專利名稱：控制系統(tǒng)及其調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種控制系統(tǒng)及其調(diào)整方法，特別是關(guān)于一種具有強(qiáng)健性
(Robustness)的控制系統(tǒng)及其調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
控制系統(tǒng)在促進(jìn)現(xiàn)代文明及科技的發(fā)展中，扮演愈來愈重要的角色。舉例 來說，家用電氣產(chǎn)品、汽車與浴室的馬桶皆是控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)在工業(yè)上 的應(yīng)用更是普遍。
在伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)用中，通常會先根據(jù)系統(tǒng)的物理行為來建立數(shù)學(xué)模型，借由 數(shù)學(xué)模型中的控制函數(shù)，可以方便地預(yù)測與控制系統(tǒng)的行為。
傳統(tǒng)的比例積分微分(PID)控制器包含比例(Pr叩ort ional)項(xiàng)、積分 (Integral)項(xiàng)與微分(Derivative)項(xiàng)，比例項(xiàng)依據(jù)誤差大小來調(diào)整控制器的輸 出，積分項(xiàng)用以消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分項(xiàng)則有預(yù)測誤差走向的作用。由于它的架 構(gòu)簡單，所以至今還廣受使用。
以馬達(dá)為例來做說明，請參閱圖1，其為現(xiàn)有的馬達(dá)控制系統(tǒng)的方塊示意 圖。在圖1中，受控體11為馬達(dá)，根據(jù)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)的物理行為，以建立本控制 系統(tǒng)10受控體11的數(shù)學(xué)模型，模型的傳遞函數(shù)為Kt/((J +Jd) s+B)，其中Jm 為一馬達(dá)慣量，Jd為一負(fù)載慣量，B為一阻尼系數(shù)，K,為一比例值。受控體11 接收一驅(qū)動信號PV，據(jù)以產(chǎn)生一輸出信號PY,本例的輸出信號PY為一轉(zhuǎn)速。 而馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會遭受外來的干擾(Disturbance),干擾可能來自電磁或 機(jī)械，在此以一第三加總器111將干擾列入控制系統(tǒng)10的考慮因素，亦即第 三加總器111加總來自前端一主控制器12所產(chǎn)生的一第三操作信號P仏與一 干擾信號PW ，以產(chǎn)生用以驅(qū)動馬達(dá)的驅(qū)動信號PV 。在圖1的現(xiàn)有馬達(dá)實(shí)施 例中，做了簡化的圖示，較完整地說，第三操作信號P仏經(jīng)過一高頻寬的電流 回路，再與干擾信號pw結(jié)合，此時(shí)，第三操作信號P仏為一等效的電樞電流，干擾信號PW為一干擾轉(zhuǎn)矩。
圖1的主控制器12為一比例積分(PI)控制器，控制器12的傳遞函數(shù)為 Kp+K一1/s;其中包括一比例函數(shù)Kp與一積分函數(shù)K一l/s;而比例函數(shù)Kp亦為一 比例系數(shù)，用以提高控制系統(tǒng)10的一開回路增益頻寬，使控制系統(tǒng)10能夠快 速響應(yīng)；Id為一積分系數(shù)，用以降低控制系統(tǒng)10的穩(wěn)態(tài)追隨誤差。由于控制系 統(tǒng)10的一目標(biāo)頻寬B.愈寬，其響應(yīng)速度愈快，因此， 一般而言，設(shè)定比例系 數(shù)Kp為2nB (Jm+Jd)/Kt，以保證開回路增益具有目標(biāo)頻寬B"主控制器12接收 一誤差信號PE，誤差信號PE經(jīng)比例函數(shù)Kp處理，以產(chǎn)生一第一操作信號PU,; 誤差信號PE經(jīng)積分函數(shù)K一l/s處理，以產(chǎn)生一第二操作信號PU2 ;第一操作 信號PU,與第二操作信號PU2經(jīng)由一第二加總器121的加總，產(chǎn)生第三操作信
號PU3 。
控制系統(tǒng)10為一閉回路控制系統(tǒng)，具有一第一加總器141，第一加總器 141將包含有設(shè)定值命令的輸入信號PR減去受控體11的輸出信號PY ，以產(chǎn) 生誤差信號PE給主控器12。整個(gè)閉回路控制系統(tǒng)10的目的在盡量使輸出信 號PY的大小維持與輸入信號PR的設(shè)定值一致，以不受干擾信號PW的影響。
請參閱圖2，其為現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的步階響應(yīng)圖。圖2中包括步階函數(shù)命 令輸入信號曲線A1、圖1的第三操作信號曲線A2與圖1的輸出信號曲線A3。 如圖2所示，輸入信號PR設(shè)定為步階函數(shù)命令，經(jīng)主控制器12處理，將產(chǎn)生 第三操作信號P仏，以提供給受控體ll;當(dāng)圖1的控制系統(tǒng)IO要求快速響應(yīng) 與微小誤差時(shí)，會導(dǎo)致受控體10的輸出信號PY具有較大的超越量。
