專利名稱：帶有未定型動力的系統(tǒng)所用的觀測器校正器控制系統(tǒng)的制作方法
背景技術：
1.發(fā)明領域本發(fā)明一般涉及控制系統(tǒng)，更具體地說，涉及用于降低受控制的現(xiàn)實系統(tǒng)中未定型動力的影響的系統(tǒng)和方法。
2.先有技術現(xiàn)實的動力系統(tǒng)經(jīng)常表現(xiàn)出共振特性，這與正常工作不需要也不想要的高階動力相關。高階影響強加在系統(tǒng)的主要動力上，這反而對獲得所需功能是必要的。典型的例子是機械系統(tǒng)，諸如旋轉機械、機床、機械操縱器和空間結構，它們常常表現(xiàn)出與機械部件的不可避免的彈性相關的多種共振情況。在許多實際情況下，較高階動力難以識別以及保證從系統(tǒng)的理論模型中排除。
在應用反饋控制以改善動力系統(tǒng)的工作時，較高階動力的存在會產生不需要的振蕩，影響整體穩(wěn)定性，并導致控制性能有限。鑒于高階動力對動力系統(tǒng)輸出的影響程度，可以識別以下兩種控制應用類別在第一類別中，在給定工作條件下高階動力的影響超出了系統(tǒng)輸出中可接受的誤差。典型的例子可在光機械操縱器和空間結構中找到，其中過多的構件和鏈節(jié)的偏轉直接影響了定位精度。偏轉可由外部激勵或內部驅動導致，比如在機械操縱器的情況中執(zhí)行命令的軌跡分布圖。由于高階動力的存在導致輸出中不可接受的誤差，因此需要選擇并設計控制系統(tǒng)以考慮并抑制較高階動力的影響。在此領域中的先有技術策略包括以下類別的控制方法表示受控制的系統(tǒng)的高階動力的狀態(tài)變量的反饋；適用于開環(huán)和閉環(huán)實現(xiàn)的輸入整形方法；機械系統(tǒng)的邊界控制技術；以及機械系統(tǒng)的無源、半有源和有源振動衰減策略。
第二類別包括一些動力系統(tǒng)，其中，在受控制的輸出上的高階動力的影響保持在可接受的限度內，因此可以容許而不會犧牲所需的精度。然而，這種情況下，高階動力可能降低整體穩(wěn)定性并成為控制性能的限制因素。在正常工作所需的帶寬接近受控系統(tǒng)的最低共振頻率和/或沒有足夠的固有阻尼以防止不穩(wěn)定性時，這些困難經(jīng)常會出現(xiàn)。系統(tǒng)帶寬定義為系統(tǒng)的輸出以滿意的方式跟蹤輸入正弦波所用的最大頻率。按照慣例，對于具有非零DC增益的線性系統(tǒng)，帶寬是輸入的頻率，在該頻率，相對于DC增益，輸出衰減為輸入的0.707倍的因子(或下降3dB)。此類別中的典型示例應用包括工業(yè)機器人和精密機床。盡管粗糙的設計防止結構偏轉超出所需精度，但用于這些應用的高性能伺服控制器要處理大量稍微衰減的共振條件。通常，以上所列的用于第一類別的控制方法可考慮作為可能的解決方案。然而，由于以下的一個或多個要求和復雜情況，這些方法的實際使用是有限的受控系統(tǒng)的完整精確的模型是必需的，需要其它傳感和/或驅動設置，計算和/或硬件復雜性不合需要地增加，或者對系統(tǒng)參數(shù)變化的敏感程度是不可接受的。由于高階動力的存在不會影響輸出精度超出可接受限度，因此，直接抑制高階動力對系統(tǒng)輸出的影響不是關鍵的。因此，諸如低通濾波器和帶阻濾波器的實現(xiàn)等更簡單的方法最好在實踐中用于提高穩(wěn)定性和增強控制性能。然而，由于低通濾波器一般會引入振幅失真和相位滯后不穩(wěn)定，而帶阻濾波器不適合共振條件在工作期間變動、由于經(jīng)常性的磨損而改變、或因為生產不一致性而變化的應用，因此，這些方法的效果是有限的。
