阅读说明：本技术 用设定值加权来闭环控制控制器的方法 (Method for closed-loop control of a controller with setpoint weighting ) 是由 塞巴斯蒂安·吉恩·费尔南德·德诺芙 克里斯多夫·马克·亚历山大·勒布伦 于 2018-12-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于在闭环控制系统(3)的、特别是伺服阀-液压缸系统的仪器和控制装置(1)中闭环控制比例积分型控制器(2)的方法,所述控制器(2)包括设定值加权系数(β),所述闭环控制方法包括以下连续步骤：分配(11)单位值给设定值加权系数(β),优化(12)对控制器(2)的闭环控制以满足至少一个预定的性能标准,限定特征跟踪误差(ε<Sub>TC</Sub>)使得可以响应要被闭环控制的系统的性能限制,以及根据特征跟踪误差(ε<Sub>TC</Sub>)和控制器(2)的闭环控制来分配(132)设定值加权系数(β)值。(The invention relates to a method for closed-loop control of a proportional-integral controller (2) in an instrumentation and control device (1) of a closed-loop control system (3), in particular of a servo valve-hydraulic cylinder system, said controller (2) comprising setpoint weighting factors (β), said closed-loop control method comprising the successive steps of assigning (11) unit values to setpoint weighting factors (β), optimizing (12) the closed-loop control of the controller (2) to meet at least one predetermined performance criterion, defining a characteristic tracking error (c: (m:) TC ) So that it can respond to the performance limit of the system to be closed-loop controlled, and to track the error according to the characteristic(s) ((b)) TC ) And closed-loop control of the controller (2) to assign (132) values of the set-point weighting coefficients (β).)

用设定值加权来闭环控制控制器的方法

技术领域

本发明涉及伺服控制系统的通用领域。

具体地，本发明涉及在控制命令系统中使用命令加权对校正器的设置。

背景技术

本发明适用于所有类型的伺服控制系统，尤其是涡轮机的致动器的控制命令系统，例如，诸如叶片的桨距角、燃料流量或具有可变几何形状的部件的位置的致动器伺服控制参数。

这些致动器通常包括伺服阀-液压缸组件，其行为通常由带有积分器的二阶线性系统来在伺服控制领域进行建模。

这种类型的操作可以由以下方程来转换：

命令回路的行为通常由命令系统的要求列表来指定，特别是针对响应时间、过冲、稳定性或静态误差和跟踪误差的标准。

还有必要确保命令对干扰(例如，在监测设定值期间发生的测量噪声或阻力)和建模不确定性的鲁棒性。

除了性能目的之外，命令法则必须易于调整，并且具有合理的复杂性。事实上，如果在真实系统上所获得的性能不符合要求列表，那么命令法则能够在测试台上被重新校准。这些行为上的差异可以由不好的系统建模Gsys来解释。然后可以通过调整Gsys来修改设置，使其更具有现实的代表性。

最后，梯度限制器通常应用于与螺距调节相关联的局部回路的设定值，以避免有太大的动力学(可能在螺旋桨轴上产生过力矩)。这些限制器意味着发送到局部回路的最快的设定值将具有已知最大梯度的斜坡形式。因此，在知道将会针对这些斜坡设定值获得的误差时设置校正器是一个至关重要的问题。

考虑到对这些局部回路的严格要求，比例积分校正器并不总是合适的。因此，需要使用有更多自由度的更先进的校正器结构来满足需要。

然而，在调节中使用导数分量的传统做法可能会产生不想要的不利影响，特别是在获取噪音或设定值突然变化的情况下。

在校正器的设置中使得有第三自由度而不增加导数分量的一种解决方案是使用具有设定值加权的PI型校正器。

这种类型的校正器使得能够修改跟踪PI设置的动力学，同时保持其稳定性和抑制干扰的特性。特别地，这可以使得保持初始PI的速度，同时减少过冲。

然而，与存在许多设置方法的PI校正器不同，具有设定值加权对PI校正器的设置主要是对比例增益K_p、积分增益K_i和设定值加权系数β进行迭代。这样就可以证明这种启发式方法是繁琐的。

