用于具有高維多約束的高級多變量控制的方法和設備的制作方法
【專利摘要】用于具有高維多約束的物理設備的多變量控制的方法和設備包括：在數學上將受控物理設備的主要受控輸出相互解耦，并且對偽輸入/受控輸出預期設備動態(tài)進行整形；跟蹤主要控制參考，并且提供預期主要輸出跟蹤所生成的偽輸入供選擇；在數學上將約束相互解耦；在數學上將約束與受控物理設備的非交替主要受控輸出解耦；對偽輸入/約束輸出預期設備動態(tài)進行整形；跟蹤約束控制極限；提供預期約束輸出跟蹤所生成的偽輸入供選擇；選擇最受限約束并且為解耦主要控制提供平滑偽輸入；以及使用解耦非交替主要受控輸出和解耦所選最受限約束來控制物理設備。
【專利說明】用于具有高維多約束的高級多變量控制的方法和設備
[0001] 相關申請到交叉引用 本申請要求2012年2月10日提交的美國臨時申請序號61/597316以及2012年10月 25日提交的美國申請序號13/66005的優(yōu)先權，通過引用將其完整公開結合到本文中。

【技術領域】
[0002] 本公開涉及當受控系統包括具有多個約束的多個控制目標時控制系統設計和操 作。

【背景技術】
[0003] 在具有將要對諸如推力、風扇可操作性、核心可操作等（例如對于噴氣發(fā)動機）的 多個主要控制對象所控制的一個以上主要目標的控制系統中，控制系統將具有要控制的多 個輸入和多個輸出。這種控制系統應當解決具有多個約束的多變量控制的難題，特別是當 主要控制對象具有高瞬態(tài)和動態(tài)要求時。該難題基本上是一種協調控制，以保持盡可能多 的主要控制對象，同時實施能夠滿足所有潛在主動約束（active constraint)的主動約束 所選集合。
[0004] 按傳統，單輸入單輸出（SIS0)控制用于一個主要控制對象一例如在燃氣渦輪發(fā) 動機中僅用于風扇速度。所涉及的約束分別轉換成控制致動器速率-燃料比，需求最大燃 料比的約束選擇作為最受限約束并且被實施。在這里，存在如下假設：燃料比始終與風扇速 度變化成比例，并且風扇速度變化始終調準和支配推力響應和可操作性。這在許多工作條 件下可成立，但是對某些工作條件、例如常規(guī)發(fā)動機應用的超音速工作區(qū)不成立，更不用說 非常規(guī)發(fā)動機應用、例如動力提升操作。
[0005] 多個約束可以僅在一個子集中，也就是說，只有一個主要受控輸出同時需要交替。 但是，存在多個約束處于要求交替兩個或更多主要受控輸出的兩個或更多子集中的情況。 當然，子集的數量最多應當等于主要控制柄（control handle)的數量。例如，在燃氣潤輪 發(fā)動機示例中，如果"最大核心速度"和"最大排氣溫度"約束是主動的，則可需要交替兩種 主要受控輸出、即"風扇速度"和"壓力比"以便獲得更好的推力和可操作性性能，同時實施 "最大核心速度"和"最大排氣溫度"約束。一個難題是控制具有較高維多約束的多個變量。
[0006] 解決這個問題的先前方式在很大程度上過分簡單化該問題或者增加相當大的復 雜度。過分簡單化方式忽略了基本受控設備輸入與必須進行的性能權衡和控制模式選擇判 定之間的關系的基本混雜。這將其適用性局限于某些2X2多輸入多輸出（ΜΙΜΟ)系統，而 不是代表較高維ΜΜ0系統的健壯解決方案。過度復雜化方式將約束控制與主要控制耦合， 通常喪失預計控制對象優(yōu)先級，并且犧牲控制解決方案的物理意義、健壯性、決定性和可維 護性。


【發(fā)明內容】

