專利名稱：自動化的pid控制器設(shè)計(jì)的制作方法
自動化的PID控制器設(shè)計(jì)本申請根據(jù)美國法典第35條119款要求于2009年6月5日提交的臨時專利申請No. 61/184, 615的優(yōu)先權(quán)，通過引用將該臨時專利申請的內(nèi)容以其整體并入。
背景技術(shù)：
建模應(yīng)用可以使用戶在自由形狀環(huán)境中創(chuàng)建系統(tǒng)模型，所述自由形狀環(huán)境不將用戶限制于創(chuàng)建特定階的模型(例如一階系統(tǒng)模型或具有時間延遲的一階系統(tǒng)模型)。相反地，自由形狀環(huán)境可以使用戶創(chuàng)建幾乎任何階和/或類型的系統(tǒng)模型。用戶可能常常覺得這些自由形狀模型難以操作。 例如，用戶可能覺得難以為在自由形狀環(huán)境中開發(fā)的系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)控制器?？刂破髟O(shè)計(jì)可能是困難的，這是因?yàn)橛脩艨赡鼙仨毦吞囟▍?shù)而言來指定控制器，而這些特定參數(shù)可能是非直觀的。假設(shè)用戶希望實(shí)現(xiàn)用于在自由形狀環(huán)境中開發(fā)的系統(tǒng)模型的比例積分微分(PID)控制器。用戶心里可能想到控制器的期望特性，諸如相位裕度或閉環(huán)響應(yīng)速度。常規(guī)的應(yīng)用可能需要用戶將這些期望的控制器特性與被用于設(shè)計(jì)控制器的P、I和D增益的特定值相關(guān)聯(lián)。將期望特性與P、I和D的值相關(guān)聯(lián)可能證明對于用戶是困難的，因?yàn)镻、I和D的增益與期望特性(例如相位裕度或閉環(huán)響應(yīng)速度)的關(guān)聯(lián)是復(fù)雜的、非線性的，并且對于自由形狀建模應(yīng)用的一般用戶是非直觀的。這些困難可能導(dǎo)致用戶訴諸于對P、I和D的值的反復(fù)試錯猜測，希望他/她最終設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)對于反饋系統(tǒng)(即控制器與系統(tǒng)的組合)的可接受或期望的響應(yīng)的控制器。自由形狀建模環(huán)境的用戶在為自由形狀模型設(shè)計(jì)控制器時所面臨的困難可能阻礙用戶利用自由形狀環(huán)境來設(shè)計(jì)某些類型的控制器，諸如復(fù)控制器。


并入本說明書并且構(gòu)成其一部分的附圖示出了本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例，并且連同描述一起說明了本發(fā)明。在附圖中圖I示出了用于實(shí)踐本發(fā)明的實(shí)施例的示例性系統(tǒng)；圖2示出了用于實(shí)踐本發(fā)明的實(shí)施例的示例性功能圖；圖3示出了模型的示例性表示；圖4示出了用于使非線性模型線性化的示例性逼近技術(shù)；圖5不出了能夠包括與本發(fā)明的原理相一致的控制器的模型的一般表不;圖6示出了能夠與用于設(shè)計(jì)控制器的技術(shù)一起被使用的示例性增益樣板(template)；圖7示出了用于選擇PID控制器的示例性用戶界面；圖8示出了用于調(diào)諧PID控制器的響應(yīng)的示例性用戶界面；圖9A和圖9B示出了用于調(diào)諧PID控制器的響應(yīng)的示例性用戶界面；圖IOA和圖IOB示出了能夠被用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性處理；
圖11示出了用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性架構(gòu)；以及圖12示出了用于在自由形狀模型中交互地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)控制器的示例性分布式實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式下面對與本發(fā)明的原理相一致的實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)描述參照附圖進(jìn)行。不同圖中的相同參考標(biāo)號可以標(biāo)識相同或相似的單元。另外，下面的詳細(xì)描述不限制本發(fā)明。相反地，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同內(nèi)容限定。 示例性實(shí)施例包括用于調(diào)諧比例積分(PI)和比例積分微分(PID)控制器的方法、計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)以及設(shè)備。這些實(shí)施例允許用戶利用一般用戶所熟悉的調(diào)諧參數(shù)來指定控制器性能規(guī)范，所述調(diào)諧參數(shù)諸如為(但不限于)閉環(huán)響應(yīng)速度、閉環(huán)帶寬、相位裕度等。這些性能規(guī)范不同于被用于控制器的調(diào)諧參數(shù)，諸如P、I和D增益。允許用戶利用性能規(guī)范來設(shè)計(jì)控制器能夠便于用戶與控制器設(shè)計(jì)應(yīng)用之間的直觀交互，所述控制器設(shè)計(jì)應(yīng)用諸如為控制器工具箱，其與自由形狀建模環(huán)境一起操作。本發(fā)明的實(shí)施例允許用戶在不必須手動確定和/或調(diào)諧控制器的P、I和D增益的情況下設(shè)計(jì)控制器。例如，實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)開環(huán)頻率響應(yīng)操作并且能夠與系統(tǒng)的單輸入單輸出(SISO)環(huán)路表示一起工作。其他實(shí)施例能夠在系統(tǒng)一次一個環(huán)路地按順序被處理時與多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)一起工作。所述實(shí)施例能夠在對受控體的階沒有限制或在受控體中不存在時間延遲的情況下工作。