發(fā)明概述在第一方面，本發(fā)明提出一種系統(tǒng)，它從動力系統(tǒng)的輸出信號中抽取表示動力系統(tǒng)主要動力的信號分量。在一個實施例中，系統(tǒng)包括狀態(tài)觀測器和校正器濾波器。狀態(tài)觀測器用于跟蹤動力系統(tǒng)的輸出信號中表示主要動力的信號分量，并提供表示估算信號分量的估算信號，而該估算信號分量表示動力系統(tǒng)輸出信號中的主要動力。校正器濾波器用于補償估算信號與表示輸出信號中主要動力的實際信號分量之間的失配。估算信號與校正器濾波器輸出信號的組合可提供一個合成信號，合成信號包括了表示動力系統(tǒng)輸出信號中主要動力的信號分量。
在另一方面，本發(fā)明提出一種方法，它從動力系統(tǒng)的輸出信號中抽取表示動力系統(tǒng)主要動力的信號分量。在一個實施例中，該方法包括估算表示動力系統(tǒng)輸出信號中主要動力的信號分量；以及補償估算信號分量與表示動力系統(tǒng)輸出信號中主要動力的實際信號分量之間的失配。估算信號分量可以與表示估算信號分量與實際信號分量之間失配的補償?shù)男盘栠M行組合，從而提供合成信號，合成信號包括了表示輸出信號中主要動力的信號分量。
在又一方面，本發(fā)明提出一種減小受控系統(tǒng)中高階動力的不穩(wěn)定影響的方法。在一個實施例中，該方法包括跟蹤表示受控系統(tǒng)輸出信號中主要動力的信號分量；以及提供表示估算分量的估算信號，該估算分量表示受控系統(tǒng)輸出信號中的主要動力。通過組合估算信號與校正器濾波器輸出信號而形成合成反饋信號，從而補償估算信號與表示主要動力的實際信號分量之間的失配。合成反饋信號包括表示受控系統(tǒng)輸出信號中主要動力的信號分量，并且被輸入到受控系統(tǒng)的控制器，其中動力系統(tǒng)輸出信號中的未定型高階動力信號分量的不穩(wěn)定影響會減小或基本上消除。
圖形簡述以下描述將結合附圖，說明本發(fā)明的上述方面和其它特征，其中


圖1是結合了本發(fā)明特征的系統(tǒng)的示意圖；圖2是示范測試機械操縱器的示意圖；圖3是圖2的測試機械操縱器的頂視圖；圖4是結合了本發(fā)明特征的觀測器校正器控制系統(tǒng)的示范測試實現(xiàn)的框圖；圖5a、5b和5c是圖2和圖3中所示的示范機械操縱器的測試移動的相應命令位置、速度和加速度分布圖的圖示；圖6a、6b和6c是圖4中所示的示范實施例的電動機的測試移動的速度分布圖的圖示；圖7a、7b和7c是對照常規(guī)控制的、跟蹤圖4所示的測試實現(xiàn)的電動機誤差的圖示。
優(yōu)選實施例的詳細描述參照圖1，其中表示結合了本發(fā)明特征的系統(tǒng)10的示意圖。雖然本發(fā)明將結合圖中所示實施例來描述，但應理解，本發(fā)明可包括許多其它形式的實施例。此外，可以使用任何適當大小、形狀或類型的元件或材料。
如圖1所示，系統(tǒng)10一般包括狀態(tài)觀測器16和校正器濾波器18。如圖1所示的系統(tǒng)10的組件的一般配置可用于從系統(tǒng)12的輸出信號中抽取表示動力或受控系統(tǒng)12主要動力的信號分量，動力或受控系統(tǒng)12在本文中也稱為設備12。術語“主要動力”在本文中使用時，表示那些對于實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能性和正確操作必要的動力系統(tǒng)的動力特性，例如，在靈活的機械操縱器的情況下的剛體運動。在替代實施例中，系統(tǒng)10可包括此類其它適當組件，用以抽取表示動力系統(tǒng)12輸出信號中主要動力的信號分量。如圖1所示，本發(fā)明的一個實施例也可包括控制器14。本發(fā)明的一個特征是提供輸入到控制器14的合成反饋信號ys，合成反饋信號包括表示從設備12的輸出信號中抽取的主要動力的信號分量，并且不包括設備12輸出信號y的任何高階動力分量。由于高階動力未在反饋信號ys中反映出來，因此，狀態(tài)觀測器16和校正器濾波器18的設置減小或基本上消除了諸如受控制的現(xiàn)實系統(tǒng)等動力系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的未定型動力的影響。