另外，因?yàn)榇蟛糠值墓I(yè)制程的響應(yīng)很慢，當(dāng)利用比例系數(shù)、積分系數(shù)與 一微分函數(shù)中的一微分系數(shù)調(diào)整控制系統(tǒng)輸出信號的響應(yīng)時(shí)，會產(chǎn)生困難性。 使用者可能必須等幾分鐘甚至是幾小時(shí)，以觀察由調(diào)整所產(chǎn)生的響應(yīng)，使借由 嘗試錯(cuò)誤來調(diào)整控制器，變?yōu)橐粋€(gè)令人厭煩且耗時(shí)的工作；有時(shí)，甚至無法調(diào) 整至滿足系統(tǒng)的需求。
綜上所論，可知如何讓控制系統(tǒng)在快速響應(yīng)與微小誤差時(shí)，減小受控體 輸出信號的超越量，減小調(diào)整的時(shí)間，且達(dá)成控制系統(tǒng)的強(qiáng)健性，為發(fā)展本發(fā) 明的主要動機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種控制系統(tǒng)及其調(diào)整方法。 本發(fā)明提出一種控制系統(tǒng)，包括一主控單元、 一第一調(diào)整單元及一第二調(diào) 整單元；其中，根據(jù)受控體的物理行為及控制系統(tǒng)的頻寬，設(shè)計(jì)主控單元；根
據(jù)受控體的響應(yīng)行為，設(shè)計(jì)第一調(diào)整單元，據(jù)以抵消受控體所遭受的一干擾信 號；第二調(diào)整單元的設(shè)計(jì)，讓控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)趨近第二調(diào)整單元的傳遞函 數(shù)。如此，據(jù)以達(dá)成系統(tǒng)的強(qiáng)健性、快速響應(yīng)，且使受控體輸出信號的超越量 消失或趨近零。
根據(jù)本發(fā)明的上述控制系統(tǒng)，用以控制一受控體所產(chǎn)生的一輸出信號，包
括一主控單元、 一第一調(diào)整單元及一第二調(diào)整單元；其中，主控單元是根據(jù)受 控體的物理行為所設(shè)計(jì)，使控制系統(tǒng)的一開回路頻寬接近一目標(biāo)頻寬，并產(chǎn)生 一第一操作信號；第一調(diào)整單元是根據(jù)受控體的響應(yīng)行為所設(shè)計(jì)，接收第一操 作信號，據(jù)以產(chǎn)生一第一調(diào)整信號，其中第一調(diào)整信號、輸出信號與第一操作 信號經(jīng)運(yùn)算產(chǎn)生一第二操作信號，使輸出信號接近第一調(diào)整信號，據(jù)以抵消受 控體所遭受的一干擾信號；第二調(diào)整單元接收一輸入信號，據(jù)以產(chǎn)生一第二調(diào) 整信號，其中第二調(diào)整信號、輸出信號與輸入信號經(jīng)運(yùn)算產(chǎn)生一第三操作信號，
以提供給主控單元，使控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)趨近第二調(diào)整單元的傳遞函數(shù)。
本發(fā)明提出另一種控制系統(tǒng)，包括一主控單元及一第一調(diào)整單元；其中， 主控單元的設(shè)計(jì)，使其符合控制系統(tǒng)的目標(biāo)頻寬；第一調(diào)整單元的設(shè)計(jì)，使受 控體的輸出信號接近第一調(diào)整單元所產(chǎn)生的第一調(diào)整信號，據(jù)以抵消受控體所 遭受的一干擾信號。如此，達(dá)成高效率與消除不確定因素的調(diào)整功效。
根據(jù)本發(fā)明的另一種控制系統(tǒng)，用以控制一受控體所產(chǎn)生的一輸出信號， 包括一主控單元及一第一調(diào)整單元；其中，主控單元使控制系統(tǒng)的一開回路頻 寬接近一目標(biāo)頻寬，并產(chǎn)生-第一操作信號；第一調(diào)整單元接收第一操作信號， 據(jù)以產(chǎn)生一第一調(diào)整信號，其中第一調(diào)整信號、輸出信號與第一操作信號經(jīng)運(yùn) 算產(chǎn)生一第二操作信號，使輸出信號接近第一調(diào)整信號，據(jù)以抵消受控體所遭 受的一干擾信號。
本發(fā)明又提出一種控制系統(tǒng)的調(diào)整方法，借由控制系統(tǒng)的目標(biāo)頻寬，設(shè)計(jì) 一控制函數(shù)；接著，借由控制函數(shù)所產(chǎn)生的一第一操作信號，產(chǎn)生一第一調(diào)整信號，并經(jīng)由運(yùn)算與反饋，使受控體所產(chǎn)生的一輸出信號接近第一調(diào)整信號。 若需要更進(jìn)一步的穩(wěn)定效果，則借由一第二調(diào)整函數(shù)的作用，使控制系統(tǒng)的傳 遞函數(shù)趨近第二調(diào)整函數(shù)。如此，達(dá)成直覺式、容易性與友善的調(diào)整功效。