例如，用戶可以設(shè)計(jì)出這樣的PID控制器其實(shí)現(xiàn)諸如期望帶寬和/或相位裕度的性能目標(biāo)，而同時滿足用戶所限定的穩(wěn)健性指標(biāo)(例如過沖、增益裕度等)。用戶可以通過指定像閉環(huán)帶寬和相位裕度這樣的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)所述目標(biāo)。相比之下，常規(guī)的方法可能需要用戶一直試驗(yàn)P、I和D的值，直至用戶最終獲得令人滿意的性倉泛。另一實(shí)施例可以向用戶提供包括輸入機(jī)構(gòu)(例如滑塊)的圖形用戶界面(GUI)，所述輸入機(jī)構(gòu)允許用戶在控制器執(zhí)行時改變相位裕度、閉環(huán)帶寬和/或響應(yīng)速度。所述實(shí)施例可以在用戶操縱輸入機(jī)構(gòu)時顯示響應(yīng)曲線，例如幅值相對時間的曲線，從而支持交互式控制器設(shè)計(jì)。實(shí)施例也能夠支持代碼生成，由此能夠生成用于控制器的可執(zhí)行代碼。例如，用戶可以限定用于在汽車中所使用的燃料噴射系統(tǒng)的PID控制器。用戶可以生成實(shí)現(xiàn)控制器的代碼，例如C++代碼，并且可以將所述代碼傳送到將在汽車中實(shí)現(xiàn)控制器(例如汽車中的嵌入式控制器)的處理設(shè)備。示例性系統(tǒng)圖I不出了用于實(shí)踐實(shí)施例的不例性系統(tǒng)100。系統(tǒng)100可以被用于構(gòu)建包括一個或多個實(shí)體的模型、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)用于該模型的PID控制器和/或生成用于該控制器的代碼。系統(tǒng)100可以包括計(jì)算機(jī)105、獲取邏輯110、操作系統(tǒng)115、建模環(huán)境120、模型130、輸入設(shè)備140、顯示設(shè)備150、模型表示160以及受控體170。圖I中的系統(tǒng)是示意性的，并且系統(tǒng)100的其他實(shí)施例能夠包括更少的設(shè)備、更多的設(shè)備和/或采用與圖I的配置不同的配置的設(shè)備。
計(jì)算機(jī)105可以包括執(zhí)行處理操作、顯示操作、通信操作等的設(shè)備。例如，計(jì)算機(jī)105可以包括能夠被用于執(zhí)行和/或支持代表用戶的處理活動的邏輯，諸如一個或多個處理或存儲設(shè)備。計(jì)算機(jī)105的實(shí)施例可以包括臺式計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、客戶端、服務(wù)器、大型機(jī)、個人數(shù)字助理(PDA)、可以上網(wǎng)的蜂窩電話、智能手機(jī)、智能傳感器/致動器，或者執(zhí)行指令以執(zhí)行一個或多個活動和/或生成一個或多個結(jié)果的另一計(jì)算或通信設(shè)備。計(jì)算機(jī)105還可以通過向另一設(shè)備(未在圖I中示出)發(fā)送數(shù)據(jù)或從該另一設(shè)備接收數(shù)據(jù)來執(zhí)行通信操作。數(shù)據(jù)可以指的是具有可以適于供在一個或多個網(wǎng)絡(luò)中使用和/或供一個或多個設(shè)備使用的大體上任何格式的任何類型的機(jī)器可讀信息。數(shù)據(jù)可以包括數(shù)字信息或模擬信息。數(shù)據(jù)還可以是分組的 和/或非分組的。獲取邏輯110可以從計(jì)算機(jī)105外部的設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，并且可以使數(shù)據(jù)對計(jì)算機(jī)105可用。例如，獲取邏輯110可以包括被用于使數(shù)據(jù)對計(jì)算機(jī)105可用的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器、濾波器、多路復(fù)用器等。計(jì)算機(jī)105可以使用所獲取的數(shù)據(jù)來執(zhí)行建模操作、PID控制器設(shè)計(jì)活動等。操作系統(tǒng)115可以管理與計(jì)算機(jī)105相關(guān)聯(lián)的硬件和/或軟件資源。例如，操作系統(tǒng)115可以管理與接收用戶輸入、操作計(jì)算環(huán)境105、分配內(nèi)存、按優(yōu)先順序?qū)ο到y(tǒng)請求進(jìn)行排列等相關(guān)聯(lián)的任務(wù)。在一實(shí)施例中，操作系統(tǒng)115可以是虛擬操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)115 的實(shí)施例可以包括 Linux、Mac OS、Microsoft Windows、Solaris、UNIX 等。操作系統(tǒng)115還可以在能夠由計(jì)算機(jī)105提供的虛擬機(jī)上運(yùn)行。建模環(huán)境120可以提供計(jì)算環(huán)境，該計(jì)算環(huán)境允許用戶執(zhí)行與學(xué)科有關(guān)的仿真或建模任務(wù)，所述學(xué)科諸如為(但不限于)數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程學(xué)、醫(yī)學(xué)、商學(xué)等。建模環(huán)境120可以支持一個或多個執(zhí)行指令以允許用戶構(gòu)建具有可執(zhí)行語義的模型的應(yīng)用。例如，在一實(shí)施例中，建模環(huán)境120可以允許用戶創(chuàng)建具有可執(zhí)行語義的自由形狀模型(例如一階模型、二階模型、三階模型、四階模型、五階模型等)。建模環(huán)境120還可以支持基于時間、基于事件等的建?；顒?。模型130可以包括用于文本模型或圖形模型的信息。例如，模型140可以包括用于文本模型或圖形模型的信息，所述模型可能是基于時間的模型、基于事件的模型、狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型、數(shù)據(jù)流模型、部件圖、實(shí)體流圖、基于方程的語言圖等。模型130的圖形實(shí)施例可以包括表示用于執(zhí)行操作的可執(zhí)行代碼的實(shí)體(例如塊、圖標(biāo)等)。