術語“未定型動力”在本文中使用時，表示“高階動力”。術語“高階動力”表示正常操作不需要且不想要的動力特性，一般可包括與諸如設備12等現(xiàn)實動力系統(tǒng)相關的共振特性。例如，此類現(xiàn)實動力系統(tǒng)的典型示例可包括旋轉機器、機床、機械操縱器、空間結構以及表現(xiàn)出與機械部件彈性相關的共振條件的此類其它系統(tǒng)。在許多情況下，高階動力難以識別和保證排除在設備12的理論模型以外。
如圖1所示，術語“r”表示參考信號，“e”是控制誤差，“u”表示控制動作，“d”是外部干擾，“n”代表測量噪聲，“y”代表設備12的輸出，“yo”表示狀態(tài)觀測器16的輸出，“yc”是校正器濾波器18的輸出，以及“ys”是合成反饋信號。上述符號可表示或者標量或者矢量，隨設備12的輸入和輸出數(shù)量而定。
通常，假定設備12不需要的共振條件(即高階動力影響)出現(xiàn)在對于所需操作(即主要動力)必要的帶寬以上的頻率處。系統(tǒng)帶寬在本文中使用時，定義為系統(tǒng)輸出以滿意的方式跟蹤輸入正弦波時所用的最大頻率。按照慣例，對于具有非零DC增益的線性系統(tǒng)，帶寬是輸入的頻率，在該頻率上，相對于DC增益，輸出衰減為輸入的0.707倍(或下降3dB)。由于設備12不需要的共振條件(即高階動力)出現(xiàn)在設備12所需操作(主要動力)必需的帶寬以上的頻率中，因此，主要動力和不需要的高階動力影響可以在頻域中分開。
通常，外部干擾“d”預計相對較緩慢，即與設備12的高階動力相比，屬于低頻內容。測量噪聲“n”假定為與主要動力帶寬相比具有高頻性質。這些假定對于典型控制應用通常是實際的。它們反映了這樣的要求，即設備12的主要動力的帶寬和要補償?shù)母蓴_“d”不能與測量噪聲“n”的頻率內容重疊以便使控制生效。
根據(jù)為設備動力提出的假定，外部干擾“d”和測量噪聲“n”、設備12的輸出“y”可以如下分解y(t)＝y(tǒng)d(t)+yh(t)(公式1)其中，yd表示對應于主要動力的設備輸出y的分量，yh表示對應于高階動力和噪聲的設備輸出y的分量。
如圖1所示，狀態(tài)觀測器16通常用于在線估算與設備12的主要動力相關的狀態(tài)和輸出變量。通常，狀態(tài)觀測器用于跟蹤動力系統(tǒng)輸出信號中表示主要動力的信號分量，這里是指動力系統(tǒng)輸出信號中表示主要動力的實際信號分量。通常，這種信號分量不能直接測量，并且需要借助于利用輸出信號的可用測量結果的狀態(tài)觀測器進行估算。狀態(tài)估算是基于設備12的主要動力的近似理論模型。通常，狀態(tài)觀測器16設計為有限帶寬的，這樣選擇帶寬，使得它良好地跟蹤設備12的主要動力，但對與高階動力和測量噪聲“n”相關的高頻輸入不作出響應。在替代實施例中，狀態(tài)觀測器可設計為具有任何適當?shù)膸?。設備12的估算輸出的精度通常由于觀測誤差而受到限制，而觀測誤差一般是由建模非理想性引起的，并且同樣是低頻性的。狀態(tài)觀測器16的輸出yo可用以下形式表示yo(t)＝y(tǒng)d(t)+ye(t)(公式2)其中，ye表示狀態(tài)觀測器估算誤差。
為了補償狀態(tài)觀測器16的輸出與設備12的實際主要動力之間的失配，校正器濾波器18可如圖1所示結合于系統(tǒng)10中。通常，校正器濾波器18可以是線性低通濾波器，用于允許與主要動力和觀測誤差對應的低頻分量通過，并使不需要的動力和測量噪聲的高頻分量衰減。在替代實施例中，除了包括低通濾波器外，校正器濾波器18可包括任何適用的信號濾波裝置。如圖1所示，計算的校正器濾波器18的輸入是設備12的輸出y與從狀態(tài)觀測器16獲得的估算值yo之間的差異。因此，到校正器濾波器18的輸入信號可表示為y(t)-yo(t)＝y(tǒng)d(t)+yh(t)-yd(t)-ye(t)＝y(tǒng)h(t)-ye(t)(公式3)
