CN1195796A - 用于估算和控制反馈控制系统中非线性干扰的方法和装置 - Google Patents

Abstract

反馈控制系统,包括估算器和控制器及状态模块。控制器响应命令信号和处理反馈信号产生控制器输出以驱动设备和模块。表示设备状态的信号与模块的相应输出状态比较产生误差信号示出加给系统的干扰。估算器和控制响应误差信号产生干扰控制输出,以自适应地补偿非线性干扰。实施例中,设备是致动器,非线性干扰是摩擦力,干扰控制输出有以增加的斜波求和的最初恒定幅值,估算器感测误差信号极性转变以反向干扰输出的至少恒定分量。

Description

用于估算和控制反馈控制系统 中非线性干扰的方法和装置

本发明涉及一种闭环反馈控制系统，特别涉及一种适用于考虑到“干扰”、特别是非线性干扰的控制系统。

反馈控制系统是一种公知的系统并具有广泛的用途。它们可以非常简单，或可以相当尖端和复杂。其中的很多都具有用于执行功能的模拟或数字部件、具有用于传送处理或条件状态的传感器并具有用于控制处理或设备的输出。概括地说，一个反馈控制系统可以被认为具有一个命令输入端、一个反馈(条件)输入端、一个用于传送命令和反馈信号之间的关系和根据这些信号之间的误差产生用于控制处理的控制器输出的控制元件。反馈控制系统可以简单如家庭加热系统中的恒温器。在机动车两中，巡航控制和防锁定制动系统都可能包括闭环反馈控制系统。

本发明除了响应命令和控制信号产生控制器输出作为在命令和反馈信号之间的差的结果以外，还涉及多个相当尖端的控制系统，这些系统提供和试图提供对非线性“干扰”的补偿。这种控制系统的一个有效应用是用于与诸如涡轮机或多缸内燃机的大工业引擎相关的燃料控制活门(或油嘴活门)。在这种系统中，致动器位置被控制到一个特定点以允许燃料以一个特定速率流过，和反馈系统将传送引擎参数(例如PPM)并将这些参数和输入命令信号比较以将所述致动器的位置保持在一个使误差信号保持最小的点处。通常，除了非稳定状态以外，活门是不动的。如果需要调节，控制系统必须产生一个信号以将所述活门驱动到它的一个新的位置。但是，摩擦力开始起作用，且已经知道在活门开始运动之前，必须施加一个力以克服静态摩擦。这个力必须有效地大于在不存在摩擦力的情况下将所述活门简单移动到它的一个新位置所需的力。当移动所述活门使也必须克服滑动摩擦力。在这个例子中存在被认为是非线性干扰的这些种摩擦的影响。

关于这一点应当注意，通常摩擦并不总是被认为是一种干扰。但是，在诸如本申请中所披露的反馈控制系统中，对于控制目的来讲，这是一个很有用的概念。因此，摩擦将被处理为是一种干扰，并且在最佳实施例中，这是本发明中所要考虑的干扰。

本技术领域内的普通技术人员明白干扰信号最终可以利用一个被适当结构的控制回路忽略掉，控制和反馈信号将最终驱动所述系统到所希望的位置。但是，由于摩擦使得通常需要一个有限的周期。但是，在这个系统中仅接收能够允许很慢的响应时间。当需要具有快速响应时间和所生成的高带宽的高响应控制时，它不接受简单地忽略干扰信号和允许在所述控制下包括所述干扰。这通常将延长响应时间并使之超出可接收的限制范围。因此，必须采取步骤以设法补偿或为所期望的非线性干扰作好准备。这最好以既不妨害整个系统的性能又不妨害响应时间并不对系统的稳定性产生有害影响的方式执行。

过去，“颤抖”技术被尝试用于解决诸如这些的干扰。颤抖信号是在致力于“克服”干扰信号及其影响过程中的一个噪声信号，例如是方波或脉冲信号。颤抖信号的幅值大得足以克服所述摩擦。颤抖信号的作用是使输出信号持续震荡以使致动器在一个方向或另一个方向被驱动(只有很小的量)，这样，如果控制器产生请求活门运动的误差信号，所述颤抖将克服静态摩擦。这种技术有很多的缺点。当然，颤抖是非自适应的，所述幅值的电平必须被设置得高于可能遇到干扰的最大值。在所述摩擦的例子中，它必须被设置得高于系统预计可能遇到的摩擦最高电平。此外，摩擦是一个变化的非线性力，所述颤抖不具有适应不同摩擦力的能力。因此，颤抖逼近的使用可以提供特别大或特别小的力以克服摩擦力。另外，由于系统响应的干扰或通过使控制响应的明确减少，颤抖减小了系统的强度。