所述實(shí)體的代碼可以被執(zhí)行以利用模型來執(zhí)行仿真?？梢岳迷谀Ｐ椭斜硎居糜趯?shù)據(jù)從一個實(shí)體傳送到另一實(shí)體的路徑的線將實(shí)體連接在一起。輸入設(shè)備140可以接收用戶輸入。例如,輸入設(shè)備140可以將用戶運(yùn)動或動作轉(zhuǎn)變成能夠由計(jì)算機(jī)105解釋的信號或消息。輸入設(shè)備140可以包括但不限于鍵盤、指示設(shè)備、生物計(jì)量設(shè)備、加速度計(jì)、麥克風(fēng)、攝像機(jī)、觸覺設(shè)備等。顯示設(shè)備150可以向用戶顯示信息。顯示設(shè)備150可以包括陰極射線管(CRT)、等離子顯示設(shè)備、發(fā)光二極管(LED)顯示設(shè)備、液晶顯示(IXD)設(shè)備等。顯示設(shè)備150的實(shí)施例可以被配置為在需要時接收用戶輸入(例如經(jīng)由觸敏屏幕)。在一實(shí)施例中，顯示設(shè)備150能夠向用戶顯示一個或多個圖形用戶界面(⑶I)。⑶I可以包括模型140和/或其他類型的信息。模型表示160可以包括由模型130提供的視覺表示。例如，模型表示160可以被顯示給用戶并且可以包括由線連接的多個實(shí)體。當(dāng)模型130被執(zhí)行時，模型表示160可以改變?yōu)槭境隼缤ㄟ^模型的數(shù)據(jù)流。受控體170可以包括向計(jì)算機(jī)105提供數(shù)據(jù)的一個或多個設(shè)備。例如，受控體170可以包括引擎系統(tǒng)，利用諸如加速度計(jì)、熱電耦、光電收發(fā)器、應(yīng)變儀等的傳感器來監(jiān)控所述引擎系統(tǒng)。在一實(shí)施例中，獲取邏輯110可以接收來自受控體170的、采用模擬或數(shù)字形式的信號，并且可以將所述信號轉(zhuǎn)變成適于在計(jì)算機(jī)105中使用的形式。示例性建模環(huán)境
圖2示出了建模環(huán)境120的示例性實(shí)施例。建模環(huán)境120可以包括仿真工具210、實(shí)體庫220、接口邏輯230、編譯器240、控制器邏輯250、優(yōu)化器260、仿真引擎270、報告引擎280以及代碼生成器290。圖2所示的建模環(huán)境120的實(shí)施例是示意性的，并且建模環(huán)境120的其他實(shí)施例可以包括更多的實(shí)體或更少的實(shí)體而不背離本發(fā)明的精神。仿真工具210可以是用于構(gòu)建模型的應(yīng)用。仿真工具210可以被用于構(gòu)建具有可執(zhí)行語義的文本模型或圖形模型。在圖形模型的情況下，仿真工具210可以允許用戶創(chuàng)建、修改、診斷、刪除模型實(shí)體和/或連接，等等。仿真工具210可以與圖I或圖2所示的其他實(shí)體進(jìn)行交互以接收用戶輸入，執(zhí)行模型，顯示結(jié)果，生成代碼等。實(shí)體庫220可以包括代碼模塊或?qū)嶓w(例如塊/圖標(biāo))，用戶能夠?qū)⒋a模塊或?qū)嶓w拖放到包括模型表示160的顯示窗口中。在圖形模型的情況下，用戶還可以利用連接來耦合實(shí)體以產(chǎn)生諸如受控體170的系統(tǒng)的圖形模型。接口邏輯230可以允許建模環(huán)境120向設(shè)備(例如目標(biāo)環(huán)境)或軟件模塊(例如應(yīng)用程序接口)發(fā)送數(shù)據(jù)和/或信息或者從該設(shè)備或軟件模塊接收數(shù)據(jù)和/或信息。在一實(shí)施例中，接口邏輯230可以使獲取邏輯110與建模環(huán)境120連系。編譯器240可以將模型編譯成可執(zhí)行的格式。由編譯器240產(chǎn)生的編譯代碼可以在計(jì)算機(jī)105上被執(zhí)行以產(chǎn)生建模結(jié)果。在一實(shí)施例中，編譯器240也可為診斷與模型相關(guān)聯(lián)的錯誤提供調(diào)試能力。控制器邏輯250可以被用于創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)模型130中的控制器。例如，控制器邏輯250可以為表示模型表示160中的控制器類型的實(shí)體提供功能。當(dāng)模型執(zhí)行時，控制器邏輯250可以通過與模型表示160中的實(shí)體進(jìn)行交互而對模型執(zhí)行控制操作。在一實(shí)施例中，控制器邏輯250可以包括在模型表示160中實(shí)現(xiàn)控制器(例如PID控制器)的控制算法?？刂破鬟壿?50的實(shí)施例可以被配置為在獨(dú)立的或分布式的實(shí)現(xiàn)中操作。優(yōu)化器260可以為模型優(yōu)化代碼。例如，優(yōu)化器260可以優(yōu)化代碼以與在代碼沒有被優(yōu)化的情況下執(zhí)行代碼相比使代碼占據(jù)更少內(nèi)存，使代碼更高效地執(zhí)行，使代碼更快地執(zhí)行，等等。優(yōu)化器260也可以為控制器邏輯250執(zhí)行優(yōu)化，例如優(yōu)化控制器的參數(shù)。在一實(shí)施例中，優(yōu)化器260可以與編譯器240、控制器邏輯250、代碼生成器290等一起操作，或者可以被集成到其中。仿真引擎270可以執(zhí)行用于執(zhí)行模型以對系統(tǒng)進(jìn)行仿真的操作。仿真引擎270可以被配置為基于用戶偏好或系統(tǒng)偏好執(zhí)行獨(dú)立的或遠(yuǎn)程的仿真。報告引擎280可以基于建模環(huán)境120中的信息產(chǎn)生報告。例如，報告引擎280可以產(chǎn)生指示PID控制器是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的報告、指示控制器是否以穩(wěn)定的方式操作的報告、指示模型是否正確地編譯的報告，等等。報告引擎280的實(shí)施例能夠產(chǎn)生采用電子格式以供在顯示設(shè)備150上顯示的報告、采用硬拷貝格式的報告和/或采用適于在存儲設(shè)備中存儲的格式的報告。代碼生成器290能夠根據(jù)模型生成代碼。在一實(shí)施例中，代碼生成器290可以接收第一格式的代碼，并且可以將該代碼從第一格式轉(zhuǎn)變成第二格式。在一實(shí)施例中，代碼生成器290能夠根據(jù)模型的至少一部分生成源代碼、匯編語言代碼、二進(jìn)制代碼、接口信息、配置信息、性能信息、任務(wù)信息等。