根據(jù)本發(fā)明的上述控制系統(tǒng)的調(diào)整方法，用以調(diào)整一受控體所產(chǎn)生的一輸 出信號，包括下列步驟首先，制定控制系統(tǒng)的一目標(biāo)頻寬；接著，根據(jù)目標(biāo) 頻寬，設(shè)計(jì)一控制函數(shù)，使控制系統(tǒng)的一開回路頻寬接近目標(biāo)頻寬，并產(chǎn)生一 第一操作信號；接著，借由該第一操作信號，產(chǎn)生一第一調(diào)整信號；然后，運(yùn) 算該第一調(diào)整信號、該輸出信號與該第一操作信號，產(chǎn)生一第二操作信號，使 該輸出信號接近該第一調(diào)整信號。


為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，以下結(jié)合附圖對本發(fā) 明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明，其中-
圖1為現(xiàn)有的馬達(dá)控制系統(tǒng)的方塊示意圖2為現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的步階響應(yīng)圖3為本發(fā)明所提出的控制系統(tǒng)的方塊示意圖4為本發(fā)明所提出的控制系統(tǒng)在受控體為馬達(dá)時(shí)的方塊示意圖5為圖4的控制系統(tǒng)的第一步階響應(yīng)圖6為圖4的控制系統(tǒng)的第二步階響應(yīng)圖7為圖4的控制系統(tǒng)的第三步階響應(yīng)圖8為圖4的控制系統(tǒng)的第四步階響應(yīng)圖；及
圖9為圖4的控制系統(tǒng)的第五步階響應(yīng)圖。
具體實(shí)施例方式
為了敘述清楚本發(fā)明所提出的控制系統(tǒng)及其調(diào)整方法，下面列舉多個(gè)較佳 實(shí)施例加以說明
請參閱圖3，其為本發(fā)明所提出的控制系統(tǒng)的方塊示意圖。根據(jù)圖3所實(shí) 現(xiàn)的第一實(shí)施例中，控制系統(tǒng)30用以控制一受控體31所產(chǎn)生的一輸出信號Y ， 包括一主控單元32、 一第一調(diào)整單元33及一第二調(diào)整單元34。其中，主控單元32是控制系統(tǒng)30的核心部分，當(dāng)?shù)谝徽{(diào)整單元33與第二調(diào)整單元34沒有 加入控制系統(tǒng)30的運(yùn)作且控制系統(tǒng)30在開回路狀態(tài)時(shí)，根據(jù)受控體31的物 理行為設(shè)計(jì)主控單元32，使控制系統(tǒng)30的一開回路頻寬接近一目標(biāo)頻寬Bw， 并產(chǎn)生一第一操作信號仏。上述說明中，第一調(diào)整單元33沒有加入控制系統(tǒng) 30，是利用設(shè)定第一調(diào)整單元33所經(jīng)回路中一第一放大器332的一第一倍率h 為零來達(dá)成；第二調(diào)整單元34沒有加入控制系統(tǒng)30，是利用設(shè)定第二調(diào)整單 元34所經(jīng)回路中一第二放大器344的一第二倍率m為零來達(dá)成。而所述的主 控單元32通常包括一比例積分控制器。
受控體31在操作的過程中，會遭受到不確定因素的干擾(Disturbance), 其大小為一干擾信號W ，在此，利用一第三加總器311將干擾信號W納入控 制系統(tǒng)30的控制范圍。干擾信號W會影響控制系統(tǒng)30的強(qiáng)健性，使控制系統(tǒng) 30無法穩(wěn)定地操作。
于是加入第一調(diào)整單元33，使控制系統(tǒng)30能夠快速響應(yīng)以抵消受控體31 所遭受的干擾信號W，因此而增加控制系統(tǒng)30的強(qiáng)健性。第一調(diào)整單元33是 根據(jù)受控體31的響應(yīng)行為所設(shè)計(jì)，亦即第一調(diào)整單元33的傳遞函數(shù)是模擬受 控體31的傳遞函數(shù)所設(shè)計(jì)；第一調(diào)整單元33接收第一操作信號U,，據(jù)以產(chǎn) 生一第一調(diào)整信號Q,，其中第一調(diào)整信號Q,、輸出信號Y與第一操作信號 U,經(jīng)運(yùn)算，產(chǎn)生一第二操作信號1]2;第三加總器311加總第二操作信號U2與 干擾信號W ，產(chǎn)生一驅(qū)動信號V ，以驅(qū)動受控體31，而產(chǎn)生輸出信號Y ;經(jīng) 由反饋的作用，使輸出信號Y接近第一調(diào)整信號Q,，據(jù)以抵消受控體31所遭 受的干擾信號W 。而第一調(diào)整單元33適用于抵抗低頻干擾。
接著，說明運(yùn)算第一調(diào)整信號Q,、輸出信號Y與第一操作信號仏，以產(chǎn) 生第二操作信號1]2的情形?？刂葡到y(tǒng)30還包括一第一加總器331、 一第一放 大器332及一第二加總器333;其中，第一加總器331將第一調(diào)整信號Q,減去 輸出信號Y，產(chǎn)生一第一結(jié)果信號T,;第一放大器332接收第一結(jié)果信號T,， 并放大一第一倍率h，以產(chǎn)生一第二結(jié)果信號T2 ，經(jīng)由調(diào)整第一倍率h，使輸 出信號Y接近第一調(diào)整信號Q,;第二加總器333加總第一操作信號U,與第二 結(jié)果信號T2 ，以產(chǎn)生第二操作信號U2 。
當(dāng)控制系統(tǒng)30的目標(biāo)頻寬Bw增大時(shí)，控制系統(tǒng)30所要求的響應(yīng)速度也要加快，且希望更進(jìn)一步減小誤差、減小受控體輸出信號Y的超越量與加強(qiáng)控制