已经建议了一种当干扰具有线性簇时自适应处理干扰的方式。但是，当所述干扰具有非线性时，必须采取诸如使用颤抖的另一种技术，以便逼近可接收的系统响应时间和稳定的状态性能。

从前述的观点来看，本发明总的目的是要提供一种反馈控制系统，与简单地试图克服非线性干扰相反，该系统可估算和计算非线性系统干扰。

在实现这个目的的过程中，本发明的目标是提供一种具有估算器和观察器以确定非线性干扰的作用、并提供能够补偿非线性干扰的幅值的输出信号的控制系统。

在一个特定的执行过程中，本发明的目的是提供一种用于一个致动器的控制系统，该控制系统考虑了所述致动器中包括静态和滑动摩擦在内的非线性干扰，并在这种干扰产生的基础上修改所述控制信号以估计和使这种干扰的影响最小。

本发明的最后一个目的是提供一种具有高响应能力的闭环反馈控制系统，通过估算和控制非线性干扰，该系统增加了它的响应时间，和该系统以不可逆密致系统方式达到了耐久性或稳定性。

在某些方面，可以认为本发明的目的是提供用于某些类型控制系统的自适应颤抖效应。

在实现这些任务和目的的过程中，本发明提供了一种系统和相应的方法，用于实现一个设备的闭环控制，在这种控制中，设备控制器响应命令输入和反馈输入产生控制器输出，并以特别有效的方式考虑了非线性干扰。提供了一个能够广泛代表所述设备并被控制器输出驱动的状态模块。比较器将表示所述设备工作条件的一个信号和状态模块的相应工作条件进行比较以产生表示其差值的误差信号。例如，来自一个设备的位置信号和从表示该位置的模块输出的状态相比较以检测所述设备和模块之间的差值。干扰估算器和控制器响应所述误差信号以根据干扰的已知非线性特性产生具有预定幅值的干扰控制器输出信号。提供了一个用于将作为辅助输入的干扰控制器的输出耦合到所述设备上以补偿非线性干扰的装置。

在所感兴趣的干扰是摩擦的情况下，干扰估算器和控制器产生包括其电平稍微低于已知存在于该系统中最小电平干扰的第一恒定分量的两个电平输出。第二分量是一个加到所述恒定分量上的斜波，这些信号的和迅速使得该系统穿过非线性干扰。误差信号本身通过反转极性表示，输出经过所述干扰处的点以及随后干扰控制器的输出也被反相。

本发明的特性在于干扰估算器和控制器将一个补偿信号加到具有一个幅值的设备控制信号上以满足对非线性干扰的补偿，和持续反相控制点的极性。以最佳实施例的形式构成的本系统在所述致动器的输出上产生一个非常小的周期，以使能够很容易地克服摩擦的影响而不会产生过分磨损和致动器的运动的有害结果。

本发明的另一个特性在于可以提供一个非常稳定和线性的控制和以不影响基本线性控制强度的方式覆盖干扰估算器和控制器。

根据本发明的某些方面，本发明的特性还在于与设备条件有关的最佳化基本设备控制，和构成非线性干扰估算器和控制器以计算非常小的致动器运动和由非线性干扰引入的非常小的误差而不会影响整个基本设备控制回路的强度。

通过下面结合附图的详细描述，本发明的其他目的和优点将便得更加明显。

图1的简要方框图表示一个具有颤抖模块以克服干扰的传统PID反馈控制系统：

图2的方框图示出了根据本发明具有干扰估算器和控制器的反馈控制系统；

图3与图2类似，但表示本发明的另一个实施例，它示出了控制系统中干扰估算器和控制器的不同连接，并示出了本发明的外延。

图4示出了具有所述控制的致动器系统的第二阶状态模块；

图5的简要方框图示出了根据本发明的干扰估算器和控制器；

图6示出了根据本发明的更加复杂的干扰估算器和控制器。

本发明特别从用于一个致动器的反馈控制系统的角度进行描述，在这个反馈控制系统中，将被补偿的非线性干扰是与该致动器相关的摩擦力。但是，该描述将更加着重于通常更加适用于反馈控制系统并以非线性干扰为目标的本发明，和其中提供了一种用于估算和控制这种非线性干扰的影响的装置。由此，当使用致动器作为当前的实施例时，可以相信本发明具有广泛的方面，和在窄和宽两个方面覆盖被包括在由所附权利要求规定的精神和范围之内的本发明的所有替换和修改。

下面转向附图，为了提供用于本发明的上下文，图1示出了使用传统PID控制并具有用于克服摩擦力的颤抖的一个致动器的方框图。根据这个传统设计，例如位置命令信号的控制命令输入10被作为一个输入连接到一个标准比例、整数和派生(PID)控制器12。随着标准反馈控制技术，PID控制器12还具有涉及致动器位置并作为线24上反馈输入的反馈信号。PID控制器12的输出13被根据系统的性能规范和特性耦合到P、PI或PID控制器14。P、PI或PID控制器14在涉及致动器速度的这种情况下也具有作为线22上输入的反馈信号。