例如，代碼生成器290能夠根據(jù)模型生成C、C++、SyStemC、Java、結(jié)構(gòu)文本等代碼。代碼生成器290的實(shí)施例還能夠根據(jù)圖形模型(例如系統(tǒng)建模語言(SysML)、可擴(kuò)展標(biāo)記語言(XML)、實(shí)時和嵌入式系統(tǒng)的建模和分 析(MARTE)、硬件描述語言(HDL)、汽車開放式系統(tǒng)架構(gòu)(AUT0SAR)等)的一些或全部生成基于統(tǒng)一建模語言(UML)的表示和/或擴(kuò)展。在一實(shí)施例中，優(yōu)化器270能夠與代碼生成器290進(jìn)行交互以生成根據(jù)參數(shù)(例如內(nèi)存使用、執(zhí)行速度、多路處理等)被優(yōu)化的代碼。本發(fā)明的實(shí)施例可以被用于交互地設(shè)計(jì)供在大體上任何階和/或延遲的非線性模型中使用的控制器。這些實(shí)施例可以被配置為使用精確的線性化技術(shù)來產(chǎn)生能夠表示非線性模型的至少一部分的線性非時變模型。示例性模型表示圖3示出了模型300的示例性表示。模型300示出了用于控制以期望速度310行進(jìn)的車輛的速度的系統(tǒng)，該期望速度可以是用戶限定的速度。在模型300中，巡航控制系統(tǒng)330可以被設(shè)計(jì)用于汽車350。將期望速度310與實(shí)際速度360進(jìn)行比較以得出速度誤差320。速度誤差320可被輸入巡航控制系統(tǒng)330，并且巡航控制系統(tǒng)330可以調(diào)節(jié)汽車的速度。巡航控制系統(tǒng)330與加速器位置命令340通信以設(shè)定加速器踏板的位置，從而調(diào)節(jié)汽車350的速度。汽車350能夠通過速度計(jì)以實(shí)際速度360的形式提供輸出反饋，用于再次與期望速度310進(jìn)行比較。在圖3中，實(shí)際速度360是被稱為反饋信號的信號。實(shí)際速度360被用于計(jì)算速度誤差320，該速度誤差320是期望速度310與實(shí)際速度360之間的差。巡航控制系統(tǒng)330被設(shè)計(jì)成響應(yīng)于速度誤差320并且計(jì)算加速器位置命令340以改變汽車350的速度。設(shè)計(jì)巡航控制系統(tǒng)330可能需要汽車350的行為是已知的。巡航控制系統(tǒng)330的成功設(shè)計(jì)可能還需要理解加速器踏板的位置是如何隨時間影響汽車350的速度的。對汽車350的行為的精確理解可允許穩(wěn)健的巡航控制系統(tǒng)330的設(shè)計(jì)。在一些情形下，汽車的行為能夠在系統(tǒng)|吳型中被捕捉。在一些情況下，諸如在巡航控制系統(tǒng)中，物理系統(tǒng)的精確模型需要非常復(fù)雜的描述。例如，汽車可能是非線性系統(tǒng)，分析和控制設(shè)計(jì)技術(shù)對于其可能是不可用的。例如，希望對非線性汽車進(jìn)行仿真的用戶可能需要使用逼近以在數(shù)值上表示汽車。舉例來說，可以使用諸如線性化的技術(shù)來逼近非線性的汽車模型。線性化可以被應(yīng)用于汽車模型的單個部分(例如應(yīng)用于操作點(diǎn))，或者被應(yīng)用于汽車模型的若干部分。當(dāng)線性化被應(yīng)用于模型的多個部分時，可以通過將在多個操作輸入下獲得的線性化模型結(jié)合以得出對汽車模型的逼近而使用增益調(diào)度技術(shù)將各個逼近結(jié)合。仍然參照圖3，當(dāng)在模型的一部分上對模型300線性化時，可以選擇線性化點(diǎn)。例如，可以使用圖標(biāo)370來標(biāo)識第一線性化點(diǎn)，并且可以使用圖標(biāo)380來標(biāo)識第二線性化點(diǎn)。線性化點(diǎn)370和380可以被用于標(biāo)識模型300的要被線性化的一部分。實(shí)施例可以允許用戶選擇線性化點(diǎn)370、380，或者可以通過編程來確定線性化點(diǎn)370、380(例如在沒有用戶輸入的情況下)。開環(huán)點(diǎn)390可以被指定，并且可以指示反饋環(huán)路360的打開或斷開。使反饋環(huán)路360斷開可以有助于使模型300的一部分線性化。例如，圖標(biāo)370、380和390能夠被用于僅指定汽車模型的線性化，即沒有閉合環(huán)路和控制器。當(dāng)線性化點(diǎn)370、380和開環(huán)點(diǎn)390被選擇時，可以選擇操作點(diǎn)。操作點(diǎn)可以是這樣的點(diǎn)在該點(diǎn)附近，模型300被線性化，并且該點(diǎn)可以限定模型300在特定時間下的狀態(tài)。
例如，在汽車發(fā)動機(jī)的模型中，操作點(diǎn)一般可以由諸如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門角度、發(fā)動機(jī)溫度以及周圍環(huán)境條件的變量來描述。模型的行為或者通常所稱的“動態(tài)(dynamics) ”通常受操作點(diǎn)的值影響。例如在汽車中，如果汽車在高海拔處或低海拔處被操作，那么發(fā)動機(jī)的行為能夠大幅地變化。在這種情況下，海拔對于汽車發(fā)動機(jī)是操作點(diǎn)的一部分。線性模型是可以在系統(tǒng)操作點(diǎn)附近的小區(qū)域中有效的逼近。在操作點(diǎn)附近，逼近可能較好，而在遠(yuǎn)離操作點(diǎn)處，逼近可能較差。在3000英尺處被操作的汽車的線性模型在接近3000英尺的海拔處將非常精確，但是當(dāng)汽車在例如海平面處行進(jìn)時將沒那么精確。在圖4中示出了一示例，該示例示出了應(yīng)用于非線性函數(shù)的線性逼近技術(shù)。圖4示出了操作點(diǎn)440以及示例性的非線性函數(shù)405,其被指示為y = x2。如果線性逼近410被選取為在X = O. 3處，則原始函數(shù)可以被逼近為y ^ O. 09+0. 6 (χ-0. 3)。這個線性逼近410是直線的方程。原始函數(shù)與線性逼近在X = O. 3處相交。在X = O. 3附近的區(qū)域中，該逼近非常精確；然而，當(dāng)X進(jìn)一步移動遠(yuǎn)離X = O. 3時，該逼近變得非常差。