控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多輸入多輸出(MIMO)控制系統(tǒng)，包括控制器，該控制器適于接收至少兩個(gè)控制輸入?yún)?shù)的輸入集和一組至少兩個(gè)控制輸出參數(shù)，所述控制系統(tǒng)布置為實(shí)現(xiàn)修改的無(wú)差拍控制，其中所述修改的無(wú)差拍控制包括基于一系列級(jí)聯(lián)比例積分?微分(PID)控制的用于n階、線性非時(shí)變(LTI)系統(tǒng)的穩(wěn)健的無(wú)差拍控制，每個(gè)PID控制包括具有分子和分母的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，其中對(duì)于分子，恒定增益(K)被選擇用于每個(gè)PID控制。本發(fā)明還提供了用于控制使用該控制系統(tǒng)的連續(xù)處理的方法。
【專利說(shuō)明】
控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)，一種用于控制處理的方法，以及涉及一種計(jì)算機(jī)程序 廣品。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于控制處理的控制系統(tǒng)在本領(lǐng)域中是公知的。控制系統(tǒng)要求近年來(lái)已經(jīng)增加。 發(fā)現(xiàn)PID控制器以其當(dāng)前的形式不足夠好到處理這些要求。因此，使用非線性控制器已經(jīng)成 為必須。即使非線性控制器是非常復(fù)雜的，并且不能在某些系統(tǒng)上應(yīng)用。
[0003] PID控制器中的一個(gè)問(wèn)題是，它具有多個(gè)控制回路(通常是三個(gè)或四個(gè)回路），并且 對(duì)于每個(gè)回路，存在三個(gè)參數(shù)需要調(diào)諧，這可能需要多天的調(diào)諧以達(dá)到可接受的性能。即使 在所有那樣的調(diào)諧努力之后，性能可能仍然不匹配非線性控制器的性能。某些控制器允許 減少調(diào)諧參數(shù)的數(shù)目（無(wú)差拍(Deadbeat) Jeigler-Nichols)，但不能對(duì)控制回路的數(shù)目進(jìn) 行任何改變。
[0004] 在20世紀(jì)80年代，無(wú)差拍控制器被開發(fā)，以便降低調(diào)諧參數(shù)的數(shù)目。然而，這僅適 用于利用離散的時(shí)間控制。在2008年，提出了具有無(wú)差拍控制器的應(yīng)用，其容許連續(xù)的時(shí)間 控制。例如，參見(jiàn)Peng Wen和Te-Wei Lu，Decoupling Control of a Twin Rotor ΜΙΜΟ System using Robust Deadbeat Control Technique，proceeding of：Control and Automation，2007年.ICCA 2007年.IEEE，根據(jù)其，研究了雙轉(zhuǎn)子ΜΜ0系統(tǒng)的解耦控制并且 建議將穩(wěn)健的無(wú)差拍控制技術(shù)應(yīng)用于該非線性系統(tǒng)。首先，非線性問(wèn)題被識(shí)別并且系統(tǒng)模 型被開發(fā)。然后，我們示出，該系統(tǒng)能夠被解耦成兩個(gè)SIS0系統(tǒng)，并且交叉耦合可以被視為 對(duì)彼此的干擾。最后，我們將穩(wěn)健的無(wú)差拍控制方案應(yīng)用到兩個(gè)SIS0系統(tǒng)并且為它們中的 每個(gè)設(shè)計(jì)控制器。在模擬中對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，并且在雙轉(zhuǎn)子ΜΜ0系統(tǒng)中對(duì)最后的結(jié)果進(jìn) 行測(cè)試。與具有兩個(gè)PID控制器的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該方法容易遵循，并且結(jié)果示出，所提出的 方案具有更少的過(guò)沖、更短的穩(wěn)定時(shí)間（settling time)并且對(duì)交叉親合干擾更穩(wěn)健。因 此，以持續(xù)的形式將無(wú)差拍控制器應(yīng)用在多輸入多輸出(MHTO)系統(tǒng)上。但是，它被應(yīng)用在修 改的系統(tǒng)傳遞函數(shù)上。因此，它被認(rèn)為是不夠的，因?yàn)閷?duì)系統(tǒng)的任何修改通常都會(huì)導(dǎo)致高的 誤差余量。該出版物不解釋該系統(tǒng)，并且系統(tǒng)降階被應(yīng)用，因?yàn)檎鎸?shí)系統(tǒng)(其是不正確的）改 變系統(tǒng)的任何部分基本上忽視了該系統(tǒng)的一部分，好像它不存在一樣。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是系 統(tǒng)部件的表示。對(duì)數(shù)學(xué)模型的任何改變都必須非常認(rèn)真地進(jìn)行，并且必須被很好地解釋。大 多時(shí)候，當(dāng)在模擬中改變系統(tǒng)的一部分時(shí)，它大大地導(dǎo)致嚴(yán)重的控制問(wèn)題。它還可以導(dǎo)致系 統(tǒng)故障。