在理想情况下，即在没有诸如摩擦等干扰的情况下，P、PI或PID控制器14的输出将直接耦合到系统设备20以驱动致动器到所希望的位置。而在反馈控制系统的实际执行过程中，诸如摩擦的干扰总是存在并影响系统性能。为了提供一个足够的力去克服作用于该系统的摩擦力，颤抖信号源16产生一个颤抖信号，并由求和器18加到信号15上，所生成的信号19被耦合到设备20上。

包括静态摩擦在内的摩擦的克服可以使用下述术语概念化。假设在输出端需要一个变化的命令信号和反馈信号，和所述系统是一个具有快速请求响应时间的高性能系统。命令和反馈信号的失配将产生一个给定幅值的误差信号。如果该系统已经在误差信号请求的方向上运动，那么，该误差信号将能够驱动所述设备在系统设计性能范围之内运动到一个新请求的位置。但是，如果该设备处于复位状态，和存在静态摩擦或其他干扰，所述误差信号将不具有足够的幅值在请求响应时间内将所述设备驱动到所述新位置。响应和有限周期将更加缓慢，其主要原因在于摩擦和所述干扰。在必须克服静态摩擦以获得系统运动的情况下，颤抖逼近利用一个颤抖信号保持所述系统恰恰位于运动边缘以补偿静态摩擦。如果运动太大，所述设备(例如是致动器和它的密封装置和轴承)可能要受到过大的磨损、震荡，系统性能可能要受到损害。如果颤抖信号不具有足够的幅值，部分干扰将不能够被克服。在任一事件中，实现和保持用于提供所希望性能的一致电平是困难的，系统通常总是不能另人满意地受到损害。

有很多的理由说明为甚麽颤抖不是控制诸如摩擦等干扰的理想解决方法。首先，摩擦是变化的非线性力。但是，颤抖信号通常是一个恒定的方波或脉冲型信号。由于颤抖是非自适应的，所以在各时间处，它可能提供太多或太少的力去克服摩擦。另外，颤抖减少了系统的强度。其结果是使所述系统丧失了一贯执行的忽略改变例如摩擦、所施加的电压和流动力等参数值的能力。

图2的方框图示出了用于一个致动器的控制系统，根据本发明，该控制系统包括干扰估算器和控制器。与图1所示以PID为基础的控制相反，图2示出了状态空间控制器的使用。由用于所述控制器的一个命令信号源提供一个控制命令10。在所述致动器的情况下，所述命令信号通常是一个位置命令。给位置命令被耦合到控制器30。控制器30还具有一个在线41上提供的反馈信号。但是，在这种情况下，反馈信号将来自模块41而不是来自设备本身。

在执行本发明中，提供了用于提供表示系统状态估算输出信号的具有系统或设备静态模块广泛特性的致动器模块40。在当前的例子中，取自模块40的输出41被试图作为位置输出，该输出被向后耦合到控制器30与位置命令信号10比较，以产生控制器输出信号46。

在图2中，控制器输出信号46直接驱动致动器模块40和借助于定标元件30a产生输出信号31，该信号31被用做用于所述设备的主控制器输出信号耦合给所述设备55。由此，目前忽略干扰估算器和控制器元件，主控器30响应用于模块10的控制命令和在线41上的反馈信号在线46上产生用于控制设备55位置的控制器输出信号。在这个例子中，设备55是一个致动器，被控制的是致动器的位置。

根据本发明，在比较器56a中将设备55的输出和致动器模块40的状态输出进行比较以在线42上产生一个误差信号。线56上的位置信号通常取自一个转接器(诸如是一个同步机)，该转接器测量所述致动器的位置，这是被控输出的实际测量。线43上的信号是取自模块40的位置状态估算。这些信号之间的差异归因于诸如摩擦的干扰，和线42上信号的极性和幅值可以被传送以估算是否存在干扰和控制它的影响。为此目的，根据本发明，干扰估算器/控制器60被耦合到比较器56a以在线42上传送信号并提供一个自适应补偿所述干扰的输出信号。该输出信号被在线61上提供和并和求和器61a中线31上的控制器输出相结合产生驱动设备55的输出信号32。