通常，對于復(fù)雜物理系統(tǒng)的線性化，逼近在選定的操作點(diǎn)附近是精確的。因此，對操作點(diǎn)的指定直接確定線性化所給出的結(jié)果。在一些實(shí)現(xiàn)中，單個線性逼近，例如逼近410可以被用于表示非線性系統(tǒng)。在其他情形中，兩個或更多個線性逼近可以被用于表示非線性系統(tǒng)的各個部分。例如，逼近410、逼近420以及逼近430可以被用于在三個操作點(diǎn)處逼近非線性函數(shù)405。被設(shè)計(jì)用于這三個操作點(diǎn)的控制器能夠利用增益調(diào)度技術(shù)被結(jié)合以得出用于非線性系統(tǒng)的總控制器。示例性控制技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例的技術(shù)提供如下。具有單輸入單輸出(SISO)反饋環(huán)路的系統(tǒng)的概括表示在圖5中被示出。例如，圖5的系統(tǒng)可以是圖3的汽車巡航控制系統(tǒng)的概括表示。在圖5中，PID控制器520能夠表示巡航控制系統(tǒng)330，并且受控體525能夠表示汽車350。在圖5的實(shí)現(xiàn)中，受控體525可以是線性的、非時變的模型，控制器520可以是PID控制器，信號R 505可以表不基準(zhǔn)信號,信號515可以表不能夠被表不為e = r-y的誤差信號，信號D 530可以表不輸出干擾,并且信號Y可以表不輸出。當(dāng)設(shè)計(jì)控制器520時，用戶可以具有控制器520在與受控體525 —起操作時應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。例如，用戶可以指定閉環(huán)穩(wěn)定性、零穩(wěn)定狀態(tài)誤差、響應(yīng)時間(例如在確定的區(qū)間內(nèi)上升并且建立的、對階躍輸入r或d的響應(yīng)y)、穩(wěn)健性要求(例如階躍響應(yīng)具有小的過沖，并且增益和相位裕度足夠大，諸如6dB的增益裕度和45度的相位裕度。)具有可調(diào)諧參數(shù)P、I、D和N的標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)時間PID控制器能夠由下式表示Φ) - P + r-i-(方程 I)
應(yīng)用常規(guī)技術(shù)來設(shè)計(jì)滿足諸如上文所標(biāo)識的那些的設(shè)計(jì)目標(biāo)的PID控制器的用戶可能需要找出P、I、D和N，其中N表示其中微分項(xiàng)有效的頻率范圍，或者在采用(1+s/N)形式的情況下，其表示微分濾波器的極點(diǎn)位置。確定控制器的四個參數(shù)可能需要對例如四維(4D)空間進(jìn)行計(jì)算量很大的搜索。例如，為P、I、D和N搜索其中每個維度包括100個數(shù)據(jù)搜索點(diǎn)的4D空間將需要測試IOO4 (100，000，000)個數(shù)據(jù)點(diǎn)。結(jié)果，4D搜索可能太慢而不能支持交互式應(yīng)用，諸如允許用戶交互地設(shè)計(jì)模型的PID控制器的應(yīng)用。示例性的實(shí)施例能夠便于PID參數(shù)的迅速調(diào)諧，使得交互式PID設(shè)計(jì)應(yīng)用能夠被支持。事實(shí)上，實(shí)施例能夠?qū)崟r地操作，使得用戶能夠修改輸入并且立即(即沒有給一般用戶帶來不便的延遲)看到反映修改后的控制器的顯示。例如，在一實(shí)施例中，能夠固定ω。，該ω。為開環(huán)響應(yīng)L = GC的增益首次穿過OdB線的頻率。在該實(shí)施例中，ω。與閉環(huán)帶寬直接有關(guān)，而閉環(huán)帶寬則與控制器的響應(yīng)速度直接有關(guān)。該實(shí)施例也能夠固定Gm，該0m為交界頻率下的期望相位裕度。θπ也可以部分地控制與控制器相關(guān)聯(lián)的過沖的量。該實(shí)施例還能夠允許針對給定的相位裕度目標(biāo)Θ m調(diào)節(jié)ω。，或者允許針對給定的交界頻率目標(biāo)ω。調(diào)節(jié)Qm。一旦ω。和θπ被選定，就能夠通過用ω。下的增益交界頻率和ω。下的相位裕度θ m使PID參數(shù)化來調(diào)諧PID控制器的兩個剩余參數(shù)。所述參數(shù)化能夠被寫成
權(quán)利要求
1.包含一個或多個可執(zhí)行指令的一個或多個計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)在處理邏輯上被執(zhí)行時，所述可執(zhí)行指令為用于任意非線性模型的比例積分微分(PID)控制器確定參數(shù)，所述介質(zhì)包含用于以下操作的ー個或多個指令 自動確定所述任意非線性模型的要被線性化的部分； 使所確定的所述任意非線性模型的部分線性化，所述線性化產(chǎn)生線性模型； 計(jì)算所述線性模型的開環(huán)頻率響應(yīng)； 接收代表用戶的設(shè)計(jì)規(guī)范，所述設(shè)計(jì)規(guī)范限定 所述開環(huán)響應(yīng)的期望増益交界頻率，或 所述增益交界頻率下的期望相位裕度；以及 利用所述頻率響應(yīng)和所接收的輸入自動調(diào)諧PID控制器參數(shù)，所述自動調(diào)諧 用于在所述PID控制器控制所述線性模型時實(shí)現(xiàn)期望的性能；以及 用代數(shù)方法確定所述參數(shù)中的兩個。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的介質(zhì)，其中所述期望的性能是 由所述用戶指定的，或者 通過編程指定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的介質(zhì)，其中所述輸入經(jīng)由圖形用戶界面(GUI)被接收，其中所述GUI與在所述任意非線性模型中表示所述PID控制器的部件相關(guān)聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的介質(zhì)，其中 利用與圖形用戶界面(⑶I)相關(guān)聯(lián)的可移置滑塊來指定所述期望増益交界頻率和所述期望相位裕度；或者 利用所述可移置滑塊指定所述期望増益交界頻率，并且自動選擇所述期望相位裕度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的介質(zhì)，其中代表與以下各項(xiàng)進(jìn)行交互的部件執(zhí)行所述調(diào)諧 兼容Simulink的語言， Simulink 模型， 兼容MATLAB的語言，或 MATLAB 模型。