[0005] 在'PID Parameter Optimization of an UAV Longitudinal Flight Control System'，Kamran Turkoglu,Ugur Ozdemir,Melike Nikbay,and Elbrous M.Jafarov, World Academy of Science,Engineering and Technology 21,2008,pp. 340-345中，根據(jù) 其，基于積分均方誤差（ISE)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)在UAV(無(wú)人機(jī))的縱向 飛行動(dòng)態(tài)上得到實(shí)現(xiàn)。這旨在使設(shè)備(plant)的輸出與參考信號(hào)之間的誤差函數(shù)最小化。在 文章中，已經(jīng)相對(duì)于誤差動(dòng)態(tài)對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了定義。已經(jīng)通過(guò)使用必要的且足夠的最優(yōu) 性條件來(lái)解析地求解了無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，最佳的PID參數(shù)已經(jīng)被獲取并在控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)中 實(shí)現(xiàn)。
[0006] 缺點(diǎn)使得這些控制器和/或在這些控制器中使用的算法不太適于連續(xù)的系統(tǒng)，或 者使得這些控制器由于這些控制器所需的回路數(shù)目而復(fù)雜化。例如，已知控制器中需要被 調(diào)諧的增益和其它設(shè)置的數(shù)目使得這些控制器難以應(yīng)用于真實(shí)的進(jìn)程，如果不是不可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供基于控制算法的控制系統(tǒng)，其優(yōu)選地至少部分消 除如上描述的缺點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。在實(shí)施例中，設(shè)置的數(shù)目減少。在另一個(gè)或可選擇的實(shí) 施例中或另外，可以通過(guò)減少控制回路的數(shù)目來(lái)減少控制器的復(fù)雜性。
[0008] 因此，本發(fā)明提供了一種多輸入多輸出(Μπω)控制系統(tǒng)，其包括控制器，該控制器 適于接收至少兩個(gè)控制輸入?yún)?shù)的輸入集和一組至少兩個(gè)控制輸出參數(shù)，所述控制系統(tǒng)布 置為實(shí)現(xiàn)修改的無(wú)差拍控制，其中所述修改的無(wú)差拍控制包括基于一系列級(jí)聯(lián)比例積分-微分(PID)控制的用于η階、線性非時(shí)變(LTI)系統(tǒng)的穩(wěn)健的無(wú)差拍控制，每個(gè)PID控制包括 具有分子和分母的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，其中對(duì)于分子，恒定增益(Κ)被選擇用于每個(gè)PID控制。
[0009] 這里，無(wú)差拍控制器被修改，以使其適用于連續(xù)的時(shí)間，并將控制回路的數(shù)目從三 個(gè)或四個(gè)回路減少到僅一個(gè)控制回路。為了做到這一點(diǎn)：
[0010]-無(wú)差拍方程被修改，以使其適用于連續(xù)的系統(tǒng)，參見(jiàn)（B.Kada，Y.GhazzaWi， Robust PID controller Design for an UAV Flight Control System,Proceedings of the world Congress on Engineering and Computer Science 201lVol II,October 19-21,2011，San Francisco,USA)。該出版物通過(guò)如同完全闡述地引用而被并入。
[0011] -然后，控制系統(tǒng)被進(jìn)一步修改，以將回路的數(shù)目從三個(gè)或四個(gè)回路降低到僅一個(gè) 回路。該修改將使用與無(wú)差拍控制器相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)降階，并且然后在從簡(jiǎn)化模型得到控制 參數(shù)之后將該控制器應(yīng)用在真實(shí)的系統(tǒng)模型上?？梢詼p少回路的數(shù)目，因?yàn)橄嗤腜ID控制 器在三個(gè)或更多個(gè)回路中重復(fù)(通常，每個(gè)回路具有其自己的PID，這意味著三個(gè)回路將具 有樹PID，但是在該方法中，可以只使用一個(gè)PID控制器來(lái)控制三個(gè)或更多個(gè)回路。
[0012] 這三個(gè)步驟的組合被發(fā)現(xiàn)將調(diào)諧時(shí)間減少了90%。此外，該組合允許比任何線性 控制器好得多的性能。這將在示例中說(shuō)明，示出了控制系統(tǒng)在UAV飛行控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。