系統(tǒng)30的穩(wěn)定性，于是加入第二調(diào)整單元34。第二調(diào)整單元34,接收一輸入 信號R，據(jù)以產(chǎn)生一第二調(diào)整信號Q2 ，其中第二調(diào)整信號Q2、輸出信號Y與 輸入信號R經(jīng)運(yùn)算，產(chǎn)生一第三操作信號U3 ，以提供給主控單元32;經(jīng)由控 制系統(tǒng)30的作用，使控制系統(tǒng)30的傳遞函數(shù)趨近第二調(diào)整單元34的傳遞函 數(shù)。
接著，說明運(yùn)算第二調(diào)整信號Q2 、輸出信號Y與輸入信號R ，以產(chǎn)生第 三操作信號仏的情形?？刂葡到y(tǒng)30還包括一第四加總器342、 一回路穩(wěn)定器 343、 一第二放大器344及一第五加總器341;其中，第四加總器342將第二調(diào) 整信號Q2減去輸出信號Y ，以產(chǎn)生一第三結(jié)果信號T3 ;回路穩(wěn)定器343接收 第三結(jié)果信號T3 ，據(jù)以產(chǎn)生一第四結(jié)果信號T,，且回路穩(wěn)定器343具有一含 積分的函數(shù)F，經(jīng)由含積分的函數(shù)F的作用，使控制系統(tǒng)30達(dá)成零穩(wěn)態(tài)誤差； 第二放大器344接收第四結(jié)果信號T,，并放大一第二倍率ra，以產(chǎn)生一第五結(jié) 果信號Ts ，經(jīng)由調(diào)整第二倍率m，使控制系統(tǒng)30的傳遞函數(shù)趨近第二調(diào)整單 元34的傳遞函數(shù)；第五加總器341加總輸入信號R與第五結(jié)果信號L ，并減 去輸出信號Y ，以產(chǎn)生第三操作信號U3 。
接著，說明根據(jù)圖3所實(shí)現(xiàn)的第二實(shí)施例?？刂葡到y(tǒng)30用以控制一受控 體31所產(chǎn)生的一輸出信號Y ，包括一主控單元32及一第一調(diào)整單元33。其 中，主控單元32是控制系統(tǒng)30的核心部分，當(dāng)?shù)谝徽{(diào)整單元33沒有加入控 制系統(tǒng)30的運(yùn)作且控制系統(tǒng)30在開回路狀態(tài)時(shí)，根據(jù)控制系統(tǒng)30的一目標(biāo) 頻寬Bw設(shè)計(jì)主控單元31，使控制系統(tǒng)30的一開回路頻寬接近一目標(biāo)頻寬Bw， 并產(chǎn)生一第一操作信號U,。上述說明中，第一調(diào)整單元33沒有加入控制系統(tǒng) 30，是利用設(shè)定第一調(diào)整單元33所經(jīng)回路中一第一放大器332的一第一倍率h 為零來達(dá)成。所述的主控單元30通常包括一比例積分控制器，而借由受控體 31的物理行為以設(shè)計(jì)主控單元32，可容易使控制系統(tǒng)30的一開回路頻寬接近 一目標(biāo)頻寬B 。此時(shí)，控制系統(tǒng)30還可包含一第五加總器341，第五加總器 341將輸入信號R減去輸出信號Y ，以產(chǎn)生第三操作信號仏，并提供給主控 單元32。
而第一調(diào)整單元33接收第一操作信號仏，據(jù)以產(chǎn)生一第一調(diào)整信號Q,，其中第一調(diào)整信號Q,、輸出信號Y與第一操作信號仏經(jīng)運(yùn)算，產(chǎn)生一第二操作信號U2;第三加總器311加總第二操作信號U2與一干擾信號W ，產(chǎn)生一驅(qū) 動信號V ，以驅(qū)動受控體31，而產(chǎn)生輸出信號Y ;經(jīng)由反饋的作用，使輸出信號Y接近第一調(diào)整信號Q,，據(jù)以抵消受控體31所遭受的干擾信號W 。所 述的第一調(diào)整單元33通常是根據(jù)受控體31的響應(yīng)行為所設(shè)計(jì)，亦即第一調(diào)整 單元33的傳遞函數(shù)是模擬受控體31的傳遞函數(shù)所設(shè)計(jì)。且第一調(diào)整單元33 適用于抵抗低頻干擾。而運(yùn)算第一調(diào)整信號Q,、輸出信號Y與第一操作信號U,，以產(chǎn)生第二操 作信號仏的情形，相同于第一實(shí)施例所述。第二實(shí)施例的控制系統(tǒng)30還包括一第二調(diào)整單元34。第二調(diào)整單元34， 接收一輸入信號R ，據(jù)以產(chǎn)生一第二調(diào)整信號Q2 ，其中第二調(diào)整信號Q2 、輸 出信號Y與輸入信號R經(jīng)運(yùn)算，產(chǎn)生一第三操作信號U3 ，以提供給主控單元 32;經(jīng)由控制系統(tǒng)30的作用，使控制系統(tǒng)30的傳遞函數(shù)趨近第二調(diào)整單元30 的傳遞函數(shù)。而運(yùn)算第二調(diào)整信號Q2 、輸出信號Y與輸入信號R ,以產(chǎn)生第三操作信 號仏的情形，相同于第一實(shí)施例所述的。在伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)用中，馬達(dá)為一常用的受控體31。請參閱圖4，其為本發(fā)明 所提出的控制系統(tǒng)在受控體為馬達(dá)時(shí)的方塊示意圖。