6.包含一個或多個可執(zhí)行指令的一個或多個計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)在處理邏輯上被執(zhí)行吋，所述可執(zhí)行指令使表示控制器的塊與生成用在所述塊中的控制器的算法相連系，所述介質(zhì)包含用于以下操作的ー個或多個指令 接收 線性非時變(LTI)模型，所述LTI模型 在表示任意非線性模型的一部分的操作條件下逼近所述任意非線性模型， 能夠具有延遲，并且 能夠具有大體上任何階， 性能和穩(wěn)健性特性，所述性能和穩(wěn)健性特性用于控制所述LTI模型的控制器，所述性能和穩(wěn)健性特性標(biāo)識 開環(huán)增益交界頻率，和 開環(huán)相位裕度；以及 提供所述性能和穩(wěn)健性特性給調(diào)諧算法，所述調(diào)諧算法生成滿足所述特性的控制器，所述調(diào)諧算法自動調(diào)諧滿足所述性能和穩(wěn)健性特性的控制器參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的介質(zhì)，其中所述任意非線性模型處在自由形狀建模環(huán)境中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的介質(zhì)，其中所述塊包括使所述控制器參數(shù)被寫入所述塊中的調(diào)諧機(jī)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的介質(zhì)，其中所述塊允許所述用戶在以下各項(xiàng)之間交互地進(jìn)行折衷 控制器穩(wěn)健性，和 控制器性能。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的介質(zhì)，其中所述控制器被實(shí)時地提供給所述模型，其中實(shí)時包括不會不利地?fù)p害用戶對所述塊或所述控制器算法的交互操作的處理延遲。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的介質(zhì)，其中所述控制器是以下各項(xiàng)中的至少ー個 比例⑵控制器； 積分⑴控制器； 比例微分(PD)控制器，所述ro控制器 具有微分濾波器，或 沒有所述微分濾波器， 比例積分(PI)控制器，或 PID控制器，所述PID控制器 具有所述微分濾波器，或者 沒有所述微分濾波器。
12.包含一個或多個可執(zhí)行指令的一個或多個計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)在處理邏輯上被執(zhí)行吋，所述可執(zhí)行指令調(diào)諧與線性化的受控體模型一起被使用的控制器，所述介質(zhì)包含用于以下操作的ー個或多個指令 啟動交互式調(diào)諧界面，所述交互式調(diào)諧界面用于 計(jì)算環(huán)路響應(yīng)， 用圖形顯示所述環(huán)路響應(yīng)， 計(jì)算性能和穩(wěn)健性信息， 用圖形顯示所述性能和穩(wěn)健性信息， 調(diào)諧所述控制器的參數(shù)，以及 接收用戶輸入； 使所述受控體模型線性化以產(chǎn)生線性化的受控體模型，所述線性化的受控體模型在所述受控體執(zhí)行時由所述控制器控制； 接收用戶輸入，所述用戶輸入確定 増益交界頻率，和 開環(huán)相位裕度； 調(diào)諧所述控制器的參數(shù)，所述調(diào)諧 基于所指定的増益交界頻率和所述開環(huán)相位裕度用代數(shù)方法為所述控制器求解特定參數(shù)，所述求解自動被執(zhí)行，在減小的捜索空間內(nèi)優(yōu)化剰余的控制器參數(shù)，所述優(yōu)化自動被執(zhí)行，以及產(chǎn)生調(diào)諧控制器，所述調(diào)諧控制器具有對應(yīng)于所指定的輸入的特性；以及顯示對于所述調(diào)諧控制器的響應(yīng)，所述響應(yīng)指示在所述受控體執(zhí)行時所述調(diào)諧控制器如何與所述受控體一起操作。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的介質(zhì)，其中所述交互式調(diào)諧界面與Simulink模型中的比例積分微分(PID)控制器塊一起被使用。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的介質(zhì)，其中所述調(diào)諧控制器的特性滿足價值函數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的介質(zhì)，其中所述調(diào)諧還包括用于以下操作的ー個或多個指令 執(zhí)行相對于除固定參數(shù)以外的參數(shù)的優(yōu)化。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的介質(zhì)，其中所述交互式調(diào)諧界面還包括用于以下操作的一個或多個指令 針對所述調(diào)諧控制器，顯示以下各項(xiàng)中的至少ー個 上升時間， 建立時間， 過沖， 峰值， 増益裕度， 相位裕度， 最大靈敏度， 最大補(bǔ)償靈敏度，或 閉環(huán)穩(wěn)定性。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的介質(zhì)，其中所述受控體能夠被表示為單輸入單輸出(SISO)環(huán)路。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的介質(zhì)，其還包括用于以下操作的ー個或多個指令 為所述任意非線性模型選擇操作點(diǎn)，所述操作點(diǎn)指示 所述受控體在何處被線性化，以及 所述受控體在何處被設(shè)計(jì)， 其中所述調(diào)諧控制器控制接近所述操作點(diǎn)的任意非線性模型。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的介質(zhì)，其還包括 為所述任意非線性模型選擇第二操作點(diǎn)； 產(chǎn)生用于控制接近所述第二操作點(diǎn)的任意非線性模型的調(diào)諧控制器；以及執(zhí)行增益調(diào)度以調(diào)度用于所述第一操作點(diǎn)的調(diào)諧控制器和用于所述第二操作點(diǎn)的調(diào)諧控制器。