由于校正器濾波器18是線性濾波器，因此圖1的反饋部分、即從設備12和狀態(tài)觀測器16到控制器14的路徑可根據(jù)拉普拉斯變換分析，而忽略設備12、狀態(tài)觀測器16和控制器14可能具有非線性特性的事實。使用此方法，校正器濾波器18的輸出yc可表示為yc(s)＝Gc(s)[yh(s)-ye(s)]＝Gc(s)yh(s)-Gc(s)ye(s) (公式4)符號yc(s)、yh(s)和ye(s)分別表示yc(t)、yh(t)和ye(t)的拉普拉斯變換。Gc(s)表示校正器濾波器18的轉移函數(shù)。由于濾波器18設計為使對應于高階動力和噪聲的不需要的頻率分量衰減，yh實際上從信號中消除了，即Gc(s)yh(s)≈0。相反，具有低頻性質的狀態(tài)觀測器估算誤差ye通過了。理論上，Gc(s)ye(s)≈ye(s)。將這些觀測應用到公式(4)，校正器濾波器18的輸出大致簡化為狀態(tài)觀測器估算誤差的負數(shù)yc(s)≈-ye(s)或yc(t)≈-ye(t)(公式5)最后，從狀態(tài)觀測器16獲得的設備12的估算輸出與校正器濾波器18的輸出組合以合成替代反饋信號ys(t)＝y(tǒng)o(t)+yc(t)(公式6)反饋信號ys的內容可通過將公式(2)和(5)代入公式(6)中獲得ys(t)＝y(tǒng)d(t)+ye(t)+yc(t)≈yd(t)+ye(t)-ye(t)＝y(tǒng)d(t) (公式7)公式7表示觀測器校正器設置的作用是從設備12的輸出中抽取表示設備12主要動力的分量。
通常，控制器14包括為不具有高階動力的虛擬系統(tǒng)設計的常規(guī)控制器。在替代實施例中，控制器14可包括用于控制動力系統(tǒng)的任何適當?shù)目刂蒲b置。如圖1所示，控制器14可用于接收反饋信號ys作為輸入，并將控制信號應用到設備12。通常，控制器14根據(jù)設備12的不完整模型設計和操作。術語“不完整模型”在本文中使用時，表示反映設備12的主要動力并忽略或丟棄所有高階動力影響的設備12的模型。例如，對于具有靈活鏈節(jié)的機器人，模型將鏈節(jié)視為剛體(主要動力)，并忽略由于其靈活性(高階動力)而產生的鏈節(jié)偏轉。本發(fā)明的一個特征是引入替代反饋信號ys，合成該信號是為了反映受控系統(tǒng)或設備12的輸出y中的主要動力分量。如圖1所示的狀態(tài)觀測器16和校正器濾波器18的設置可用于此目的。在替代實施例中，狀態(tài)觀測器16和校正器濾波器18可以任何適當?shù)姆绞皆O置、以便抽取信號的主要動力分量。對于圖1所示的實施例，反饋信號ys用作到控制器14的輸入，有效地減輕或基本上消除了設備12的未定型動力的不穩(wěn)定影響。
通常，狀態(tài)觀測器16和校正器濾波器18以互補方式工作。通過考慮以下情況可說明其各自的作用正確的觀測器輸出如果從狀態(tài)觀測器16獲得的估算輸出與設備12的主要動力完全匹配，yo＝y(tǒng)d，則公式(3)中校正器濾波器18的輸入會縮化為高頻分量yh。這些分量由于其低通特性而在濾波器18中衰減，使得yc≈0。根據(jù)公式(6)，合成反饋信號隨后變成與狀態(tài)觀測器16的輸出一致；ys＝y(tǒng)o。也就是說，如果從狀態(tài)觀測器16獲得的估算輸出是正確的，即沒有觀測誤差，則觀測器校正器設置表現(xiàn)得如同單獨的狀態(tài)觀測器16。然而，由于固有的建模非理想性，觀測誤差是無法避免的。
零觀測器輸出相反，如果狀態(tài)觀測器16不工作，yo＝0，則設備12的全部輸出被引向并通過校正器濾波器18。根據(jù)公式(6)，校正器濾波器18成為反饋信號的唯一提供者，ys＝y(tǒng)c。在這種情況下，觀測器校正器設置用作簡單的低通濾波器，包括振幅失真和使相位滯后不穩(wěn)定的負面影響。