圖4控制系統(tǒng)40中的符 號與圖3控制系統(tǒng)30中的符號具有相同的名稱與功能，在圖4中，受控體31 的物理行為的傳遞函數(shù)為Kt/((Jm+Jd)s+B)，其中Jm為一馬達(dá)慣量，Ja為一負(fù)載 慣量，B為一阻尼系數(shù)，Kt為一比例值。為了根據(jù)受控體31的物理行為以設(shè)計(jì) 主控單元32，且為了根據(jù)受控體31的響應(yīng)行為以設(shè)計(jì)第一調(diào)整單元33，在此，引入馬達(dá)與負(fù)載總慣量a+J》的一慣量估計(jì)值h，且預(yù)先假設(shè)Jfl+Jd。因此， 將主控單元32的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)為2nBJs/Kt，其中B.為控制系統(tǒng)40的目標(biāo)頻 寬B" Js為CL+Jd)的慣量估計(jì)值，如此，使控制系統(tǒng)40的開回路頻寬接近目 標(biāo)頻寬B.。而根據(jù)受控體31的響應(yīng)行為，將第一調(diào)整單元33的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì) 為Kt/(JsS)，經(jīng)過運(yùn)算與反饋?zhàn)饔?，使受控體31所產(chǎn)生的輸出信號Y接近第 一調(diào)整單元33所產(chǎn)生的第一調(diào)整信號Q,。再者，將第二調(diào)整單元34的傳遞 函數(shù)設(shè)計(jì)為2"Bw/(s+2:iBj，經(jīng)過運(yùn)算與反饋?zhàn)饔茫瑢⑹箍刂葡到y(tǒng)40的傳遞函數(shù)趨近第二調(diào)整單元34的傳遞函數(shù)。接著，在圖4中，設(shè)定目標(biāo)頻寬B^50Hz，第一倍率bl，第二倍率m-l， 以產(chǎn)生實(shí)際的數(shù)據(jù)，并比較圖4與圖1的兩個(gè)控制系統(tǒng)，圖1的控制系統(tǒng)10 為現(xiàn)有的比例-積分-微分(P-I-D)控制架構(gòu)(其中以比例積分(PI)控制器為例， 設(shè)定目標(biāo)頻寬B^50Hz)。所得結(jié)果顯示于圖5，圖5為圖4的控制系統(tǒng)的第一 步階響應(yīng)圖。圖5中包括步階函數(shù)命令輸入信號曲線Al、圖l的第三操作信號 曲線A2、圖1的輸出信號曲線A3、圖4的第二操作信號曲線B1與圖4的輸出 信號曲線B2。此時(shí)，第一調(diào)整單元33在一階50Hz頻寬的狀態(tài)下，其所產(chǎn)生的 第一調(diào)整信號Q,對應(yīng)于一第一調(diào)整信號曲線(未顯示于圖中)。如圖5所示， 本發(fā)明的控制系統(tǒng)40所產(chǎn)生的輸出信號曲線B2沒有超越量，可以容易克服阻 尼系數(shù)B的影響，并相當(dāng)接近第一調(diào)整信號曲線。繼續(xù)探討第二倍率m對控制系統(tǒng)40的影響，在此，假設(shè)慣量估計(jì)值 L=a+Jd)/2'亦即慣量估計(jì)值L只有實(shí)際慣量CL+Jd)的一半。首先，設(shè)定目 標(biāo)頻寬B^50Hz，第一倍率}1=1，然后，依序增加第二倍率ra。所得結(jié)果顯示于 圖6，圖6為圖4的控制系統(tǒng)的第二步階響應(yīng)圖。圖6中包括步階函數(shù)命令輸 入信號曲線A1、圖1的輸出信號曲線PID、圖4的第二倍率為l輸出信號曲線 m=l、圖4的第二倍率為2輸出信號曲線01=2、圖4的第二倍率為3輸出信號曲 線m-3與圖4的第二倍率為4輸出信號曲線n^4。如圖6所示，現(xiàn)有如圖1的 比例積分微分(PID)控制系統(tǒng)IO所運(yùn)作出的輸出信號曲線A3，具有很大的超越 量；相對地，本發(fā)明控制系統(tǒng)40中的第二倍率m增大時(shí)，其所對應(yīng)的超越量 愈來愈小，且上升時(shí)間也愈來愈趨近20ms。同樣，探討第一倍率h對控制系統(tǒng)40的影響。首先，設(shè)定目標(biāo)頻寬B^50Hz， 第二倍率iif4，然后，依序增加第一倍率h。所得結(jié)果顯示于圖7，圖7為圖4 的控制系統(tǒng)的第三步階響應(yīng)圖。圖7中包括步階函數(shù)命令輸入信號曲線Al、第 一倍率為1輸出信號曲線h=l、第一倍率為2輸出信號曲線h=2、第一倍率為4 輸出信號曲線h=4、第一倍率為6輸出信號曲線h=6與第一倍率為8輸出信號 曲線}!=8。如圖7所示，當(dāng)?shù)谝槐堵蔴增大時(shí)，其所對應(yīng)的超越量愈來愈小， 且上升時(shí)間也愈來愈趨近20ras。當(dāng)控制系統(tǒng)40要求的規(guī)格為，目標(biāo)頻寬Bw為50Hz、步階響應(yīng)的上升時(shí)間為20ms且不能有超越量時(shí)，經(jīng)由上述的說明可知，滿足規(guī)格的最佳設(shè)定為目 標(biāo)頻寬B^50Hz、第一倍率h-l且第二倍率n^4。接著，說明慣量估計(jì)值L的改變對控制系統(tǒng)40的影響。當(dāng)負(fù)載慣量Jd與 馬達(dá)慣量丄的關(guān)系為Jd-10JJ寸，分別設(shè)定慣量估計(jì)值L為J^6丄、J—11J 與J^16J^，據(jù)以觀察受控體31輸出信號Y的變化。所得結(jié)果顯示于圖8，圖 8為圖4的控制系統(tǒng)的第四步階響應(yīng)圖。