[0007] 本公開提供一種控制系統設計方法，其將簡單、決定性、健壯和系統化解決方案與 對高維多約束問題的高級多變量控制的明確物理意義相結合，其中交替主控制輸出基于設 備物理（例如發(fā)動機或者取決于應用的其它設備特性）預先確定。所公開的方法提供一種 用于具有多個約束和/或多個高維約束的MMO控制的問題的基本解決方案，接下來所產生 的解決方案充分協調具有所選多主動約束實施的多變量控制，使得在沒有約束時，主要多 變量控制具有其如所設計的優(yōu)化性能；當被約束時，通過分別替換預定交替主要控制輸出， 來正確選擇并且自然地實施正確的最受限主動約束。如果實施最受限約束，則約束的其余 部分能夠自動滿足。它們共同使總體系統仍然具有預期主要控制性能，同時在所實施約束 下運行，并且交替主要控制輸出具有自然結果（fall-out)。
[0008] 將具有多約束的多變量控制看作是一完整空間。一個子空間是具有將是主動的 約束的僅一個子集以及將要交替的僅一個主要控制輸入的類--這是單維多約束情況?？?間的其余部分具有將是主動的約束的兩個或更多子集以及將要交替的兩個或更多主要控 制--這是高維多約束情況。由本公開所提供的控制系統設計方法不僅用于單維多約束情 況，而且還用于高維多約束情況。
[0009] 由本公開所提供的控制系統設計方法產生基于簡單物理的選擇邏輯以及與解耦 約束控制的數學上解耦的主要控制。也就是說，主要受控輸出在數學上相互解耦，控制中的 所選約束在數學上相互解耦，以及所選約束與主要受控輸出在數學上解耦。接下來每個解 耦控制目標可經由其特定性能要求的單輸入單輸出（SIS0)控制方式來設計。
[0010] 按照本公開，物理設備的控制系統（非限制性地例如燃氣渦輪發(fā)動機控制、飛行 控制、衛(wèi)星控制、火箭控制、汽車控制、工業(yè)過程控制）的一實施例可包括：控制參考信號的 集合；來自物理設備的受控輸出反饋信號的集合；向積分動作提供控制命令微分的多輸入 多輸出（ΜΜ0)主要解耦控制器（并且實現主要控制輸出的預期健壯控制的整形）；能夠分 別擴展解耦主要SIS0環(huán)路的帶寬的SIS0超前/滯后控制器的集合；受控輸出跟蹤的解耦 SIS0控制器的集合，其分別接收主要受控輸出跟蹤誤差并且提供預期偽輸入；多輸入多輸 出（ΜΜ0)約束解耦控制器，將約束相互解耦，將約束與非交替主要受控輸出（non-traded off primary controlled output)解稱，并且基于選擇邏輯（以下所述）的預期約束響應 來提供偽輸入；約束輸出跟蹤的解耦SIS0控制器的集合，其分別接收約束輸出跟蹤誤差并 且對預期約束響應進行整形；選擇邏輯，其將約束的各子集所生成的偽輸入與關聯那個子 集的主要受控輸出所生成的偽輸入進行比較，選擇那個子集的最受限約束，并且確定進入 SIS0超前/滯后和ΜΜ0主要解耦控制器的最終偽輸入。通過這種架構，積分動作成為主要 控制和約束控制所共享的公共SIS0積分器的集合。
[0011] 按照本公開，物理設備的控制系統包括：積分動作控制單元，提供物理設備的控制 信號；多輸入多輸出（ΜΜ0)主要解耦控制器，向積分動作控制單元提供控制命令微分，并 且由此至少形成解耦受控設備；以及多輸入多輸出（ΜΜ0)約束解耦控制器，將約束輸出與 物理設備解耦，并且向上述解耦受控設備提供偽輸入。在一更詳細實施例中，選擇邏輯段用 于從下列控制器所計算的那些偽輸入中選擇主要解耦控制器的偽輸入：1) ΜΜ0約束解耦 控制器和約束跟蹤控制器；2)主要ΜΙΜ0解耦控制器和輸出跟蹤控制器。在另一詳細實施 例中，控制系統還包括解耦單輸入單輸出（SIS0)受控輸出跟蹤控制器的集合，其接收受控 輸出跟蹤誤差信號并且向解耦控制器設備提供偽輸入信號。在另一詳細實施例中，選擇邏 輯包括比較來自ΜΜ0約束解耦控制器的偽輸入和來自SIS0受控輸出跟蹤控制器的偽輸入 信號，并且選擇至少一個最受限約束以確定對（SISO)超前/滯后控制器的偽輸入。作為替 代或補充，選擇邏輯包括比較來自MM0約束解耦控制器的偽輸入和來自SIS0受控輸出跟 蹤控制器的偽輸入信號，并且選擇至少一個最受限約束以確定對（MM0)主要解耦控制器 的偽輸入。