[0013] 可以使用兩種不同的方法來(lái)應(yīng)用當(dāng)前的控制器：'系統(tǒng)降階'和'零增益替代'。下 面將解釋基本原理。
[0014] 在兩種方法（'系統(tǒng)降階'和'零增益替代'）中，系統(tǒng)傳遞函數(shù)的變化是暫時(shí)的，以 只找到控制參數(shù)的值，而控制器隨后被應(yīng)用于真實(shí)的未修改的系統(tǒng)。
[0015] 發(fā)現(xiàn)即使在參數(shù)不確定性和外部干擾的情況下，該控制器仍完美地工作。該控制 器可以應(yīng)用于復(fù)雜的高階非線性系統(tǒng)。
[0016] 在實(shí)施例中，對(duì)于每個(gè)PID控制，分母被設(shè)置為在功能上等同。這將幫助維持系統(tǒng) 的穩(wěn)定性。
[0017] 在實(shí)施例中，對(duì)于每個(gè)PID控制，增益(K)被設(shè)置為在功能上等同。事實(shí)上，增益(K) 不被設(shè)置為絕對(duì)相等。在我的工作中，我發(fā)現(xiàn)，對(duì)于系統(tǒng)中的每個(gè)傳遞函數(shù)而言K的值接近。 它足夠接近以達(dá)到在實(shí)際情況下，我們可以假設(shè)它是相等的程度。這將幫助為所有回路維 持相同的分子。
[0018] 在實(shí)施例中，對(duì)于每個(gè)輸入提供至少一個(gè)PID控制器。
[0019] 在實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)包括連續(xù)的時(shí)基。這將使得該系統(tǒng)的控制自由度幾乎 是無(wú)限的。
[0020] 在實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)可以應(yīng)用在非線性系統(tǒng)上。這將拓寬應(yīng)用范圍。
[0021] 在實(shí)施例中，所述PID控制的系統(tǒng)傳遞函數(shù)被定義為q(s)/p(s)，其中q(s)和p(s) 是多項(xiàng)式，其中q(s)被選擇為恒定增益K，并且p(s)是具有無(wú)差拍參數(shù)的多項(xiàng)式。這將使得 傳遞函數(shù)對(duì)于所有回路幾乎或功能上相同。
[0022] 在實(shí)施例中，所述分母是多項(xiàng)式，特別是赫維茨(Hurwitz)多項(xiàng)式。眾所周知，赫維 茨多項(xiàng)式是具有&1>0的SUM( ai · Sl) = 0形式的多項(xiàng)式。如果下面所有的行列式都是正的，則 根都具有負(fù)實(shí)部，其中，在寫下行列式時(shí)，如果r>n則ar等于零。
[0023] ai，| ai ao |，| ai ao 0 |，......
[0024] I a3 a21 I a3 a2 ai I
[0025] as a4 a3
[0026] 在實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)包括作為時(shí)間的函數(shù)的干擾d(t)，并且所述干擾的大 小小于或等于最大干擾dmax。該系統(tǒng)被證明對(duì)外部干擾和模型不確定性是穩(wěn)健的。
[0027] 在實(shí)施例中，相同的PID被在每個(gè)回路中使用，從而使解耦效應(yīng)最小化。因此，需要 應(yīng)用的努力較少并且用于調(diào)諧需要的時(shí)間較少。
[0028]本發(fā)明還涉及一種用于控制連續(xù)處理、特別是化學(xué)處理、更特別的是聚合反應(yīng)的 方法，所述方法包括：
[0029] -提供根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)；
[0030] -提供運(yùn)行化學(xué)處理的化學(xué)處理組件，所述化學(xué)處理組件包括用于設(shè)置所述化學(xué) 處理的一系列處理?xiàng)l件的一系列致動(dòng)器；
[0031] -在所述化學(xué)處理期間確定一系列處理輸出參數(shù)，并將這些輸出參數(shù)提供給控制 系統(tǒng)；
[0032] -所述控制系統(tǒng)確定從所述處理輸出參數(shù)得到的一組處理輸入?yún)?shù)；
[0033] -在用于設(shè)置所述處理?xiàng)l件的所述化學(xué)處理期間，所述控制系統(tǒng)將所述輸入?yún)?shù) 提供給所述致動(dòng)器。
[0034]在該方法的實(shí)施例中，所述化學(xué)處理是連續(xù)的聚烯烴聚合反應(yīng)。
[0035] 在該方法的實(shí)施例中，致動(dòng)器選自由送料器、冷卻器、加熱器、一個(gè)或多個(gè)壓力閥 組成的組。
[0036] 在該方法的實(shí)施例中，所述處理輸出參數(shù)選自由溫度，壓力，流速，粘度，分子量， 一個(gè)或多個(gè)UV、VIS或IR譜值，支化指數(shù)和它們的組合組成的組。