圖8中包括步階函數(shù)命令輸入信號曲 線A1、慣量估計(jì)值J^6L所致第三操作信號曲線C1、慣量估計(jì)值Jfll;所致 第三操作信號曲線C2、慣量估計(jì)值J^16丄所致第三操作信號曲線C3、慣量估 計(jì)值J^6丄所致輸出信號曲線Dl、慣量估計(jì)值J^lll所致輸出信號曲線D2 與慣量估計(jì)值J^16Jm所致輸出信號曲線D3。圖8中的三條第三操作信號曲線 Cl、 C2、 C3是主控單元32、第一調(diào)整單元33與第二調(diào)整單元34，經(jīng)第一倍率 h與第二倍率m以不同權(quán)重加成作用所獲得。如圖8所示，本發(fā)明的控制系統(tǒng) 40對慣量估計(jì)值J2的改變具有良好的強(qiáng)健性。同樣，說明負(fù)載慣量Jd的改變對控制系統(tǒng)40的影響。當(dāng)慣量估計(jì)值Js與 馬達(dá)慣量Jm的關(guān)系為Jf IIL時(shí)，分別設(shè)定負(fù)載慣量Jd為Jd=5Jm、 J^10J^與 Jd=15J ，據(jù)以觀察受控體31輸出信號Y的變化。所得結(jié)果顯示于圖9，圖9 為圖4的控制系統(tǒng)的第五步階響應(yīng)圖。圖9中包括步階函數(shù)命令輸入信號曲線 Al、負(fù)載慣量J^5丄所致第三操作信號曲線Gl、負(fù)載慣量J^10L所致第三操 作信號曲線G2、負(fù)載慣量K51所致第三操作信號曲線G3、負(fù)載慣量Jd-5Jm 所致輸出信號曲線Hl、負(fù)載慣量KOJL所致輸出信號曲線H2與負(fù)載慣量 J^15丄所致輸出信號曲線H3。如圖9所示，本發(fā)明的控制系統(tǒng)40對負(fù)載慣量Jd的改變具有良好的強(qiáng)健性。接著，說明本發(fā)明所提出的控制系統(tǒng)30的調(diào)整方法，用以調(diào)整一受控體 31所產(chǎn)生的一輸出信號Y ，包括下列步驟(a) 制定控制系統(tǒng)30的一目標(biāo)頻寬B"(b) 根據(jù)目標(biāo)頻寬B.，設(shè)計(jì)一控制函數(shù)，使控制系統(tǒng)30的一開回路頻寬接 近目標(biāo)頻寬B.，并產(chǎn)生一第一操作信號仏，其中控制函數(shù)為主控單元32的傳 遞函數(shù)；(c) 借由第一操作信號仏，產(chǎn)生一第一調(diào)整信號Q,;及(d) 運(yùn)算第一調(diào)整信號Q,、輸出信號Y與第一操作信號仏，產(chǎn)生一第二操作信號U2 ，使輸出信號Y接近第一調(diào)整信號Q,。上述方法的步驟(C)包括下列步驟(cl)根據(jù)受控體31的響應(yīng)行為，設(shè)計(jì)一第一調(diào)整函數(shù)，其中第一調(diào)整函數(shù)為第一調(diào)整爭元33的傳遞函數(shù)；及(c2)提供第一操作信號U,給第一調(diào)整函數(shù)，產(chǎn)生第一調(diào)整信號Q,。上述方法的步驟(d)包括下列步驟(dl)從第一調(diào)整信號Q,減去輸出信號Y ，產(chǎn)生一第一結(jié)果信號T,; (d2)放大第一結(jié)果信號T, 一第一倍率h，產(chǎn)生一第二結(jié)果信號T2 ; (d3)相加第二結(jié)果信號T2與第一操作信號U,，產(chǎn)生第二操作信號U2 ;及(d4)調(diào)整第一倍率h的大小，使輸出信號Y接近第一調(diào)整信號Q,。 上述方法在步驟(d)之后還包括下列步驟(e) 提供一輸入信號R給一第二調(diào)整函數(shù)，產(chǎn)生一第二調(diào)整信號Q2，其中 第二調(diào)整函數(shù)為第二調(diào)整單元34的傳遞函數(shù)；及(f) 運(yùn)算第二調(diào)整信號Q2 、輸出信號Y與輸入信號R ，產(chǎn)生一第三操作 信號仏，使控制系統(tǒng)30的傳遞函數(shù)趨近第二調(diào)整函數(shù)。上述方法的步驟(f)包括下列步驟(fl)從第二調(diào)整信號Q2減去輸出信號Y ，產(chǎn)生一第三結(jié)果信號T3 ;(f2)接收第三結(jié)果信號T3 ，執(zhí)行一積分運(yùn)算，產(chǎn)生一第四結(jié)果信號L ， 其中積分運(yùn)算是由回路穩(wěn)定器343中的積分函數(shù)F所處理；(f3)放大第四結(jié)果信號T4 一第二倍率m，產(chǎn)生一第五結(jié)果信號Ts ，(f4)相加第五結(jié)果信號Ts與輸入信號R ，并減去輸出信號Y ，產(chǎn)生第三 操作信號U3 ;及(f5)調(diào)整第二倍率m的大小，使控制系統(tǒng)30的傳遞函數(shù)趨近第二調(diào)整函數(shù)。本發(fā)明的特點(diǎn)為 一種控制系統(tǒng)用以控制一受控體所產(chǎn)生的一輸出信號， 包括一主控單元、 一第一調(diào)整單元及一第二調(diào)整單元，通過第一倍率與第二倍 率的兩個(gè)權(quán)重參數(shù)的調(diào)整，達(dá)成控制系統(tǒng)的強(qiáng)健性、快速響應(yīng)，且使受控體輸出信號的超越量消失或趨近零?？