20.包含一個或多個可執(zhí)行指令的一個或多個計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)在處理邏輯上被執(zhí)行時，所述可執(zhí)行指令為具有ー個、兩個、三個或四個參數(shù)的控制器確定參數(shù)，所述控制器用于控制非線性模型，所述介質(zhì)包含用于以下操作的ー個或多個指令 在自由形狀建模環(huán)境中使所述非線性模型的至少一部分線性化，所述線性化產(chǎn)生在特定區(qū)域內(nèi)有效的線性模型；計(jì)算所述線性模型的開環(huán)頻率響應(yīng)； 接收對于以下各項(xiàng)的輸入 所述開環(huán)響應(yīng)的期望増益交界頻率，或 所述增益交界頻率下的期望相位裕度；以及 利用以下各項(xiàng)自動調(diào)諧增益 所述頻率響應(yīng)，和 所接收的輸入； 其中， 所述自動調(diào)諧實(shí)現(xiàn)期望的性能目標(biāo)；并且 所述自動調(diào)諧在支持用于所述任意非線性模型的交互式PID控制器設(shè)計(jì)的時間區(qū)間期間被執(zhí)行。
21.一種用于控制任何階的受控體的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述方法包括 利用能顯示在非線性系統(tǒng)模型中的交互式控制器塊與所述系統(tǒng)模型進(jìn)行交互； 利用所述交互式控制器塊使所述系統(tǒng)模型線性化； 產(chǎn)生供在所述系統(tǒng)模型中使用的受控體，所述受控體； 基于所述線性化產(chǎn)生， 具有任何確定的階，以及 在所述系統(tǒng)模型執(zhí)行時由所述交互式控制器塊控制； 在所述交互式控制器塊執(zhí)行時接收指定所述交互式控制器塊的特性的用戶輸入，所述輸入包括 増益交界頻率，和 相位裕度， 其中所述輸入經(jīng)由與所述交互式控制器塊相關(guān)聯(lián)的圖形用戶 界面(GUI)被接收；以及 調(diào)諧與所述交互式控制器塊相關(guān)聯(lián)的控制器，所述調(diào)諧自動被執(zhí)行，所述調(diào)諧包括 在有兩個或更少的參數(shù)時求解所述控制器的參數(shù)，和 在有多于兩個控制器參數(shù)時求解兩個參數(shù)并且為剰余的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
22.一種用于控制任何階的受控體的設(shè)備，所述設(shè)備包括 用干與非線性系統(tǒng)模型進(jìn)行交互的裝置； 用于使所述系統(tǒng)模型線性化的裝置； 用于產(chǎn)生供在所述系統(tǒng)模型中使用的受控體的裝置，所述受控體 基于所述線性化產(chǎn)生， 具有任何確定的階，并且 在所述系統(tǒng)模型執(zhí)行時由交互式控制器裝置控制； 用于接收指定所述交互式控制器裝置的特性的用戶輸入的裝置，所述輸入指定 増益交界頻率，和 相位裕度， 其中所述輸入經(jīng)由用戶界面裝置被接收；以及 用于調(diào)諧與所述交互式控制器裝置相關(guān)聯(lián)的控制器的裝置，所述調(diào)諧自動被執(zhí)行，所述調(diào)諧包括 在有兩個或更少的參數(shù)時求解所述控制器的參數(shù)；以及 在有多于兩個控制器參數(shù)時求解兩個參數(shù)并且為剰余的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
23.ー種用于調(diào)諧比例積分微分(PID)控制器的方法，所述方法包括 標(biāo)識所述PID控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，所述設(shè)計(jì)目標(biāo)包括 確定的閉環(huán)穩(wěn)定性，和 確定的穩(wěn)健性量度； 指定表示所述開環(huán)的増益交界頻率的第一值； 指定表示所述開環(huán)的相位裕度的第二值；以及 在所述第一值和所述第二值被指定時調(diào)節(jié)所述PID控制器的自由參數(shù)，所述調(diào)節(jié)調(diào)諧所述PID控制器，使得被調(diào)諧的PID控制器滿足所述設(shè)計(jì)目標(biāo)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中 所述固定參數(shù)包括ω。和θπ，并且 所述自由參數(shù)包括α和β。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述穩(wěn)健性量度包括 過沖、增益裕度或價值函數(shù)。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述固定參數(shù)和所述自由參數(shù)被用于以連續(xù)時間表達(dá)式來表達(dá)所述PID控制器，所述連續(xù)時間表達(dá)式被表示為
27.ー種利用開環(huán)頻率響應(yīng)評價用于受控體的比例積分微分(PID)控制器設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性的方法，所述方法包括 確定值，其中所述值為整數(shù)； 確定所述受控體在頻率柵格內(nèi)的增益值和展開相位值； 確定所述PID控制器的開環(huán)幅度和相位； 標(biāo)識所述PID控制器的増益交界頻率； 在所述頻率柵格上確定所標(biāo)識的増益交界頻率的對應(yīng)相位值； 利用所述整數(shù)值確定第一交界頻率下的相位角是否處于區(qū)間內(nèi)； 確定其他交界頻率的相位角滿足關(guān)系，其中所述關(guān)系指示所述其他交界頻率的相位角對所述PID控制器的閉環(huán)穩(wěn)定性大體上沒有貢獻(xiàn)；以及 確定相位裕度至少滿足另外的交界頻率下的相位裕度值。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中 所述整數(shù)值為r ； 所述頻率柵格被表示為 所述開環(huán)相位被表示為φ(ω); 所述第一交界頻率下的相位角為(Po，并且所述區(qū)間能夠被表示為[(2r-l) π + θπ，(2r+l) Ji - Θ J ； 所述關(guān)系能夠被表示為對于k = 1，...， ,μ(φ2^ι) = μ(φ20;以及 所述相位裕度由91]1給出，并且所述另外的交界頻率能夠被表示為ω 2m°