线61上的输出信号并不具有线42上误差信号的线性函数，也不具有相对时间线性变化的函数。由控制器60产生的信号自适应地补偿干扰的非线性特性。如下所述，根据本发明当前最佳实施例，干扰输出信号60具有包括阶跃函数的两电平信号形式，所述阶跃函数具有幅值稍低于预期被计数、求和并具有其幅值能够自适应穿过干扰电平的斜波信号的最小干扰的幅值。图2所示元件的互联自适应持续监视是设备55和致动器状态模块40之间测量差的一个误差信号，并反转极性作为干扰控制器的输出信号。在反转极性的基础上，干扰估算器和控制器在另一个方向上驱动所述系统，直至比较器再次传送一个其他信号。所述系统将以这种方式继续改变条件，和导致稳定状态点移动的参数非常小并位于可容忍的有限周期之内。

干扰估算器和控制器60使用线42上的误差信号估算作用于系统上的干扰，并产生反抗这种干扰所需的力。通过将线56上的致动器位置信号和线43上的模块致动器位置状态相比较确定所述误差信号。由干扰估算器和控制器60产生的反作用力被加到补偿信号31上以产生控制信号32。该控制信号32是一个用于驱动设备55的信号。

在图2中，包括控制器输入和干扰估算器和控制器输入的复合信号32驱动设备55，但只有控制器信号46被耦合到模块40。为了促使模块40跟随致动器55，得自比较器56a的误差信号42也被作为一个输入连接到致动器模块40上。下面描述可以实现这一点的规定方式。目前，应当充分理解误差信号到所述模块的连接促使模块跟随所述设备和因此而加速整个控制。

参看图3，这里示出了本发明与图2所示同等水平的另一个例子。图3示出了相互分离的干扰估算器和干扰控制以及它们与系统其余部分的相互关系。如图3所示，主控器30具有包括在线41上的通常表示位置的系统状态信号的来自控制命令模块10和致动器模块40的输入。控制器30产生一个输出信号，在这个例子中该信号经过求和器在线32上产生一个用于驱动致动器模块40和设备55的组合信号。线56上的设备反馈信号和线43上的模块状态反馈信号被耦合到比较器56a以产生误差信号42。和前面的实施例一样，该误差信号是所述干扰的测量，并被耦合到干扰估算器和控制器的输入端。但是，在当前的情况下，干扰估算器和控制器是相互分离的元件。所述干扰估算器被表示为方框60a，并用于提供耦合到干扰控制器60b和致动器模块40的输出信号。在某些致动器的情况下，干扰估算器可以简单地由一个比较器和适于模拟摩擦效果的积分器组成。被积分的输出信号经过干扰控制器60b产生一个耦合到求和器以补充控制器信号46的输出信号去克服所述摩擦。在这种情况下，线32上的组合信号被耦合以驱动模块40和致动器55。

在某些情况下，干扰估算器60a和控制器60b可以被组合成一个单一的模块。这通常是在前端动力被诸如一个常数的恒定函数逼近的情况，在这种情况下，估算器和控制器变成同一个元件。但是，如图3所示，当估算器是一个更加复杂的元件时，可以提供分离的估算器和控制器以实现本发明的任务。

下面参照图5和6描述本发明干扰估算器和控制器的特殊形式。为了利用本发明的干扰估算器和控制器，首先需要设计和建立上述系统的模型。通常如下所述的一个非常简单的状态模块就能够满足要求。该系统模型然后被用于获得系统状态和比较实际系统性能和模块性能。

参看图3，在本发明的当前实施例中，致动器55可以被满足要求地按模型制造和由第二阶状态图表示。致动器模块40包括两个串联积分器47和45。线44和43上的反馈信号分别表示速度和位置状态。很清楚，状态模块40是一个相当简单的模块，只粗略地考虑了系统状态的特征。但是，当用于教导本发明说明时，模块40利用控制系统和用于提供所述致动器精密反馈控制的于扰估算器和控制器对将被使用的致动器状态提供充分表示。

图3的其余元件表示控制元件。求和器48将命令信号、线43上来自所述模块的位置反馈信号和在当前情况下线44上速度状态的定标函数结合到一起。求和器48的输出信号经过增益元件49a工作在线46上产生输出信号，该输出信号驱动模块40和所述设备(图3中未示出)。所述增益部分是由规格化确定的，部分是由该系统所希望的动态特性确定的。例如在图3中，增益K_c1和K_c2实现系统的动态特性。例如K_c1和K_c2是根据下述表示式确定的：

G(s)＝1/(S²/K_c2+S^★K_c1+1)

利用上述作为背景并参看图4，该图示出了根据本发明构成的控制系统的简要结构。提供了一个致动器模块40，包括被连接以提供系统简单状态模块的积分器47和45。为了使那个模块的某些特性能够更加代表系统的特性，经过积分器47和45的输入信号按如下规定提供。因此，如图5所示，不是直接将线46上的控制器命令连接到第一积分器47，被提供的那个信号由线53上的一个信号取自误差比较器56a。信号53与求和器50中的信号46相加以在线54上产生一个输出信号，该信号用做第一积分器47的一个输入。线53上的信号然后表示线42上的信号与增益常数K_c1的乘积。增益K_c1是通过建立位置带宽确定的。图6示出了一般常数和用于确定这些常数的更加详细的元件。普通技术领域内的一般技术人员很容易明白如何根据上述规定的带宽和因子确定所述常数。