刂葡到y(tǒng)具備目標(biāo)頻寬、抵抗低頻干擾與傳遞 函數(shù)追隨的技術(shù)特征，借由主控單元、第一調(diào)整單元與第二調(diào)整單元的設(shè)計(jì)， 及第一倍率與第二倍率的兩個(gè)權(quán)重參數(shù)的調(diào)整，以實(shí)時(shí)調(diào)控的方式達(dá)成上述的技術(shù)特征。綜上所述，本發(fā)明的控制系統(tǒng)及其調(diào)整方法確實(shí)能達(dá)到發(fā)明構(gòu)想所設(shè)定的 功效。然而以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但凡本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人 員，在依據(jù)本發(fā)明精神所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)涵蓋于本發(fā)明的權(quán)利要求 書內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種控制系統(tǒng)，用以控制一受控體所產(chǎn)生的一輸出信號，包括一主控單元，是根據(jù)該受控體的物理行為所設(shè)計(jì)，使該控制系統(tǒng)的一開回路頻寬接近一目標(biāo)頻寬，并產(chǎn)生一第一操作信號；及一第一調(diào)整單元，是根據(jù)該受控體的響應(yīng)行為所設(shè)計(jì)，接收該第一操作信號，據(jù)以產(chǎn)生一第一調(diào)整信號，其中該第一調(diào)整信號、該輸出信號與該第一操作信號經(jīng)運(yùn)算產(chǎn)生一第二操作信號，使該輸出信號接近該第一調(diào)整信號，據(jù)以抵消該受控體所遭受的一干擾信號；及一第二調(diào)整單元，接收一輸入信號，據(jù)以產(chǎn)生一第二調(diào)整信號，其中該第二調(diào)整信號、該輸出信號與該輸入信號經(jīng)運(yùn)算產(chǎn)生一第三操作信號，以提供給該主控單元，使該控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)趨近該第二調(diào)整單元的傳遞函數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于 該主控單元包括一比例積分控制器；及/或 該受控體為一馬達(dá)。
3. 如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于還包括一第四加總器，將該第二調(diào)整信號減去該輸出信號，以產(chǎn)生一第三結(jié)果信號；一回路穩(wěn)定器，接收該第三結(jié)果信號，據(jù)以產(chǎn)生一第四結(jié)果信號，且具有 一積分函數(shù).經(jīng)由該積分函數(shù)的作用，使該控制系統(tǒng)達(dá)成零穩(wěn)態(tài)誤差；一第二放大器，接收該第四結(jié)果信號，并放大一第二倍率，以產(chǎn)生一第五 結(jié)果信號，經(jīng)由調(diào)整該第二倍率，使該控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)趨近該第二調(diào)整單 元的傳遞函數(shù)；及一第五加總器，加總該輸入信號與該第五結(jié)果信號，并減去該輸出信號， 以產(chǎn)生該第三操作信號。
4. 如權(quán)利要求l所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)該受控體為一馬達(dá)時(shí) 該受控體的物理行為的傳遞函數(shù)為K[/((JJJd)s+B)，其中Jm為一馬達(dá)慣量，Jd為一負(fù)載慣量，B為一阻尼系數(shù)，Kt為一比例值；該主控單元的傳遞函數(shù)為2:iBJ￡/Kt，其中B.為該目標(biāo)頻寬，Js為CL+Ja)的一慣量估計(jì)值；該第一調(diào)整單元的傳遞函數(shù)為Kt/(JsS);且 該第二調(diào)整單元的傳遞函數(shù)為2 n B /(s+2 :i Bw)。
5. —種控制系統(tǒng)，用以控制一受控體所產(chǎn)生的一輸出信號，包括 一主控單元，使該控制系統(tǒng)的一開回路頻寬接近一目標(biāo)頻寬，并產(chǎn)生一第一操作信號；及一第一調(diào)整單元，接收該第一操作信號，據(jù)以產(chǎn)生一第一調(diào)整信號，其中 該第一調(diào)整信號、該輸出信號與該第一操作信號經(jīng)運(yùn)算產(chǎn)生一第二操作信號， 使該輸出信號接近該第一調(diào)整信號，據(jù)以抵消該受控體所遭受的一干擾信號。
6. 如權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于 該主控單元是根據(jù)該受控體的物理行為所設(shè)計(jì)；及/或 該第一調(diào)整單元，是根據(jù)該受控體的響應(yīng)行為所設(shè)計(jì)。
7. 如權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于還包括 一第一加總器，將該第一調(diào)整信號減去該輸出信號，產(chǎn)生一第一結(jié)果信號； 一第一放大器，接收該第一結(jié)果信號，并放大一第一倍率，以產(chǎn)生一第二結(jié)果信號，經(jīng)由調(diào)整該第一倍率，使該輸出信號接近該第一調(diào)整信號；及一第二加總器，加總該第一操作信號與該第二結(jié)果信號，以產(chǎn)生該第二操 作信號。