[0037] 本發(fā)明還涉及一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其當(dāng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行時(shí)，使所述計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)適于在所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)所述控制系統(tǒng)的所述控制器。
[0038] 本發(fā)明還涉及包括計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的數(shù)據(jù)載體。
[0039] 本發(fā)明還涉及包括用于計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的信號(hào)編碼的載波信號(hào)。
[0040] 控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于化學(xué)處理。例如，控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于聚合處理。例如，控制 系統(tǒng)可以用于控制聚烯烴工廠的聚合反應(yīng)器。這樣的聚合反應(yīng)器通常是以連續(xù)操作來(lái)操 作，由此需要控制聚合處理的重要參數(shù)，以便制造具有正確參數(shù)的正確聚合物，重要參數(shù)的 示例是分子量、分子量分布、熔體流動(dòng)、共聚單體組合物、支化指數(shù)等。例如，為了控制聚合 物(如聚乙烯或聚丙烯）的分子量，氫通常被用作鏈轉(zhuǎn)移劑。氫的濃度是用于控制聚合物的 分子量的因素之一，但同時(shí)，更多的參數(shù)影響形成的聚合物的分子量。這些參數(shù)可以被直接 測(cè)量，并用作本發(fā)明的控制系統(tǒng)中的輸入。例如，可以直接測(cè)量的參數(shù)是聚合溫度、進(jìn)料和 聚合反應(yīng)器中的單體濃度、反應(yīng)器壓力、聚合反應(yīng)介質(zhì)的粘度并且計(jì)算的參數(shù)是單體轉(zhuǎn)化 率和共聚單體比（在使用不止一個(gè)單體的情況下）。為了獲取(例如)某一分子量，多個(gè)參數(shù) 需要被控制，其都對(duì)分子量有影響。利用本發(fā)明的控制系統(tǒng)，可以更容易地執(zhí)行聚合反應(yīng)的 控制，從而產(chǎn)生較少的不合格產(chǎn)品和更高的產(chǎn)量。
[0041] 相同的機(jī)制可以在其它化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中使用。例如，控制系統(tǒng)可以適于控制聚合 物處理。控制系統(tǒng)可以用于批次和/或連續(xù)處理?？梢宰鳛榭刂葡到y(tǒng)的輸入的至少部分使用 的輸入?yún)?shù)例如選自由粘度、化學(xué)組成、分子量、粒徑、溫度、壓力組成的組。
[0042] 聚合反應(yīng)的示例是溶液(共)聚合、乳液(共)聚合、自由基(共)聚合和加成聚合。 [0043]-使用UV、VIS、IR的光學(xué)分析
[0044] -聚合物結(jié)構(gòu)(諸如組成、分子量和支化度)的在線測(cè)量
[0045] 在實(shí)施例中，控制系統(tǒng)可以適于在聚合物處理中控制反應(yīng)器、擠壓機(jī)、混合器等。 在這些處理中，性能可以針對(duì)最佳的速度、溫度、壓力、組成、性質(zhì)和它們的組合進(jìn)行優(yōu)化。 該控制系統(tǒng)還可以適于控制涉及注塑、吹塑、片材擠塑等的處理。當(dāng)前發(fā)明的控制系統(tǒng)可以 節(jié)省資金，或得到更好的性能或同時(shí)得到兩者。
[0046] 本文中的術(shù)語(yǔ)"基本上"（諸如在"基本上由……組成"中）將被本領(lǐng)域技術(shù)人員所 理解。術(shù)語(yǔ)"基本上"還可以包括具有"徹底地"、"完全地"、"所有"等的實(shí)施例。因此，在實(shí)施 例中，形容詞基本上也可以被去除。在適用的情況下，術(shù)語(yǔ)"基本上"也可以涉及90%或更 高，諸如95 %或更高，特別是99 %或更高，甚至更特別是99.5 %或更高，包括100 %。在這方 面，在像"功能上為矩形"的組合中的術(shù)語(yǔ)"功能上"將由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解為與實(shí)際為矩 形相差如此小以至于一些功能相同，好像它實(shí)際上是矩形。
[0047] 術(shù)語(yǔ)"包括"也包括其中術(shù)語(yǔ)"包括"意為"由……組成"的實(shí)施例。
[0048]此外，在說(shuō)明書和權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)第一、第二、第三等被用于在相似的元件之間 進(jìn)行區(qū)分，而不一定用于描述順序或時(shí)間次序。要理解的是，如此使用的術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)?shù)那闆r 下是可互換的，并且本文中描述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠以不同于本文中描述或例示的其它 順序操作。