当进一步改进图5的系统时，不是由速度确定积分器47的输出驱动所述模块中的第二积分器45，而是由取自所述设备的另一个信号52提供输入信号44。因此，求和器51接收来自积分器47的信号44和来自增益元件52a的线52上的另一个信号，所述增益元件52a具有所述误差信号作为一个输入。元件52a的增益K_c2是根据与增益K_c1相同的变量和方法确定的。利用这种方式，使致动器模块40能够更加精确地预测致动器55的工作和状态(例如速度和位置)。

下面将更加详细地描述本发明干扰估算器和控制器60的一个实施例。在所示的实施例中，使用滞后开关69和65提供电流信号，该电流信号与控制器输出相加以产生用于所述设备的复合驱动。这些开关与干扰积分器72结合使用，和当如上利用时将尽可能快的产生用于克服摩擦的足够力而不会对系统性能产生有害影响。滞后开关65的输出用做到求和器75的直接输入，该求和器75在输出线32上提供一个复合信号，所述输出线32被连接到所述致动器以驱动该致动器。误差信号还触发第二滞后开关，该开关驱动积分器72以产生用于在线66上提供干扰控制信号的斜波信号。所述效果用于产生一个复合信号，该复合信号与控制器信号31相加以克服所述干扰。

滞后开关65和69产生多个输出信号，这些信号具有预定幅值和与输入误差信号42的幅值无关。因此，当所述误差信号转换到一个特殊极性时，滞后开关65将产生一个给定幅值的输出信号。在所示的实施例中，开关65的输出信号具有有恒定的电平和具有比已知存在于所述系统中的最小干扰稍小的幅值。利用经过滞后开关69和干扰积分器72产生的斜波提供阶跃函数。所述斜波将增量斜波信号加到恒定信号65上，所述恒定信号65快速推动所述复合信号经过干扰。结果是被耦合到所述致动器的电流信号具有三个分量-线31上的主控器分量、线66上的最小活门设置幅值和线73上的斜波信号，这些信号相结合以补偿所述干扰。在设备输出端的意义上，干扰被“估算”，比较器56a持续监视所述模块的输出和当设备信号经过来自所述模块的信号时，用于反相误差信号42极性的比较器56a确定反向。它们被利用改变它们极性和试图在另一个方向驱动所述致动器的滞后开关立即传送。线41上误差信号极性和耦合到求和器79上极性干扰控制信号的交替将持续。虽然干扰控制信号的幅值自适应地推动所述系统经过所述干扰，但是所述增益使在建立点附近的移动非常小。

某些时候有关稳定点“震荡”程度的特征在于“有限周期”。这是反馈控制系统用于使有限周期最小化或使其在一个可接受的范围内最小化的一般设计和性能目标。所述的可接受范围取决于例如具有GS10和GS25致动器的系统(见下述)，所述致动器的密封能够具有某个量的弯曲。如果致动器的有限周期能够保持在密封的弯曲区域内，那么，这些致动器构件的磨损和毁坏将最小和致动器的寿命可以延长。类似的，使致动器围绕稳态输出运动最小使得其他致动器构件、即轴承的磨损和毁坏最小。保持较优的小有限周期(通常在0.02⁰)将使得由干扰估算器和控制器引起的实际误差运动最小从而不会产生所述致动器密封和轴承的磨损。同时，当所述致动器的运动是希望的时，可以很容易地以很高速的响应和精确的结果计算摩擦干扰。

如下面将要详细描述的，滞后开关65产生一个恒定的分力66，积分器72以斜波的方式产生分力73。分力66和73在求和点79处被加到比较器信号31上以获得输入给致动器55(未示出)的控制信号32。

控制信号32具有足够的电流克服摩擦力和驱动致动器55到所希望的位置。但是，由于斜波分力73，控制信号32最后具有太多的电流并引起致动器稍微越过所希望的稳态位置。但是，一旦致动器55(未示出)越过了所希望的位置，误差信号42的符号将改变。当误差信号42的符号改变时，滞后开关69和65输出信号的符号也将改变，从而使得分力66和73在相反方向上起作用。然后所述致动器将在相反的方向上被驱动以到达所希望的稳态位置。但是由于斜波分力73，致动器将再一次稍微越过所希望的稳态位置。这个越过将使误差信号42的符号再次变化，并使该致动器被反相驱动。由于滞后开关69和65具有总是能够瞬时改变它们输出的符号的能力，所以，致动器围绕所希望的稳态位置(即有限周期)的可接受范围内震荡。本发明的干扰估算器和控制器能够保持这个有限周期处于最小值