8. 如權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于還包括 一第三加總器，用以加總該第二操作信號與該干擾信號，以提供給該受控體；及/或一第二調(diào)整單元，接收一輸入信號，據(jù)以產(chǎn)生一第二調(diào)整信號，其中該第 二調(diào)整信號、該輸出信號與該輸入信號經(jīng)運(yùn)算產(chǎn)生一第三操作信號，提供給該 主控單元，使該控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)趨近該第二調(diào)整單元的傳遞函數(shù)。
9. 一種控制系統(tǒng)的調(diào)整方法，用以調(diào)整一受控體所產(chǎn)生的一輸出信號，包 括下列步驟(a) 制定該控制系統(tǒng)的一目標(biāo)頻寬；(b) 根據(jù)該目標(biāo)頻寬，設(shè)計(jì)一控制函數(shù)，使該控制系統(tǒng)的一開回路頻寬接. 近該目標(biāo)頻寬，并產(chǎn)生一第一操作信號；(C)借由該第一操作信號，產(chǎn)生一第一調(diào)整信號；及(d) 運(yùn)算該第一調(diào)整信號、該輸出信號與該第一操作信號，產(chǎn)生一第二操 作信號，使該輸出信號接近該第一調(diào)整信號。
10. 如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)的調(diào)整方法，其特征在于，步驟(C)包括 下列步驟(Cl)根據(jù)該受控體的響應(yīng)行為，設(shè)計(jì)一第一調(diào)整函數(shù)；及 (C2)提供該第一操作信號給該第一調(diào)整函數(shù)，產(chǎn)生該第一調(diào)整信號。
11. 如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)的調(diào)整方法，其特征在于，步驟(d)包括 下列步驟(dl)從該第一調(diào)整信號減去該輸出信號，產(chǎn)生一第-一結(jié)果信號； (d2)放大該第一結(jié)果信號一第一倍率，產(chǎn)生一第二結(jié)果信號； (d3)相加該第二結(jié)果信號與該第一操作信號，產(chǎn)生該第二操作信號；及 (d4)調(diào)整該第一倍率的大小，使該輸出信號接近該第一調(diào)整信號。
12. 如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)的調(diào)整方法，其特征在于，在步驟(d)之 后還包括下列步驟(e) 提供一輸入信號給一第二調(diào)整函數(shù)，產(chǎn)生一第二調(diào)整信號；及(f) 運(yùn)算該第二調(diào)整信號、該輸出信號與該輸入信號，產(chǎn)生一第三操作信 號，使該控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)趨近該第二調(diào)整函數(shù)，而其中步驟(f)包括下列 步驟(fl)從該第二調(diào)整信號減去該輸出信號，產(chǎn)生一第三結(jié)果信號； (f2)接收該第三結(jié)果信號，執(zhí)行一積分運(yùn)算，產(chǎn)生一第四結(jié)果信號； (f3)放大該第四結(jié)果信號一第二倍率，產(chǎn)生一第五結(jié)果信號； (f4)相加該第五結(jié)果信號與該輸入信號，并減去該輸出信號，產(chǎn)生該第三 操作信號；及(f5)調(diào)整該第二倍率的大小，使該控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)趨近該第二調(diào)整函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制系統(tǒng)，用以控制一受控體所產(chǎn)生的一輸出信號，包括一主控單元、一第一調(diào)整單元及一第二調(diào)整單元，通過第一倍率與第二倍率的兩個(gè)權(quán)重參數(shù)的調(diào)整，達(dá)成控制系統(tǒng)的強(qiáng)健性、快速響應(yīng)，且使受控體輸出信號的超越量消失或趨近零?？刂葡到y(tǒng)具備目標(biāo)頻寬、抵抗低頻干擾與傳遞函數(shù)追隨的技術(shù)特征，借由主控單元、第一調(diào)整單元與第二調(diào)整單元的設(shè)計(jì)，及第一倍率與第二倍率的兩個(gè)權(quán)重參數(shù)的調(diào)整，以實(shí)時(shí)調(diào)控的方式達(dá)成上述的技術(shù)特征。
文檔編號G05B13/02GK101290506SQ20071010138
公開日2008年10月22日 申請日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者蔡清雄 申請人:臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司