[0049] 本文中的設(shè)備或裝置在操作期間所描述的其它之中。如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚 的，本發(fā)明不限于操作中的設(shè)備或操作方法。
[0050] 應(yīng)當(dāng)指出的是，上述實(shí)施例例示而非限制本發(fā)明，并且在不脫離隨附權(quán)利要求的 范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)許多替代實(shí)施例。在權(quán)利要求中，置于括號(hào)之間 的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制該權(quán)利要求。使用動(dòng)詞"以包括"及其詞形變化不排除除 了在權(quán)利要求中所述的那些之外的元件或步驟的存在。在元件之前的冠詞"一"或"一個(gè)"不 排除多個(gè)這種元件的存在。本發(fā)明可以通過(guò)包括多個(gè)不同元件的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò)或 包括適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在枚舉了多個(gè)單元的設(shè)備或裝置權(quán)利要求中，這些單元中 的多個(gè)可以由同一硬件項(xiàng)來(lái)體現(xiàn)。某些措施被記載在相互不同的從屬權(quán)利要求中的這一單 純事實(shí)并不指示這些措施的組合不能被使用以受益。
[0051] 本發(fā)明還應(yīng)用于一種裝置或設(shè)備，其包括在說(shuō)明書中描述和/或在附圖中示出的 特征化特征中的一個(gè)或多個(gè)。本發(fā)明還涉及一種方法或處理，其包括在說(shuō)明書中描述和/或 在附圖中示出的特征化特征中的一個(gè)或多個(gè)。
[0052] 該專利中所討論的各個(gè)方面可以被組合，以便提供附加的優(yōu)點(diǎn)。
[0053] 此外，特征中的一些可以形成一個(gè)或多個(gè)分案申請(qǐng)的基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0054] 現(xiàn)在將參考所附的示意性附圖僅以示例的方式來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例，示意性附 圖中對(duì)應(yīng)的參考符號(hào)指示對(duì)應(yīng)的部分，并且其中：
[0055] 圖1示意性地描繪了無(wú)差拍控制器的示例；
[0056] 圖2示出了四回路控制系統(tǒng)的示例，其是所期望的俯仰、所期望的空速、俯仰率、配 平攻角；
[0057] 圖3示出了用于研究目的的小型UAV對(duì)以20度為期望的俯仰角的設(shè)置點(diǎn)的響應(yīng)；
[0058] 圖4示出了對(duì)于具有15m/s的設(shè)置點(diǎn)的速度的響應(yīng)；
[0059] 圖5示出了俯仰角跟蹤；
[0060] 圖6示出了使用兩種方法（降階和零增益替代）的無(wú)人機(jī)的響應(yīng)，圖3是針對(duì)降階， 圖6是針對(duì)對(duì)以20度為期望的俯仰角的設(shè)置點(diǎn)的零增益替代，以及
[0061 ]圖7示出了對(duì)于具有15m/s的設(shè)置點(diǎn)的速度的響應(yīng)。
[0062]附圖不一定是按比例。
【具體實(shí)施方式】
[0063] 在許多ΜΜ0系統(tǒng)中，該控制可以使用一組比例積分差分回路或PID來(lái)限定。在這種 系統(tǒng)中，系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以定義為：
[0064]
[0065] 因此，在任何系統(tǒng)傳遞函數(shù)中，存在分子和分母。分母的階(od)與分子的階(on)之 間的差通常是從〇到2(n)。在圖1中，示出了無(wú)差拍控制系統(tǒng)的示例。在研究無(wú)差拍系統(tǒng)之 后，發(fā)現(xiàn)只有〇d-〇n〈3時(shí)無(wú)差拍方程才適用。被稱作"系統(tǒng)降階"的技術(shù)可以在系統(tǒng)的分子上 應(yīng)用，以便將階差(η)從2增加到3。然后，另外或可替換地，我有了用"增益"（常數(shù)K)替代整 個(gè)分子的想法。其也被成功地應(yīng)用。
[0066]在具有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出的ΜΜ0系統(tǒng)中，各種系統(tǒng)回路可以組合。注意到，在這 些系統(tǒng)中，不同的系統(tǒng)回路具有相同的分母。
[0067] 因此，在實(shí)施例中，如果應(yīng)用系統(tǒng)降階，則分子階可以減少到零。因此，系統(tǒng)降階可 以使分子和分母之間的差多于二。因?yàn)榉肿拥碾A變?yōu)榱?，并考慮到所有的系統(tǒng)傳遞函數(shù)具 有相同的分母，所以結(jié)果是修改的傳遞函數(shù)對(duì)于所有的系統(tǒng)回路變得相同。
[0068] 在另一個(gè)或其它闡述的實(shí)施例中，發(fā)現(xiàn)如果可以用"增益"替代分子并且特別地如 果該"增益"對(duì)于所有系統(tǒng)回路是相同的，考慮到它也具有同樣的分母，則結(jié)果是修改的傳 遞函數(shù)對(duì)于所有的系統(tǒng)回路變得相同。