发明内容

本发明的第一个目的是通过提供一种自动设置具有设定值加权的比例积分型校正器的方法来克服现有技术的缺点。

本发明的另一个目的是提出一种简单的设置方法。

本发明的另一个目的是提供一种简单的设置器结构。

本发明的另一个目的是在不降低响应速度的情况下最小化过冲。

本发明的另一个目的是在不降低稳定性和鲁棒性，特别是抗干扰性的情况下，改善响应时间和过冲。

本发明的另一个目的是减少测量的噪声的影响。

本发明的另一个目的是优化过冲/跟踪误差折衷。

当设定值为斜坡型时，它通常通过跟踪误差来理解受控系统的设定值与该系统的响应之间的差值。斜坡型设定值通常是线性函数。

本发明的另一个目的是根据对校正器的设置来估计和限定预期的跟踪误差。

为了这些目的，本发明提出一种用于在伺服控制系统的，特别是在伺服阀-液压缸系统的控制命令装置中设置比例积分型校正器的方法，所述校正器包括设定值加权系数、比例增益和积分增益。

所述设置方法包括以下连续步骤：

·将设定值加权系数设置为单位值；

·设置满足至少一个预定的性能标准的校正器的比例增益和积分增益；

·限定特征跟踪误差，使得满足伺服控制系统的性能限制，以及

·根据预先设置的特征跟踪误差和比例增益和积分增益来将设定值加权系数设置为设定值加权系数值。

可通过采用下列单独或结合的特征来选择性地但有利地对本发明进行补充：

-设置校正器的比例增益和积分增益的步骤进一步包括以下步骤：

·确定并设置比例增益和积分增益为初始值；

·通过迭代来调节比例增益和积分增益，以优化至少一个预定的性能标准。

-确定比例增益和积分增益的步骤通过齐格勒-尼科尔斯(Ziegler Nichols)经验方法或高桥(Takahashi)经验方法来实现；

-该方法进一步包括确定安全裕度的步骤，以及其中，设置设定值加权系数的步骤是根据控制命令装置的理论误差和安全裕度来进行的；

-安全裕度是根据实际系统及其线性化模型之间的行为偏差来确定的；

-校正器不包括导数分量；

-该方法借助于包括一个或多个存储单元的设置模块来自动实现，在一个或多个存储单元中存储有设定值使得可以执行自动设置方法，设定值借助于至少一个处理器来执行。

根据第二方面，本发明还提出了一种伺服控制系统的、特别是伺服阀-液压缸系统的控制命令装置，控制命令装置包括被输入到校正器中的设定值，校正器的输出信号被输入到伺服控制系统中，伺服控制系统产生响应，响应也被输入到校正器中，其中，校正器是包括设定值加权器的比例积分型校正器，加权器包括设定值加权系数，校正器的设定值加权系数借助于根据本发明的设置方法而被限定。