常規(guī)操作通常，在常規(guī)操作條件下，狀態(tài)觀測器16和校正器濾波器18彼此互補。由于存在狀態(tài)觀測器16，最少部分的反饋信號受到由低通濾波導致的不需要的畸變。另一方面，校正器濾波器18對與設備12主要動力的觀測相關的不可避免的誤差進行補償。
通常，所得的合成反饋信號y可視為虛擬設備的輸出，它假定實際系統(tǒng)的主要動力，但未呈現(xiàn)不想要的高階動力影響。例如，考慮具有靈活鏈節(jié)的機械操縱器，合成反饋信號可與具有相同連接角和未變形鏈節(jié)的虛擬剛性操縱器相關聯(lián)。因此，在實際設計控制器14時可不將高階動力影響考慮在內，從而可使用常規(guī)控制技術，并且與完整的動力分析相比，可轉換成降低的建模要求、簡化的控制器設計以及更短的開發(fā)時間。與常規(guī)低通濾波相比，由于降低了反饋信號的幅度和相位畸變，因而可實現(xiàn)改善的穩(wěn)定裕量和更好的控制性能。
例如，在圖2所示的示范實施例中，設備12可包括光線四軸機械操縱器100，用于半導體制造應用中的自動拾/放操作。機械操縱器100是圍繞懸掛于圓型安裝法蘭102上的開放圓柱框架101建立的?？蚣?01裝有兩條帶有線性軸承104的垂直導軌103，以便引導經(jīng)滾珠絲杠機件107由無刷DC電動機106驅動的托架105。為簡便起見，只表示出一條導軌103。托架105容納一對同軸無刷DC電動機108和109，電動機配有光學編碼器110和111。上部電動機108驅動連接到機械手的第一鏈節(jié)114的空心外軸112。下部電動機109連接到同軸的內軸113，而內軸經(jīng)電纜驅動器115接到第二鏈節(jié)116。另一電纜配置117是用于無論前兩個鏈節(jié)114和116的位置如何、都要維持第三鏈節(jié)118的徑向取向。這是由于裝入第一鏈節(jié)114的滑輪B與連接到第三鏈節(jié)118的滑輪C之間的1∶2比率而實現(xiàn)的。第三鏈節(jié)118帶有無刷DC電動機119，該電動機用于旋轉末端執(zhí)行器120。諸如半導體襯底的有效負荷121通過真空抓手保持貼附于末端執(zhí)行器120。然而，本發(fā)明的特征可用于機器人上的任何適當?shù)臋C械手?？紤]在給定水平面中包括鏈節(jié)114、116和118的機械手130的位置，如圖3所示，末端執(zhí)行器120的位置被定義在使用徑向伸長R和角度取向T的極坐標系統(tǒng)中。
框架101最好設計為具有相對較小的直徑和較高的高度，以便符合嚴格的空間限制和容納所需的垂直沖程。此設計約束使所涉及組件的剛度降低，特別是機械式框架101、線性軸承104和驅動軸112、113。同樣地，鏈節(jié)114、116和118是細長形且重量輕，以便實現(xiàn)小型輪廓、高速性能和低功率要求。鏈節(jié)殼、接合軸承和電纜驅動器115、117因此表示其它的結構彈性源。這樣，圖2所示的機械操縱器100的剛體動力由多個位置相關的輕度衰減的振動模式(共振條件)實現(xiàn)，這些模式干擾為剛性操縱器開發(fā)的傳統(tǒng)控制技術。
在一個實施例中，干擾圖2所示示范機械操縱器100的控制的基本尺寸和最低固有頻率可概括如下
靈活振動模式的存在尤其影響由圖2中電動機108和109直接驅動的機械手130的運動控制，在圖2中，需要精確的軌跡跟蹤和最小穩(wěn)定時間。結合了本發(fā)明特征的觀測器校正器系統(tǒng)可用于這種控制任務。圖4表示結合了本發(fā)明特征的觀測器校正器系統(tǒng)的示范實現(xiàn)的簡化框圖，該系統(tǒng)可應用到機械操縱器100。采用了下列術語R和T分別表示按照末端執(zhí)行器的極坐標的命令軌跡；θr1和θr2分別表示轉換成電動機108和109的角位置的命令軌跡；τ1和τ2分別是電動機108和109運用的轉矩；θ1和θ2分別代表從編碼器110和111獲得的角位置；而符號“·”和“..”分別表示第一和第二時間導數(shù)。下標“c”“o”和“s”用于與圖1中使用的術語相對應。