29.ー種用于評價比例積分微分(PID)控制器設(shè)計(jì)的方法，所述方法包括 標(biāo)識所述PID控制器設(shè)計(jì)的第一自由參數(shù)和第二自由參數(shù)，所述PID控制器設(shè)計(jì)包括第一固定參數(shù)和第二固定參數(shù)； 標(biāo)識所述第一自由參數(shù)的多個值； 標(biāo)識所述第二自由參數(shù)的多個值； 將包括所述第一自由參數(shù)和所述第二自由參數(shù)的值中的ー個或多個的范圍劃分柵格，利用柵格劃分技術(shù)來執(zhí)行所述柵格劃分； 標(biāo)識供與所述柵格劃分技術(shù)一起被使用的所述第一自由參數(shù)和所述第二自由參數(shù)的ー個或多個值使用的約束； 丟棄所述第一自由參數(shù)和所述第二自由參數(shù)的違反所述約束或未能滿足奈奎斯特穩(wěn)定性測試的值； 評價包括未被丟棄并且滿足所述奈奎斯特穩(wěn)定性測試的所述第一自由參數(shù)的值和所述第二自由參數(shù)的值的對的價值函數(shù)；以及 為確定的交界頻率選擇產(chǎn)生所述價值函數(shù)的最小值的對，其中所述交界頻率是所述第一固定參數(shù)或所述第二固定參數(shù)中的ー個。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述第一固定參數(shù)是増益交界頻率ω。，而所述第二固定參數(shù)是相位裕度9m。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中所述第一自由參數(shù)為α，而所述第二自由參數(shù)為β。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中利用所述柵格劃分技術(shù)以確定的增量執(zhí)行所述柵格劃分。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述第一自由參數(shù)為α，而所述第二自由參數(shù)為β，并且其中所述約束確定ニ維范圍并且被表示為O < α < β < 90和Δφ-90 < β-α。
34.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述價值函數(shù)涉及靈敏度函數(shù)和補(bǔ)償靈敏度函數(shù)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述價值函數(shù)被表示為
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述價值函數(shù)具有指定如下的下限
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其還包括 在所述價值函數(shù)的最小值超過所述上限時，修改所述交界頻率。
38.ー種用于評價比例積分微分(PID)控制器設(shè)計(jì)的方法，所述方法包括標(biāo)識所述PID控制器設(shè)計(jì)的第一自由參數(shù)和第二自由參數(shù)，所述PID控制器設(shè)計(jì)包括第一固定參數(shù)和第二固定參數(shù)； 標(biāo)識所述第一自由參數(shù)的多個值； 標(biāo)識所述第二自由參數(shù)的多個值； 捜索包括所述第一自由參數(shù)和所述第二自由參數(shù)的值中的ー個或多個的范圍，利用優(yōu)化技術(shù)執(zhí)行所述搜索； 標(biāo)識供所述第一自由參數(shù)和所述第二自由參數(shù)的ー個或多個值使用的約束； 丟棄所述第一自由參數(shù)和所述第二自由參數(shù)的違反所述約束或未能滿足奈奎斯特穩(wěn)定性測試的值； 評價包括未被丟棄并且滿足所述奈奎斯特穩(wěn)定性測試的所述第一自由參數(shù)的值和所述第二自由參數(shù)的值的對的價值函數(shù)，所述價值函數(shù)以所述優(yōu)化技術(shù)操作；以及 為確定的交界頻率選擇產(chǎn)生所述價值函數(shù)的最小值的對，其中所述交界頻率是所述第一固定參數(shù)或所述第二固定參數(shù)中的ー個。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述第一自由參數(shù)為α，而所述第二自由參數(shù)為β。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述價值函數(shù)選擇α和β的值。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中α和β被用在下面的表達(dá)式中
42.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述優(yōu)化技術(shù)包括直接搜索技術(shù)或梯度下降技木。
全文摘要
實(shí)施例提供了允許用戶在自由形狀建模環(huán)境中執(zhí)行對諸如PID控制器的控制器的交互式設(shè)計(jì)的技術(shù)、計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)以及設(shè)備。用戶能夠利用一般用戶所熟悉的特性來調(diào)諧控制器，而不是必須為所述控制器指定增益值，將所述增益值與控制器的性能相關(guān)聯(lián)對于用戶可能是困難的。
文檔編號G05B13/04GK102713771SQ201080035134
公開日2012年10月3日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者B·埃里爾馬斯, P·加希內(nèi), R·陳 申請人:數(shù)學(xué)工程公司