可选地但有利地，在这样的装置中，校正器被配置为产生与以下之和对应的命令：

·被积分增益积分并修正的误差；

·在被设定值加权系数加权的设定值和伺服控制系统的响应之间的差值，该差值通过比例增益来修改。

其中积分增益、比例增益以及设定值加权系数是校正器的可以被设置的参数。

附图说明

根据以下纯粹说明性的并且是非限制性的、且应当参照附图阅读的描述，本发明的其它特征和优点将变得更明显。在附图中：

图1是根据本发明的伺服控制链的示意图；

图2是细化了用于根据本发明的校正器的自动设置的方法的示意图；

图3示出了可执行根据本发明的方法的设置模块。

具体实施方式

概要

参考图1，控制命令链1包括校正器2和伺服控制系统3。

在优选实施例中，所述伺服控制系统3包括积分器。

在所示实施例中，校正器2为具有设定值加权的比例积分型。

在校正器2的输入处输入设定值X，校正器2将设定值X转换为命令U，命令U被输入到伺服控制系统3中。

伺服控制系统3根据接收到的命令U进行反应，伺服控制系统的响应Y被测量并被返回到校正器2。

更具体地，校正器2并行地执行比例动作4和积分动作5，其被输入到加法器6中。

因此，加法器6产生命令U，该命令U被输入到伺服控制系统3中。

设定值X和响应Y都被输入到每个比例动作4链和积分动作5链中的每个中。

比例动作4接收作为输入的设定值X，该设定值X被输入到加权器7中，以生成加权的设定值X’。

加权器7将增益或设定值加权系数β应用到设定值X上。

将加权的设定值X’和响应Y输入到减法器9中，产生加权的误差e’，也就是说加权的设定值X’和响应Y之间的差值。

将加权的误差e’输入到比例增益K_p中，再输入到加法器6中。

积分动作5接收作为输入的设定值X，该设定值X连同响应Y被输入到减法器10中，产生与设定值X与响应Y之间的差值对应的误差ε。

在这种具体的情况下，错误ε是跟踪误差ε_T，设定值X是斜坡型。

然后将误差ε输入到积分增益K_I中，再输入到积分器块8中。积分器8的输出被输入到加法器6中。

在其他实施例中，加权器7可以位于积分动作5上，或校正器的上游，或比例动作4和积分动作5中的每个都包括加权器7，每个加权器7都具有加权系数设定值β，这些系数是互不相同的。

校正器设置

众所周知，比例增益K_p和积分增益K_I的尺寸设计对控制链1的稳定性、响应时间和鲁棒性有影响。

对校正器2的自由度的设置可以优化系统的稳定性、响应时间和鲁棒性的标准，以及最小化过冲和跟踪误差。

用于自动设置这些参数的方法包括顺序执行的多个步骤。该方法如图2所示。

首先，执行分配步骤11，在此期间，将设定值加权系数β固定为单位值。如此，校正器具有常规的比例积分校正器的行为。

然后，执行优化步骤12，在此期间，进行对校正器2的设置以优化至少一个性能标准，该至少一个性能标准可以选自以下性能标准：例如，鲁棒性、响应时间、过冲、或使得可以量化伺服控制系统的性能和行为的任何其他标准或标准的组合。

在确定步骤121中，确定初始值并分配给比例增益K_p和积分增益K_I。

这是可通过常规设置方法实现的对校正器2的第一次设置，常规设置方法为例如齐格勒-尼科尔斯(Ziegler Nichols)或高桥(Takahashi)的经验方法，如下所述。

在根据高桥方法的确定步骤121中，通过增加增益直到得到自维持的振荡系统来估计待调节系统的增益裕度。

然后根据由高桥方法(文献中有可用对应表)给出的增益裕度值来限定初始比例和积分增益值。

任何其他常规校正器设置方法可以用于执行这一步骤，选择另一种方法能够引起根据除增益裕度外的标准例如过冲或响应时间等来确定比例增益和积分增益的初始值。

然后在调节步骤122中对比例增益K_p和积分增益K_I的初始值进行改进。

在调节步骤122中，通过迭代来改进比例增益K_p和积分增益K_I的值，以符合由控制命令链1的要求列表规定的稳定性、响应时间和鲁棒性要求。增加或减少增益的值，直到得到仿真中给出满意结果的设置。

一旦获得最佳比例增益K_p和积分增益K_I值，则固定所述值，然后进行加权设置步骤13。

通过将终值定理应用于如控制命令链1的系统，设定值加权系数β可以用以下关系来表示：

因此，在所描述的实施例中，设定值加权系数β是比例增益K_p和积分增益K_I以及系统误差ε的函数。

比例增益K_p和积分增益K_I是固定的，因此，可以校准设定值加权系数β的值，以达到与要求列表的标准对应的误差值ε，该要求列表的标准定义了控制命令链1所要达到的性能。