對于圖4所示示例，控制器14使用計算轉矩技術的標準實現(xiàn)，單獨進行位置和速度反饋操作。它包括由PD補償器補充的機械操縱器100的剛體模型，PD補償器帶有每個電動機108、109的干擾觀測器，而位置測量結果θ1，2直接從編碼器110、111反饋到控制器14，從圖4所示觀測器校正器設置獲得的合成速度信號
反饋到控制器14。選擇這種混合實現(xiàn)是由于它主要是控制器14的導數(shù)部分，控制器14放大了與不需要的振動模式和測量噪聲對應的速度信號的高頻分量。原始速度信號
由數(shù)字導數(shù)部分54中編碼器讀數(shù)的數(shù)字微分獲得。狀態(tài)觀測器16設計為在特定帶寬內跟蹤操縱器100的剛體動力。在圖4所示示范實施例中，校正器濾波器18包括一對二階低通濾波器，一個用于電動機108，一個用于電動機109。整個控制最好是以數(shù)字形式實現(xiàn)，并以1kHz的抽樣率執(zhí)行。
圖2所示機器人100執(zhí)行的典型操作包括徑向移動(在末端執(zhí)行器120跟蹤恒定角度取向T的直線時)和旋轉移動(在末端執(zhí)行器120在恒定徑向伸長部分R上沿圓弧移動時)。如果需要，這些基本移動可以組合并融合成更復雜和平滑的軌跡。
使用圖4所示的示范控制系統(tǒng)時，用于圖2所示示范測試機械操縱器的本發(fā)明的控制系統(tǒng)的性能會進行簡單的直線移動測試，從0.2米的初始徑向位置移到0.7米的最終伸長。運動受45m/s3的最大加速度率的約束。圖5中表示了對應的命令位置、速度和加速度分布圖。下面是用于圖4的測試實施例的PD補償器、狀態(tài)觀測器16和校正器濾波器18的控制參數(shù)設置
在此實施例中，狀態(tài)觀測器16和校正器濾波器18在22赫茲的頻率上提供大約70％的衰減，該頻率被標識為干擾控制的最低共振頻率。
圖6表示圖4的觀測器校正器設置在速度波腹點的影響。原始速度信號明顯受不需要的高頻分量(細線)的損害。按照常規(guī)，速度信號將經(jīng)過校正器濾波器18，在此操作模式中，該濾波器將作為普通的低通濾波器，從而產生明顯的相位滯后畸變(虛線)并反饋到控制器14。在圖4的觀測器校正器系統(tǒng)中，相反，反饋信號在狀態(tài)觀測器16中發(fā)起(點劃線)，校正器濾波器18用于校正由建模非理想性產生的不可避免的觀測誤差。在此實施例中，觀測誤差可能主要原因在于模型參數(shù)不精確以及粘性阻尼與千摩擦的未定型影響。將觀測的速度
與校正濾波器18的輸出
進行組合，產生干凈的合成反饋信號
它與原始速度
很接近，但不含不需要的高頻分量(粗線)。與單獨的過濾和觀測的速度相比，反饋信號
誤差顯然小得多。
為了量化由于本發(fā)明的觀測器校正器機制而實現(xiàn)的改進，在電動機跟蹤誤差方面，將圖4所示示范實施例的控制性能與等同的常規(guī)控制方法進行比較。在這種情況下，斷開狀態(tài)觀測器16。原始速度信號
經(jīng)過濾波器18并反饋到控制器14，在此操作模式中，該濾波器作為普通低通濾波器。此實施例的控制參數(shù)表示如下
除PD補償器的帶寬外，這些控制參數(shù)與圖4的完整觀測器校正器測試實施例的參數(shù)一樣，補償器的帶寬必須減到上表所示的水平，以便保持系統(tǒng)10的穩(wěn)定性和不振蕩行為。圖7中比較了每種實現(xiàn)中電動機108和109的跟蹤誤差。如圖所示，曲線表明，通過實現(xiàn)本發(fā)明的觀測器校正器機制(粗線)，常規(guī)控制系統(tǒng)(細線)的跟蹤性能提高了一個數(shù)量級。