[0069] 因此，利用這些實(shí)施例中的任一或它們的組合，可以一次求解所有的系統(tǒng)回路而 不是單獨(dú)求解每個(gè)回路(如在經(jīng)典的PID和無(wú)差拍控制器中）。然后可以將該控制器應(yīng)用在 原始的傳遞函數(shù)上，這意味著將對(duì)系統(tǒng)行為沒(méi)有影響。對(duì)于四回路系統(tǒng)(例如參見(jiàn)圖2)，原 始12個(gè)增益需要被調(diào)諧(每個(gè)回路中回路數(shù)*增益數(shù)= 4*3 = 12)。然而在建議的修改之后， 只有一個(gè)"增益"（并且對(duì)于某些系統(tǒng)沒(méi)有)需要調(diào)諧。這意味著，需要調(diào)諧的增益的數(shù)目減 少90%以上!應(yīng)用該控制器將意味著巨大的節(jié)省和驚人的系統(tǒng)性能。
[0070] 用于當(dāng)前控制系統(tǒng)的多個(gè)方式的示例將被說(shuō)明，應(yīng)用到UAV自動(dòng)駕駛儀 (autopilot)調(diào)諧。它是用于研究目的的小型UAV的系統(tǒng)。該系統(tǒng)狀態(tài)空間表示具有與之相 關(guān)聯(lián)的四個(gè)回路，其是:空氣速度、z方向上的速度、攻角、俯仰角。
[0071] 通常，對(duì)于UAV的完全自主飛行而言，有九個(gè)系統(tǒng)回路待調(diào)諧。為了調(diào)諧具有用于 每個(gè)PID控制器的通常三個(gè)增益(稱為KP、KI和KD)的那些經(jīng)典的九個(gè)系統(tǒng)回路，需要大量的 人力和時(shí)間。應(yīng)用無(wú)差拍控制器(眾所周知，參見(jiàn)Jay Dawes等人，"Design of Deadbeat Robust Systems"，Glasgow，UK，ppl597-1598，1994)，每個(gè)PID控制器的三個(gè)增益參數(shù)減少 至僅1個(gè)參數(shù)。這意味著，對(duì)于通常的9個(gè)系統(tǒng)回路而言，我們現(xiàn)在僅需要調(diào)諧9個(gè)增益，而不 是原來(lái)的9X3 = 27個(gè)增益。這意味著，所需的調(diào)諧參數(shù)的數(shù)目降低了66.7%。
[0072] 將說(shuō)明，使用當(dāng)前的控制系統(tǒng)，調(diào)諧參數(shù)的數(shù)目甚至可以被進(jìn)一步減少。因?yàn)榛芈?的數(shù)目也可以被減少，所以調(diào)諧參數(shù)的數(shù)目最終可以被減少到僅1 X 1 = 1個(gè)參數(shù)。這意味著 調(diào)諧參數(shù)的數(shù)目可以減少96.5 %。
[0073] 因此，可以使用修改的PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)，修改的PID控制器使用我們將 稱之為"系統(tǒng)降階"的技術(shù)和/或我們將稱之為"零增益替代"的技術(shù)。可以將這些技術(shù)結(jié)合 起來(lái)。
[0074] 在這個(gè)示例中，首先我們將說(shuō)明使用系統(tǒng)降階的控制系統(tǒng)。
[0075] 任何航空系統(tǒng)都是由三個(gè)運(yùn)動(dòng)（即，俯仰、滾動(dòng)和偏航)表示的。俯仰和滾動(dòng)在縱向 方向上，并且滾動(dòng)在橫向方向上。在縱向方向上，存在兩個(gè)力和一個(gè)力矩。力是X-力和Z-力。 力矩Μ是俯仰力矩。力和力矩如下表示：
[0076]
[0077]
[0078]
[0079] 假設(shè)具有下面的狀態(tài)空間的系統(tǒng)：
[0080]
[0081 ] 以及
[0082]
[0084]
[0083] 針對(duì)速度u的傳遞函數(shù)和針對(duì)俯仰角Θ的傳遞函數(shù)如下：
[0085]
[0086] 接下來(lái)，系統(tǒng)降階（參見(jiàn)R.Prasad等人，"New Computing technique for order reduction of linear time invariant systems using stability equation method"， Journal of the institution of Engineers IE(I)Journal EL,Vo 1.86,Sept.2005, PP133-135)被應(yīng)用在（1)和(2)兩者上：
[0087]
[0088]
[0089] 現(xiàn)在，為了驗(yàn)證該求解方法，將使用無(wú)差拍方程求解Θ的UAV傳遞函數(shù)。求解Θ，我們 得到
[0090] DcDs = s(s3+1,05s2+1.26s+l. 226) (5)
[0091] DcNsH2 = s(27)Kb (6)
[0092] NcNsHi = K3 (s2+Xs+Y) (27) (1+Kis) (7)
[0093] 現(xiàn)在取K3 = l(待隨后調(diào)諧)為起始值。如果我們?cè)跓o(wú)差拍方程中進(jìn)一步將期望的 穩(wěn)定時(shí)間選擇為2秒，則我們可以計(jì)算ωη的值，并且無(wú)差拍參數(shù)α、β、γ的值(從下面的無(wú)差 拍表找到)如下：