在很多反馈控制系统中，特别是在致动器中。总是存在某个最小摩擦值。摩擦力可能大于这个最小值，但决不会小于这个值。由于每次致动器的运动都必须克服摩擦的这个最小值，可以提供一个反作用力去尽可能快的克服这个摩擦力的最小值。滞后开关65提供这个最接近的反作用力。根据误差信号的符号是正还是负，滞后开关65输出正或负的恒流信号66以克服摩擦的这个最小值。总是存在于系统中的摩擦的这个最小值通过实验确定。必须注意，滞后开关69和65的输出对于任何一个给定反馈系统来讲都是恒定的。

如上所述，通常作用于系统上的摩擦力大于已知存在的最小值。因此，本发明还结合干扰积分器72一起使用滞后开关69提供克服实际存在于系统中摩擦力所需的其余分力。

线42上的误差信号被连接到滞后开关69的一个输入端上。与滞后开关65类似，滞后开关69根据误差信号42的符号是正或负输出正或负的恒流62。滞后开关69的输出被用做积分器72的一个输入。积分器72的输出是一个电流斜波，当加到由滞后开关65产生的恒流上时，它提供足够的电流、即力去尽可能快地推动致动器经过实际存在于系统中的摩擦。

滞后开关69的输出62被连接到积分器72的一个输入端以减少积分器72产生克服摩擦所需电流量需要的时间。所述积分器的速率必须低得足以避免由电流控制模式变化引起的震荡，又必须高得足以避免降低小信号的带宽。另外，所述积分器的速率必须小于引起电流驱动器饱和模式震荡的值。

通过使用滞后开关的输出作为积分器的输入，即使是在允许保持小信号带宽的误差信号值非常小的情况下，所述积分器都能够以一个非常快的恒定速率积分误差信号42。例如，如果所述积分器的输入是所述的误差信号和在致动器需要克服一个很大的摩擦力时该误差信号很小，它将占用积分器很长的时间产生用于推动经过摩擦所需的力。但是，通过使用滞后开关69，积分器72总是能够快速积分，而不必考虑所述误差信号的幅值。

在某些情况下，例如在由Rockford，Illinois的Woodward Governor公司修改的GS10或GS25制动器的情况下，积分器的最大速率必须低于某个极限以避免诸如电压饱和和带宽损失的有害效果。在这种情况下，积分器的最大值是致动器电感的函数。电感越高，积分所需要的最大速率越低。反之，致动器将遭到电压饱和。但是，在其他致动器或应用中，不必限制致动器的最大速率。

由滞后开关65产生的恒力分量66和由积分器72和滞后开关69产生的斜波力分量73在求和点79处被加到比较器信号31上以获得控制信号32，该控制信号32被输入给致动器55。由于斜波分量73将在所希望的方向上继续增加，所以，控制信号32将不可测地具有太大电流并引起致动器稍微越过所希望的稳态位置。

一旦致动器通过所希望的稳态位置，误差信号42的符号就发生变化。在那个时候，滞后开关65和69的输出符号也将随之变化。然后，恒力66和斜波力73将在与以前相反的方向上起作用。斜波力73的幅值将再次继续增加，知道致动器稍微越过所希望的稳态位置为止。在那个时候，分力66和73再次改变方向。

围绕所希望位置的致动器震荡在某些以项有限周期为特征的时候在一个有限的频带内无限制地持续下去。但是，由于滞后开关总是能够瞬时改变它们输出电流的方向，所以，致动器将能够具有很小的微不足道的有限周期。

斜波力73还具有能够补偿存在于系统中任何偏移的附加益处。由于符号、静态力或其它因素的改变，所述偏移是存在于系统中的误差。所述偏移的影响在于所述系统需要比系统模式预测所需的更多电流。因此，补偿器信号31将不足以驱动致动器(如果忽略摩擦影响)。斜波力73能够提供这个附加电流而不会对系统性能产生有害影响。如果在系统中存在一个偏移误差，误差信号42的符号将不改变，直到所述偏移误差被克服为止。

参看图6，根据本发明的干扰估算器和控制器的性能可以通过插入某些线性元件以补充所述的非线性设计加以改善。图6示出了根据图5所示具有两个附加线性元件的本发明。例如当致动器被命令从一个极限位置到另一个极限位置移动时，这两个附加线性元件允许所述估算器和控制器补偿由于干扰而不需要的非常大的误差信号。