應當理解，上述描述只是為了說明本發(fā)明。本領域的技術人員可在不脫離本發(fā)明的情況下設計不同的替代方案和修改。因此，本發(fā)明旨在涵蓋所附權利要求書的范圍之內的此類替代方案、修改和變化。
權利要求
1.一種用于在動力系統(tǒng)的輸出信號中抽取表示主要動力的信號分量的系統(tǒng)，它包括狀態(tài)觀測器，用于跟蹤表示所述動力系統(tǒng)的輸出信號中的主要動力的實際信號分量，并且提供表示估算信號分量的估算信號，所述估算信號分量表示所述動力系統(tǒng)的輸出信號中的主要動力；以及校正器濾波器，用于補償所述估算信號與表示所述輸出信號中主要動力的所述實際信號分量之間的失配；其中所述估算信號與所述校正器濾波器的輸出信號的組合可提供合成信號，所述合成信號包括表示所述輸出信號中主要動力的所述信號分量。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述動力系統(tǒng)的控制器，所述合成信號構成用作所述控制器的輸入的反饋信號，其中減小或基本上消除了所述動力系統(tǒng)的所述輸出信號中的未定型高階動力的不穩(wěn)定影響。
3.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)是機器的控制系統(tǒng)。
4.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述狀態(tài)觀測器用于接收表示所述控制器的輸出信號的第一輸入和表示所述動力系統(tǒng)輸出信號的第二輸入。
5.如權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，表示所述動力系統(tǒng)輸出信號的所述第二輸入包括測量噪聲信號分量。
6.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器的設計是基于未包括所述動力系統(tǒng)的高階動力的所述動力系統(tǒng)模型。
7.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動力系統(tǒng)是機械操縱器。
8.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述合成信號未包括表示所述動力系統(tǒng)輸出信號中的高階動力的信號分量。
9.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述狀態(tài)觀測器還用于跟蹤表示所述動力系統(tǒng)的輸出信號中的主要動力的所述實際信號分量，并且不對所述動力系統(tǒng)的輸出信號的高頻信號分量作出響應，所述高頻信號分量對應于所述動力系統(tǒng)的高階動力和所述動力系統(tǒng)輸出信號的測量噪聲信號分量。
10.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述狀態(tài)觀測器是帶寬有限的狀態(tài)觀測器。
11.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述校正器濾波器還用于使與表示主要動力以及觀測誤差信號分量的實際信號分量相關的所有低頻信號分量通過，而使與所述高階動力和測量噪聲信號分量相關的所有高頻信號分量衰減。
12.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述校正器濾波器是線性低通濾波器。