[0012] 在一實施例中，控制系統還包括單輸入單輸出（SIS0)超前/滯后控制 器的集合，以擴展解耦主要SIS0控制環(huán)路的帶寬，從而向主要解耦控制器提供 I； *(v-d〇t-star)。作為替代或補充，ΜΜ0約束解耦控制器通過拒絕作為已知擾動輸入的 非交替主要受控輸出，來將約束與非交替主要受控輸出解耦。作為替代或補充，ΜΜ0約束 解耦控制器將約束輸出相互解耦，并且將約束與非交替主要受控輸出解耦。作為替代或補 充，控制系統還包括單輸入單輸出（SIS0)約束輸出跟蹤控制器的集合，其接收來自物理設 備的約束輸出跟蹤誤差，并且基于ΜΙΜΟ約束解耦控制器來對預期約束響應進行整形。這類 約束輸出跟蹤誤差可至少部分基于預定約束極限與約束輸出之間的差來確定。
[0013] 按照本公開，一種用于不僅具有多個輸入和多個輸出、而且還具有高維多約束的 物理設備的多變量控制的方法包括下列步驟：將多個主要受控輸出相互解耦，解耦多個主 要受控輸出的步驟使用多輸入多輸出（ΜΜ0)主要解耦控制器；將多個約束出相互解耦并 將多個約束與非交替主要受控輸出解耦，解耦多個約束的步驟涉及多輸入多輸出（ΜΜ0) 約束解耦控制器；以及向ΜΜ0主要解耦控制器提供偽輸入，其中由約束所生成的偽輸入 是與主要受控輸出所生成的偽輸出可比較的。該方法還包括選擇ΜΜ0主要解耦控制器的 一個或多個最受限約束的步驟；其中選擇最受限約束的步驟包括下列步驟：將約束的給定 子集所生成的偽輸入與關聯那個子集的主要受控輸出所生成的偽輸入進行比較，并且至 少部分基于那些比較來選擇最受限約束。ΜΜ0主要解耦控制器可使用動態(tài)逆（dynamics inversion)來提供解耦控制。該方法還可包括下列步驟：使用ΜΜ0主要解耦控制器上游 的單輸入單輸出（SIS0)超前/滯后控制器的集合來擴展解耦主要控制環(huán)路的帶寬以及將 多個約束與非交替主要受控輸出解耦的步驟包括拒絕作為已知擾動輸入的非交替主要受 控輸出的步驟。
[0014] 按照本公開，一種用于不僅具有多個輸入和多個輸出、而且還具有高維多約束的 物理設備的多變量控制的方法包括下列步驟：在數學上將受控物理設備的主要受控輸出相 互解耦；在數學上將約束相互解耦；在數學上將所選約束與受控物理設備的非交替主要受 控輸出解耦；以及使用解耦主要受控輸出和/或解耦所選約束（其與非交替主要受控輸出 解耦）來控制物理設備。這種方法還包括選擇一個或更多最受限約束的步驟。
[0015] 現在將介紹和論述對高維多約束的高級多變量控制的開發(fā)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是能夠作為按照本公開、對高維多約束的多變量控制或者對單維多約束的單 變量控制實施例的控制系統架構的框圖表示； 圖2是按照本公開的示范控制系統架構的一示范實現的框圖表示； 圖3是供與本實施例一起使用的示范公共單輸入單輸出（SIS0)積分器的框圖表示； 圖4是遵循最小/最大（min/max)選擇原則的一維約束集合的選擇邏輯的簡圖表示； 圖5是遵循不同的最小/最大選擇原則的一維約束集合的選擇邏輯的簡圖表示；以及 圖6是按照本公開、用于高維約束集合的示范選擇邏輯過程的流程圖表示。

【具體實施方式】