[0094] α = 2.2；β = 3.5； γ =2.8
[0095]
[0096] 當(dāng)我們將其代入一般無(wú)差拍方程時(shí)，無(wú)差拍傳遞函數(shù)的特征方程變?yōu)椋?br>[0097] Gdb = s4+6.6138s3+31.6314s2+76.0735s+81.6778 (8)
[0098] 應(yīng)用無(wú)差拍方程(Gdb)，即，使每個(gè)"s-冪"的參數(shù)相等，我們發(fā)現(xiàn)：
[0099] 1.05+27*kl=6.6138 (9)
[0100] 1.26+27klX+27 = 31.631 (10)
[0101] 1.226+27(Kb+X+klY) = 76.0735 (11)
[0102] 27Υ = 81·6771 (12)
[0103] 求解上述組方程(9) -(12)，我們發(fā)現(xiàn)：
[0104] Ki= .214，Kb= 1.42，Χ=· 7857, Υ = 3· 1414
[0105] 在以如上所示的方式求解未知數(shù)之后，Κ3被調(diào)諧并且最終的值被發(fā)現(xiàn)是1。接下 來(lái)，相同的PID求解方法被應(yīng)用在俯仰角（Θ)和速度(u)兩者上。
[0106] 圖3示出了 UAV對(duì)以20度作為期望的俯仰角的設(shè)置點(diǎn)的響應(yīng)，而圖4示出了對(duì)于具 有15m/s的設(shè)置點(diǎn)的速度的響應(yīng)。圖5示出了俯仰角跟蹤。
[0107] 備注：
[0108] 1-沒(méi)有過(guò)沖
[0109] 2-穩(wěn)定時(shí)間是所期望的
[0110] 系統(tǒng)穩(wěn)健性 Com]可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)用一些改變來(lái)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)健性進(jìn)行測(cè)試。如果系統(tǒng)保持穩(wěn)定 并且有相同性能，則系統(tǒng)對(duì)干擾是穩(wěn)健的。圖3、4和5示出了在對(duì)原始系統(tǒng)應(yīng)用100%高估和 50 %低估之后，該系統(tǒng)保持穩(wěn)定。
[0112]系統(tǒng)最優(yōu)性
[0113]系統(tǒng)最優(yōu)性可以在該求解方法中示出，因?yàn)樵鲆鍷3需要被調(diào)諧以達(dá)到最佳性能。
[0114] 應(yīng)用于MBTO系統(tǒng)的控制器
[0115] 因?yàn)閁AV系統(tǒng)是ΜΜ0系統(tǒng)，所以控制器被成功地應(yīng)用于輸出Θ和U。
[0116] 與其它類似的工作比較：
[0117] 結(jié)果示出振蕩和5秒的穩(wěn)定時(shí)間以及既不是調(diào)諧參數(shù)也不是控制回路的數(shù)目減 少。在當(dāng)前的示例中，沒(méi)有振蕩發(fā)生，穩(wěn)定時(shí)間為2s，調(diào)諧參數(shù)和回路的總數(shù)目減少為 96.5%〇
[0118] 改進(jìn)：
[0119] 該求解方法被應(yīng)用在一個(gè)PID而不是兩個(gè)PID上。這意味著，一個(gè)PID控制器被用來(lái) 控制俯仰角（Θ)和速度(u)兩者。這種改進(jìn)將使PID的解耦效應(yīng)最小化(這就是PID控制器不 匹配其它高級(jí)控制器的性能的原因）。這將肯定會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)性能和降低成本以及簡(jiǎn)化控制 回路。通過(guò)降低調(diào)諧參數(shù)的數(shù)目，調(diào)諧系統(tǒng)需要較少的時(shí)間和人力以及較少的經(jīng)驗(yàn)。
[0120]實(shí)現(xiàn)：
[0121]該想法可以在控制回路中的任何系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。按照下面的步驟。
[0122] 同樣，假設(shè)具有如上例示的狀態(tài)空間的系統(tǒng)，其中A和B如上定義（參見(jiàn) K.Turkoglu,U.Ozdemir,M.Nikbay,E.Jafarov,UPID parameter optimization of a UAV longitudinal Flight control system"，World Academy of Science,Engineering and Technology 45,2008.)，針對(duì)速度和俯仰角的傳遞函數(shù)(同樣)如下：
[0123]
[0124]
[0125] 我們首先應(yīng)用零增益替代。在該方法中，用一個(gè)單增益K替代所有的零（S-a)(s-β)……，如下：
[0128] 在(13)，（14)中，分母的階是4,分母和分子之間的差是4,使用無(wú)差拍：
[0126]
[0127]
[0129] Hi = l+kis+k2S2 (17)
[0130] 求解(15)或（16)的分母，我們得到：