下面参看与图5类似且类似构件配置在类似位置的图6。图6所示的增益块不仅包括(具有适当下标的)一般命名符，而且还包括构成所述增益的因子。通过由每个增益块中各因子的详细说明，本技术领域内的普通技术人员将明白如何确定特定系统中的特定增益。可以看到，利用图6所规定的增益，一个本技术领域内的普通技术人员能够如上所述地构成这里所述和要求的控制系统。

图6和图5所示最佳系统之间的差别在于线性信号分量68被加到积分器72的一个输入端。误差信号42被乘以增益K_c1和K_d以产生信号68。信号68在求和点70被加到滞后开关69的输出端62以获得输出给积分器72的信号71。

增益K_c1与结合图5所述相同，K_d是通过状态空间或本技术领域普通技术人员公知的传统技术确定的。当误差信号很小时，由于滞后开关68的输出将大于信号68，所以，信号68对于积分器72积分速率的贡献并不是很大。但是，当误差信号很大时，信号68将帮助积分器72快速积分。

对图5的第二处修改是在线67上附加了到积分器72输出端73的第三分力。线67上的第三分力是一个线性力和通过将误差信号42乘以增益K_c2和K_d产生。所述增益K_c2和K_d与前述相同。线67上的第三分力很小且当所述误差信号42很小时无关紧要。但是，当误差信号42很大时，第三分力将帮助推动致动器到所希望的位置。确定常数K_c2和K_d以便使第一分力和第三分力的和小于系统中存在的实际干扰。

第三分力67在求和点75处被加到积分器72的输出端73上以产生信号77。这个新信号77在求和点79处被加到恒力分量66和补偿信号31上以产生控制信号32。另外，第三分力67能够在求和点79处被直接被加到第一分力66、第二分力73和补偿器信号31上。通过加上由线性信号68和第三分力67表示的两个线性元件，本发明的干扰估算器和控制器能够更好地响应宽范围幅值的误差信号。滞后开关69和65能够使本发明在误差信号非常小时(例如，当致动器正保持围绕所希望稳态位置的小有限周期时)很快地克服摩擦力，和线性信号67和68允许本发明很快地减少非常大的误差信号(例如当致动器被命令从一个极限位置向另一个极限位置运动时)。

图6所示可以被认为是一个基本线性控制器，在该控制器上提供有非线性干扰估算器和积分器。当线性分量可以被删除时，如果可以期望，它们示出了本发明的某些益处。例如，当从线性考虑的角度进行基本控制设计时，可以在这些线性元件上覆盖一个非线性干扰估算器和控制器和一起具有两种操作。当需要时所述元件能够被分离和单独分析。例如，如果需要故障检修，可以禁止非线性干扰估算器和复原用于调试目的的线性控制。当所述控制被适当复原时，非线性干扰估算器和控制器可以被再次覆盖以实现本发明的益处。和传统方法比较，具有非常健壮和稳定的线性控制器的被覆盖非线性分量的使用使得能够相当地容易进行控制器的研制。非线性干扰估算器和控制器的覆盖更精确地实现了所述操作。当需要大分量时，在整个操作过程中所述的线性分量都参与。当误差很小时，非线性元件不允许所述控制变得缓慢。借此实现两个系统的最佳运作。

很明显，所提供的是一种新形式的反馈控制。提供一种结构非常简单的状态模块。如果需要可以是线性的基本控制器驱动设备(致动器)和状态模块。状态模块的输出和来自所述设备的相应反馈信号向比较以产生一个误差信号。干扰估算器传送该误差信号驱动有干扰情况下的干扰控制器，以便将非线性校正强加到该系统上，从而调节所述干扰。在设计和产生高希望控制特性的过程中控制相对简单。

Claims (26)