[0017] 本公開提供一種控制系統設計方法，其將簡單、決定性、健壯和系統化解決方案與 具有高維多約束問題的高級多變量控制的明確物理意義相結合，其中交替主控制輸出基于 設備物理和性能要求（例如發(fā)動機或者取決于應用的其它設備特性）預先確定。該解決方 案將多變量控制與所選多個主動約束實施進行協調，使得在沒有約束時，主要多變量控制 具有其如所設計的優(yōu)化性能；在被約束時，通過分別替換預定交替主要控制輸出來正確地 選擇和自然實施正確的最受限主動約束。如果實施最受限約束，則約束的其余部分能夠自 動滿足。它們共同使總體系統仍然具有預期主要控制性能，同時在所實施約束下運行，并且 交替主要控制輸出具有自然結果。
[0018] 當主要多變量控制未受約束時，它應當達到其預期性能。當主要控制受到約束時， 約束控制應當將最受限約束保持停留在其極限之內；以及同時，由于約束控制使用部分或 全部主要控制柄，主要控制應當按照可接受方式來交替，同時主要控制的預計非交替部分 應當不愛實施最受限約束影響。
[0019] 基于上述控制設計目的，首先，主要多變量設計成具有解耦輸入/輸出映射。然 后，多約束控制基于產生于主要控制設計的新受控設備來設計，使得約束控制不僅將約束 相互解耦、將約束與一個或多個非交替主要受控輸出解耦，而且還提供偽輸入，其是與主要 受控輸出所生成的偽輸入可比較的。通過這種架構以及作為中心環(huán)節(jié)的偽輸入，ΜΜ0主要 控制和ΜΙΜΟ約束控制產生簡單決定性SIS0環(huán)路設計。
[0020] 用于得到具有對多約束問題的高級多變量控制的明確物理意義的簡單、決定性、 健壯和系統化解決方案的機制包括：（1)將約束候選分類為特定子集，并且各約束子集對 應于主要控制輸出的一個交替目標；(2)約束子集的數量應當等于或少于主要控制柄； (3)對于高維多約束、即來自將要同時是主動的不同子集的約束，它們應當在構造各子集 中的SIS0約束控制器之前解耦；(4)各約束子集計算其交替目標--基于這個約束子集 中的每個約束調節(jié)器的特定偽輸入；(5) ΜΜ0主要控制應當解耦主要受控輸出；(6)因 此，多維約束應當逐維來解耦并且與非交替主要受控輸出解耦--接下來上述約束控制 器是具有基于相對其相對次數（relative degree)的約束ΜΙΜΟ動態(tài)逆的預期動態(tài)的解奉禹 SIS0調節(jié)器；（7)最受限約束應當產生于比較各子集中的約束所生成的偽輸入和基于預 定選擇邏輯的關聯主要受控輸出；(8)應用由最受限約束所生成的偽輸入，以替換預先確 定為交替的主要控制；(9) 一個或多個最受限約束主動/被動（active/inactive)轉換由 選擇邏輯平滑地管理（示例如圖6所示）。
[0021] 下面描述對高維多約束的高級多變量控制的設計過程和方式。
[0022] 原始受控設備 不失一般性，假定原始受控設備為：

【權利要求】
1. 一種用于物理設備的控制系統，包括： 積分動作控制單元，提供物理設備的控制信號； 多輸入多輸出（MMO)主要解耦控制器，將受控輸出相互解耦，并對偽輸入/受控輸出 預期設備動態(tài)進行整形，并且向所述積分動作控制單元提供控制命令微分，由此形成新受 控設備的至少一部分；以及 多輸入多輸出（MMO)約束解耦控制器，將約束輸出相互解耦并且與一個或多個非交 替受控輸出解耦，并對偽輸入/約束輸出預期設備動態(tài)進行整形，并且向所述新受控設備 提供偽輸入。
2. 如權利要求1所述的控制系統，還包括選擇邏輯段，用于基于主要解耦控制、從所述 ΜΙΜΟ約束解耦控制器所計算的所述偽輸入和所述受控輸出跟蹤控制器所計算的所述偽輸 入來選擇所述主要解耦控制器的偽輸入。
3. 如權利要求2所述的控制系統，還包括解耦單輸入單輸出（SIS0)受控輸出跟蹤控制 器的集合，其接收受控輸出跟蹤誤差信號并且向所述新受控設備提供偽輸入信號。
4. 如權利要求3所述的控制系統，其中，所述選擇邏輯比較來自所述ΜΜ0約束解耦 控制器的所述偽輸入和來自所述SIS0受控輸出跟蹤控制器的所述偽輸入，并選擇各主要 SIS0控制環(huán)路的最受限約束，并且將其提供給（SIS0)超前/滯后控制器。
5. 如權利要求1所述的控制系統，還包括單輸入單輸出（SIS0)超前/滯后控制 器的集合，以擴展解耦主要SIS0控制環(huán)路的帶寬，從而向所述主要解耦控制器提供
6. 如權利要求1所述的控制系統，其中，所述ΜΜ0約束解耦控制器通過拒絕作為已知 擾動輸入的非交替主要受控輸出，來將所述約束與所述非交替主要受控輸出解耦。
7. 如權利要求1所述的控制系統，其中，所述ΜΜ0約束解耦控制器將約束輸出相互解 耦，并且將所述約束與所述非交替主要受控輸出解耦。
8. 如權利要求1所述的控制系統，還包括單輸入單輸出（SIS0)約束輸出跟蹤控制器的 集合，其接收來自所述物理設備的約束輸出跟蹤誤差，并對預期約束響應進行整形，并且向 所述ΜΙΜΟ約束解耦控制器提供所述輸入。
9. 如權利要求8所述的控制系統，其中，所述約束輸出跟蹤誤差至少部分基于預定約 束極限與約束輸出之間的差來確定。
10. -種用于具有高維多約束的物理設備的多變量控制的方法，包括下列步驟： 控制具有多個輸入和多個主要受控輸出和高維多約束的物理設備； 將所述多個主要受控輸出相互解耦，并且對偽輸入/受控輸出預期設備動態(tài)進行整 形； 將所述多個約束相互解耦； 將所述多個約束與非交替主要受控輸出解耦； 對偽輸入/約束輸出預期設備動態(tài)進行整形； 選擇所述偽輸入項目的最受限約束。
11. 如權利要求10所述的方法，其中，解耦所述多個受控輸出的所述步驟涉及多輸入 多輸出（ΜΜ0)主要解耦控制器。
12. 如權利要求10所述的方法，其中，解耦所述多個約束的所述步驟涉及多輸入多輸 出（ΜΙΜΟ)約束解耦控制器。
13. 如權利要求10所述的方法，其中，選擇所述最受限約束的所述步驟涉及選擇邏輯。
14. 如權利要求13所述的方法，其中，所述選擇邏輯分別比較約束的給定子集所生成 的所述偽輸入和與那些子集關聯的所述主要受控輸出所生成的所述偽輸入，并且至少部分 基于那些比較來選擇各子集的所述最受限約束。
15. 如權利要求10所述的方法，其中，所述ΜΜ0主要解耦控制器使用動態(tài)逆來提供解 耦控制。
16. 如權利要求10所述的方法，還包括下列步驟：使用所述ΜΜ0主要解耦控制器上游 的單輸入單輸出（SIS0)超前/滯后控制器的集合來擴展解耦主要控制環(huán)路的帶寬。
17. 如權利要求10所述的方法，其中，將所述多個約束與非交替主要受控輸出解耦的 所述步驟包括拒絕作為已知擾動輸入的所述非交替主要受控輸出的步驟。
18. -種用于具有高維多約束的物理設備的多變量控制的方法，包括下列步驟： 在數學上將受控物理設備的主要受控輸出相互解耦； 在數學上將約束相互解耦； 在數學上將約束與非交替主要受控輸出解耦；以及 使用所述解耦非交替主要受控輸出和解耦所選最受限約束來控制所述物理設備。
19. 如權利要求18所述的方法，還包括選擇一個或更多最受限約束的步驟。
20. 如權利要求10所述的方法，其中，所述選擇邏輯基于預定規(guī)則來確定各子集的所 述最受限約束，并管理跨子集的所述約束主動/被動轉變，并且向所述ΜΜ0主要解耦控制 器提供平滑偽輸入。
【文檔編號】G05B13/04GK104094175SQ201380008652
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2013年2月7日 優(yōu)先權日:2012年2月10日
【發(fā)明者】S.卡彭特, M.盧 申請人:通用電氣公司