为了获得符合由要求列表所规定的标准的行为，有必要为最不利的操作情况确定校正器的设置尺寸。

在设定值具有最大梯度的情况下，会遇到最不利的操作情况。

设定值梯度限制意味着，最苛刻的设定值将具有斜坡形式，该斜坡的梯度等于梯度限制器的梯度。

因此，用于设计校正器尺寸的误差的类型将是跟踪误差，对应于最苛刻的设定值模型(斜坡)引起的误差。

在加权分配步骤132之前，可以执行建模步骤131，在此期间，将伺服控制系统3同化为代表其操作的理论模型3’。

在所选的实施例中，伺服控制系统模型3’是与积分器相关联的完美二阶线性系统，其受单位斜率的斜坡型设定值影响。例如，它可以包括伺服阀-液压缸型的致动器。

因此，命令链1由包括类似于校正器2的校正器模型2’和伺服控制系统模型3’的命令链模型1’进行建模。

在建模步骤131期间，校正器模型2’具有在分配步骤11和优化步骤12期间建立的设置。

设定值权重系数β被固定为单位值，比例增益K_p和积分增益K_I被固定为在优化步骤12后获得的值。

可以对命令链模型1’的理论误差ε_TH进行常规地推导，然后其用于进行对设定值系数β的设置。

理论误差ε_TH还可以是要求列表中的技术规范，并被直接从要求列表中提取出来。

但是，在其他实施例中可以在具有非单元斜率的斜坡上应用设定值。

因此，在所选的斜坡设定值实施例中，模型的理论误差为特征跟踪误差。

因此，在加权分配步骤132期间，可以针对根据以下公式表示的值限定设定值权重系数β：

这样表示的值将被分配给控制链1的加权器7。

在设定值加权系数β的值的设置的影响下，命令链1将会产生跟踪误差ε_T，该跟踪误差ε_T会趋向于特征跟踪误差ε_TC的值。

可选地，理论误差ε_TH可以与安全裕度σ相关联，限定该安全裕度σ以便考虑伺服控制系统3的操作的非线性。有必要考虑在校正器2的综合方面内的缺陷。然后根据以下公式限定设定值加权系数β:

在一实施例中，其中，伺服控制系统3被建模为具有积分器的完美的二阶线性系统，该积分器受斜坡设定值影响，然后可以通过以下关系限定设定值加权系数β：

校正器2的该实施例的结构使得可以修改设定值加权系数β，而不会对校正器2的稳定性和鲁棒性方面的性能产生任何影响。

设定值加权系数β的最优设置使得可以优化响应时间、过冲和跟踪误差ε_T，更具体地，它使得可以针对跟踪误差ε_T限定所预期的性能，而不降低预先通过比例增益K_p和积分增益K_i设置而获得的响应时间和过冲方面的性能。

更具体地，过冲被高度包含，同时保持类似于没有加权器7的校正器2的响应时间。

在这个实施例中，无论是否具有加权器7，校正器2保持其稳定性和鲁棒性的特性。

通过避免增加导数分量，系统对测量的噪声的灵敏度受到了极大的限制。

相比于要求列表的技术规格，在对校正器2的设置中考虑到理论误差ε_TH可以获得最佳的过冲/误差ε折衷。

在一实施例中，其中，伺服控制系统3被建模为具有积分器的完美的二阶线性系统，该积分器受斜坡设定值影响，相比于要求列表的技术规格，在对校正器2的设置中考虑到特征跟踪误差ε_TC可以获得最佳的过冲/跟踪误差ε_T的折衷。

自动设置方法除了简化过程外，还大大限制了操作的持续时间。

设置器的结构简单，这限制了其开发和维护成本。

校正器2的自动设置方法是借助于设置单元或模块14来实现的，该设置单元或模块14包括一个或多个存储单元15，其中，设定值被存储使得可以执行该自动设置方法。

设定值借助于至少一个处理器16来执行，所述至少一个处理器16执行校正器2的自动设置方法。处理器16和存储器15通常是引擎计算机的一部分，但也有可能将它们集成到一个特定的模块中，该特定模块在物理上与引擎控制单元分离。

类似地，如果积分器系统存在具有设定值加权的PI校正器的设置，那么由于以下关系，对于斜坡设定值，我们可以知道我们将得到的跟踪误差：

现在，伺服控制性能以及因此跟踪误差ε_T的知识，在设计涡轮机的回退模式中是有必要的。

当在机器上检测到故障时，必须迅速进行回退，以通过避免机器保持在减速状态下太长时间而可以保护机器。

相反地，相对于由气体发生器提供的功率，螺旋桨速度过快的降低也是危险的，因为可能会在螺旋桨轴上造成额外的扭矩。

因此，既然能够提前知道快速瞬变期间将会出现在螺旋桨轴中的扭矩，那么无论从驾驶(螺旋桨和气体发生器之间的同步)还是从机械设计的角度来看，通过跟踪误差ε_T的知识提前知道减速概况使得能够优化对螺旋桨的设计。