1.一种用于受到非线性干扰的设备的控制系统，包括；

一个控制器，用于响应一个外部命令信号和第一反馈控制信号产生第一控制器输出信号；

一个模块，用于响应所述第一控制器输出信号估算所述设备对所述第一控制器输出信号的应答，所述模块产生包括作为结果的设备应答的所述第一反馈信号；

第一装置，用于将实际的设备应答和所述第一反馈信号进行比较，所述第一装置借此产生第一误差信号；

一个干扰估算器，用于响应所述第一误差信号产生被计算逼近非线性干扰校正的第一输出补偿信号；和

第二装置，用于求和所述第一控制器输出信号和所述第一输出补偿信号，所述第二装置据此产生用于驱动所述设备的被补偿的设备命令信号。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括第三装置，用于在由所述第二装置执行求和之前定标所述第一控制器输出信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是所述模块响应所述第一误差信号调节所述第一反馈信号。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是所述模块包括设备的状态模块。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是所述干扰估算器包括被构成以输入所述第一误差信号的第一滞后开关，该第一滞后开关响应所述第一误差信号产生预定幅值的干扰控制信号。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征是所述第一滞后开关响应所述第一误差信号极性的改变改变所述干扰控制信号的极性。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征是所述干扰控制信号的预定幅值取决于所述第一误差信号的幅值。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征是所述干扰控制信号的预定幅值不足以克服非线性干扰的影响。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征是所述干扰估算器还包括被构成以输入所述第一误差信号的第二滞后开关，所述第二滞后开关响应所述第一误差信号的极性产生一个输出信号，所述第一积分器响应所述输出信号产生一个斜波信的极性产生一个输出信号，所述第一积分器响应所述输出信号产生一个斜波信号，和求和装置响应所述干扰控制信号和斜波信号产生所述第一输出补偿信号。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征是所述第二滞后开关响应所述第一误差信号极性的改变改变所述输出信号的极性。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征是所述斜波信号具有一个预定的斜率。

12.一种用于控制受到非线性干扰的设备的方法，包括如下步骤：

产生一个设备控制命令；

响应所述设备控制命令模制所述设备的状态；

响应所述所述设备的模制状态调节所述设备空制命令；

利用所述被调节设备控制命令命令该设备的一个状态；

将所述设备状态和所述设备的模制状态相比较，产生一个误差信号；

响应所述误差信号计算被估算的干扰补偿信号；

响应所述被估算的干扰补偿信号调节所述被调节的设备控制命令。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括响应所述被调节设备控制命令信号和响应所述误差信号模制所述设备状态的步骤。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征是响应所述误差信号计算被估算干扰补偿信号的步骤包括下述步骤：

响应所述误差信号的极性产生预定幅值干扰控制信号和输出信号；

积分所述输出信号产生一个斜波信号；和

求和所述干扰控制信号和所述斜波信号以产生所述被估算干扰控制信号。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征是所述响应误差信号极性产生预定幅值干扰控制信号和输出信号的步骤还包括响应所述误差信号极性的改变改变所述干扰控制信号和所述输出信号极性的步骤。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征是响应所述设备控制命令模制所述设备状态的步骤包括：

积分所述被调节设备控制命令以产生所述设备状态的派生估算；

响应所述误差信号调节所述设备状态的派生估算；和

积分所述设备状态的所述派生估算以产生所述设备的模制状态。

17.一种用于受到非线性干扰的设备的致动器位置控制系统，包括：

一个控制器，用于响应一个外部位置命令信号和第一反馈控制信号产生第一控制器输出信号；

一个状态模块，用于响应所述第一控制器输出信号在存在非线性摩擦力的情况下仿真对所述第一控制器输出信号的致动器应答，所述状态模块产生包括作为结果的被模制致动器状态在内的第一反馈信号；

第一装置，用于将对所述第一控制器输出信号的实际致动器应答和所述第一反馈信号进行比较，所述第一装置借此产生所述第一误差信号；

一个非线性干扰估算器，用于响应所述第一误差信号产生被计算补偿非线性摩擦干扰的第一输出补偿信号；和

第二装置。用于求和所述第一控制器输出信号和所述第一输出补偿信号，所述第二装置产生用于驱动所述致动器的被补偿的致动器命令。

18.根据权利要求17所述的系统，其特征是所述状态模块还响应非线性摩擦力仿真对所述第一控制器输出信号的致动器应答，所述状态模块响应所述第一误差信号并借此以调节所述第一反馈信号。

19.根据权利要求17所述的系统，其特征是所述状态模块包括致动器的第二阶状态模型。

20.根据权利要求17所述的系统，其特征是所述干扰估算器包括被构成以输入所述第一误差信号的第一滞后开关，所述第一滞后开关响应所述第一误差信号的极性产生预定幅值的干扰控制信号。

21.根据权利要求20所述的系统，其特征是所述第一滞后开关响应所述第一误差信号极性的改变改变所述干扰控制信号的极性。

22.根据权利要求20所述的系统，其特征是所述干扰控制信号的预定幅值取决于所述第一误差信号的幅值。

23.根据权利要求20所述的系统，其特征是被计算的所述干扰控制信号的预定幅值小于克服非线性摩擦干扰影响所需的已知力。

24.根据权利要求20所述的系统，其特征是所述干扰估算器还包括被构成以输入所述第一误差信号的第二滞后开关，所述第二滞后开关响应所述第一误差信号的极性产生一个输出信号，第一积分器响应所述输出信号产生一个斜波信号，和求和装置响应所述干扰控制信号和所述斜波信号产生所述第一输出补偿信号。

25.根据权利要求24所述的系统，其特征是所述第二滞后开关响应所述第一误差信号极性的改变改变所述输出信号的极性。

26.根据权利要求24所述的系统，其特征是所述斜波信号具有预定斜率。

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