[0131] DcDs = s ( s4+2.82s3+4.13s2+3.544s+3.45) (18)
[0132] DcNsH2 = s(K)Kb (19)
[0133] NcNsHi = K3 (s2+Xs+Y) (K) (1+Kis+K2s2) (20)
[0134] 取K3=l(待隨后調(diào)諧）
[0135] 如果我們將所期望的穩(wěn)定時(shí)間選擇為2秒，那么我們得到下面的無(wú)差拍參數(shù)(見(jiàn)下 面的無(wú)差拍表，根據(jù)J.Dawes，L.Ng,R.Dorf,and C.Tam, "Design of deadbeat robust systems /'Glasgow,UK,,pp1597-1598,1994)
[0136]
[0137] ai = 2.7 ； a2 = 4.95 ； a3 = 5.4 ；a4=3.4
[0138] 其中K表示Ke或Ku
[0139]
[0140] 該無(wú)差拍特征方程變成如下
[0141] Gdb = s4+9.1631s3+56.4359s2+211.0733s+451.0226 (21)
[0142] 通過(guò)將方程(21)和方程(18)-(20)的s的每個(gè)冪的參數(shù)設(shè)置為相等，下面的非線性 方程系統(tǒng)應(yīng)該被求解以獲得所有的增益K、X和Y:
[0143] (K*K2+2.82) = 9.1631 (22)
[0144] (K*Ki+K*K2*X+4.125) = 56.4359 (23)
[0145] (Κ+Κ*Κι*Χ+Κ*Κ2*Υ+3· 544) = 211.0733 (24)
[0146] (K*Kb+K*X+K*Ki*Y+3.45)=451.0226 (25)
[0147] Κ*Υ = 450·1935 (26)
[0148] 選擇K = 30 (在針對(duì)K進(jìn)行優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)最佳的值是30)的（22) - (26)的求解方法產(chǎn) 生
[0149] Ki = 1.296,Kb = -6.645,K2=.2114,X = 2.118,Y=15.01
[0150] 在對(duì)未知數(shù)求解后，K3被調(diào)諧并且發(fā)現(xiàn)最終的值是1。然后，相同的PID求解方法被 應(yīng)用在俯仰角（Θ)和速度(u)兩者上。圖6示出了UAV對(duì)以20度作為期望的俯仰角的設(shè)置點(diǎn)的 響應(yīng)，而圖7示出了對(duì)于具有15m/s的設(shè)置點(diǎn)的速度的響應(yīng)。
[0151] 備注
[0152] 1-沒(méi)有過(guò)沖
[0153] 2-穩(wěn)定時(shí)間是所期望的
[0154] 系統(tǒng)穩(wěn)健性
[0155] 可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)用一些改變來(lái)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)健性進(jìn)行測(cè)試。如果系統(tǒng)保持穩(wěn)定 并且有相同的性能，則系統(tǒng)對(duì)干擾是穩(wěn)健的。圖6和7示出了在對(duì)原始系統(tǒng)應(yīng)用100%高估和 50 %低估之后，該系統(tǒng)保持穩(wěn)定。
[0156] 系統(tǒng)最優(yōu)性
[0157] 系統(tǒng)最優(yōu)性可以在求解方法中示出，因?yàn)樵鲆鍷3需要被調(diào)諧以達(dá)到最佳性能。
[0158] 應(yīng)用到MBTO系統(tǒng)的控制器
[0159] 因?yàn)閁AV系統(tǒng)是ΜΜ0系統(tǒng)，所以控制器被成功地應(yīng)用于輸出Θ和u。
[0160] 與其它類似的工作比較：
[0161] 在當(dāng)前的示例中，沒(méi)有振蕩發(fā)生，穩(wěn)定時(shí)間為2s，調(diào)諧參數(shù)和回路的總數(shù)目減少為 96.5%〇
[0162] 改進(jìn)：
[0163] 該求解方法被應(yīng)用在一個(gè)PID而不是兩個(gè)PID上。這意味著這里，一個(gè)PID控制器被 用來(lái)控制俯仰角（Θ)和速度(u)兩者。這種改進(jìn)將使PID的解耦效應(yīng)最小化。這將肯定會(huì)增強(qiáng) 系統(tǒng)性能和降低成本以及簡(jiǎn)化控制回路。
[0164] 也將清楚的是，以上的描述和附圖被包括以例示本發(fā)明的一些實(shí)施例，而不是限 制保護(hù)的范圍。從本公開內(nèi)容出發(fā)，更多的實(shí)施例對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)的。這些 實(shí)施例在保護(hù)范圍內(nèi)并且是本發(fā)明的本質(zhì)，并且是現(xiàn)有技術(shù)和本專利的公開內(nèi)容的明顯組 合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多輸入多輸出（ΜΙΜΟ)控制系統(tǒng)，包括控制器，所述控制器適于接收至少兩個(gè)控 制輸入?yún)?shù)的輸入集并響應(yīng)于所述至少兩個(gè)控制輸入?yún)?shù)產(chