據(jù)對(duì)象(18)的操作范圍的控制器(25， 26， 101， 102)選擇。
3. —種增益調(diào)度控制器系統(tǒng)，包括多個(gè)具有輸入和輸出的狀態(tài)觀察器(22， 23);多個(gè)狀態(tài)反饋控制器(25， 26)，具有分另隨接至U所述多個(gè)狀態(tài)觀察器(22， 23)的輸出的輸入，并具^(guò)l出；以及開(kāi)^(19)，具有可連接到所述多個(gè)狀態(tài)反饋控制器(25， 26)的輸出中的一
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)狀態(tài)觀察器(22， 23)的輸入用于來(lái)自對(duì)象(18)的測(cè)量信號(hào)(17);并且所述開(kāi)關(guān)(19)的所述端子用于給對(duì)象(18)的致動(dòng)器信號(hào)(16);給所述開(kāi)關(guān)(19)的所述輸入的信號(hào)(21)，用于根據(jù)對(duì)象(18)的操作范 圍AAi^述多個(gè)反饋控制器(25， 26)的多個(gè)輸出中選擇要連接到所述開(kāi)關(guān)(19) 的所述端子的一個(gè)；并且如果對(duì)象(18)的操作范圍變化而需要控制器(25， 26)具有不同的增益， 那么連接至U所述開(kāi)關(guān)(19)的所述端子的所述多個(gè)反饋控制器(25， 26)的該 多，出中的該一，出可以改變到該多個(gè)輸出中的另一個(gè)輸出。
5. —種控制器切換系統(tǒng)，包括 多個(gè)參數(shù)(47)，具有多個(gè)輸出；第一開(kāi)關(guān)(46)，用于選擇到所述多個(gè)參數(shù)(47)的所述多個(gè)lf出中的一個(gè) 輸出的連接，以便在第-一開(kāi)關(guān)(46)的輸出上提供一個(gè)參數(shù)(47);多個(gè)內(nèi)部模型(45)，具有連接到第一開(kāi)關(guān)(46)的輸出的輸入，并且具有第二開(kāi)關(guān)(44)，用于選擇到所述多個(gè)內(nèi)部模型(45)的所述多個(gè)輸出中的 一個(gè)輸出的連接，以便在第二開(kāi)關(guān)(44)的輸出上提供一個(gè)內(nèi)部模型(45);以 及接點(diǎn)(51)，具有連接到第二開(kāi)關(guān)(44)的輸出的第一輸入，具有連接到所 述多個(gè)參數(shù)(47)的輸入的輸出，并具有第二輸入。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中 所述多個(gè)參數(shù)(47)是Youla參數(shù)；所述多個(gè)內(nèi)部模型(45)包括在操作期間當(dāng)前并且大致類似于對(duì)象(18) 的一個(gè)內(nèi)部模型(45);并且在操作期間給第一和第二開(kāi)關(guān)(44， 46)的輸入反映了對(duì)象(18)的當(dāng)前 操作范圍。
7. —種用于在控制器之間切換的方法，包括將測(cè)量信號(hào)(17)輸入到多個(gè)狀態(tài)觀察器(12， 22， 23);輸出對(duì)象(18)的內(nèi)部狀態(tài)的估計(jì)；生成作為所述估計(jì)的函數(shù)的致動(dòng)器信號(hào)(27， 28);以及 從多個(gè)致動(dòng)器信號(hào)(27， 28)中選擇一個(gè)致動(dòng)器信號(hào)(16)來(lái)反饋給狀態(tài) 觀察器(12， 22， 23)的輸入，以及對(duì)象(18)的輸入。
8. —種用于控制器切換的方法，包括 AA^t象08)獲得測(cè)量信號(hào)(17);從多個(gè)內(nèi)部模型(33， 45)選擇一個(gè)內(nèi)部模型信號(hào)(37， 52); 組合測(cè)量信號(hào)(17)和內(nèi)部模型信號(hào)(33， 45)作為對(duì)多個(gè)參數(shù)(34， 47) 的輸入信號(hào)；Mfi述多個(gè)參數(shù)(34， 47)的多，出中選擇一個(gè)致動(dòng)器信號(hào)(16); 將所繊動(dòng)器信號(hào)(16)作為反饋信號(hào)傳送給所述多個(gè)內(nèi)部模型(33, 45)的 輸入以及對(duì)象(18)的輸入。
9. 一種控制器系統(tǒng)，包括一排"個(gè)狀態(tài)觀察器，在幾乎所有時(shí)刻都使一組m個(gè)狀態(tài)觀察器(22， 23) 在某時(shí)并行運(yùn)行，其中wd;以及一排狀態(tài)反饋控制器(25， 26)，對(duì)應(yīng)于并且連接到所述一排狀態(tài)觀察器(22， 23);并且其中并行運(yùn)行的w個(gè)狀態(tài)觀察器(22， 23)的組是時(shí)間的函數(shù)并且依賴于測(cè)量 信號(hào)(17);并且所述一排狀態(tài)反饋控制器中的每一個(gè)狀態(tài)反饋控制器(25， 26)的輸出在 幾乎任意時(shí)刻都是可選擇的。
10. 根據(jù)權(quán)禾腰求9所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)控制環(huán)；并且其中該控制環(huán)包括一排第一動(dòng)態(tài)濾波器；一排查找表，連接到該一排第一動(dòng)態(tài)濾波器；以及 一排第二動(dòng)態(tài)濾波器，連接到該一排查找表中的查找表。
全文摘要
一種用于控制非線性對(duì)象(18)的系統(tǒng)，可以使用增益調(diào)度反饋控制器(10，11，30，40)實(shí)現(xiàn)。具有不同增益的多個(gè)線性子控制器(13，25，26，101，102)可以放在一起作為一個(gè)單位?？傮w的控制器(10，11，30，40)可以通過(guò)根據(jù)外源參數(shù)或內(nèi)源參數(shù)從一個(gè)子控制器(13，25，26，101，102)切換到另一個(gè)而變化。給開(kāi)關(guān)的信號(hào)(21)可以反映發(fā)生在某些時(shí)間的對(duì)象(18)的操作范圍并且指示在這些時(shí)間上希望從系統(tǒng)獲得的關(guān)于對(duì)象(18)的輸出和輸入信號(hào)(16，17)的增益。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括在全局和局部?jī)煞矫娑急ＷC標(biāo)稱以及魯棒的穩(wěn)定性，允許使用對(duì)于工業(yè)從業(yè)者來(lái)說(shuō)熟悉的控制結(jié)構(gòu)，并且對(duì)于其實(shí)現(xiàn)不需要高級(jí)數(shù)學(xué)技術(shù)。
文檔編號(hào)G05B11/01GK101548248SQ200780033951
公開(kāi)日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2007年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日
發(fā)明者F·博雷利, G·E·斯圖爾特 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司