13.一種從動力系統(tǒng)的輸出信號中抽取信號分量的方法，它包括以下步驟估算在所述動力系統(tǒng)輸出信號中表示主要動力的信號分量；補償所述估算信號分量與表示所述動力系統(tǒng)輸出信號中主要動力的實際信號分量之間的失配；將所述估算信號分量與表示對所述估算信號分量與所述實際信號分量之間失配的補償?shù)男盘栠M行組合，從而提供合成信號，所述合成信號包括表示所述輸出信號中主要動力的信號分量。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述抽取的信號分量是所述輸出信號的主要信號分量。
15.如權利要求13所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟將所述合成信號用作所述動力系統(tǒng)的控制器的反饋輸入信號，其中減小或基本上消除了所述動力系統(tǒng)輸出信號中的未定型高階動力信號分量的不穩(wěn)定影響。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，估算表示所述動力系統(tǒng)輸出信號中主要動力的信號分量的所述步驟包括以下步驟在排除所述動力系統(tǒng)輸出信號中高階信號分量和測量噪聲信號分量的同時，跟蹤表示所述動力系統(tǒng)輸出信號中主要動力的所述實際信號分量。
17.如權利要求15所述的方法，其特征在于，補償所述估算信號分量與表示所述動力系統(tǒng)輸出信號中主要動力的實際信號分量之間失配的所述步驟包括以下步驟使表示所述動力系統(tǒng)輸出信號中主要動力和觀測誤差的低頻信號分量通過，同時使所述動力系統(tǒng)輸出信號的高階頻率信號分量和測量噪聲信號分量衰減。
18.一種減小受控系統(tǒng)中的高階動力影響的方法，它包括以下步驟跟蹤表示所述受控系統(tǒng)輸出信號中主要動力的實際信號分量；提供表示估算分量的估算信號，所述估算分量表示所述受控系統(tǒng)的輸出信號中的主要動力；補償所述估算信號與表示主要動力的所述實際信號分量之間的失配；將所述估算信號與所述校正器濾波器的輸出信號進行組合，從而形成合成反饋信號，所述合成反饋信號包括表示所述受控系統(tǒng)的所述輸出信號中的主要動力的信號分量；以及將所述合成反饋信號輸入所述受控系統(tǒng)的控制器，其中減小或基本上消除了所述動力系統(tǒng)輸出信號中的未定型高階動力信號分量的不穩(wěn)定影響。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述受控系統(tǒng)是機械操縱器并且跟蹤表示所述受控系統(tǒng)的輸出信號中主要動力的實際信號分量的所述步驟包括在指定帶寬內跟蹤所述操縱器的剛體動力。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，將所述估算信號與所述校正器濾波器的輸出信號進行組合而形成合成反饋信號的所述步驟包括以下步驟將電動機的觀測速度信號與校正濾波器的輸出進行組合，從而產生干凈的合成信號，所述合成信號與所述電動機的原始速度信號很接近，但是不含所述原始速度信號中具有的不需要的高頻分量。
全文摘要
系統(tǒng)(10)具有狀態(tài)觀測器(26)和校正器濾波器(18)，其中系統(tǒng)用于從動力系統(tǒng)(12)的輸出信號中抽取信號分量。狀態(tài)觀測器用于跟蹤動力系統(tǒng)輸出信號中表示主要動力的信號分量，并提供表示動力系統(tǒng)輸出信號中估算信號分量的估算信號。校正器濾波器用于補償估算信號與表示輸出信號中主要動力的實際信號分量之間的失配。估算信號與校正器濾波器輸出信號的組合可提供一個合成信號，合成信號包括了表示輸出信號中主要動力的信號分量。
文檔編號G05B13/02GK1623125SQ01817781
公開日2005年6月1日 申請日期2001年7月23日 優(yōu)先權日2000年8月28日
發(fā)明者M·霍賽克, J·T·穆拉, H·埃爾馬利 申請人:布魯克斯自動化公司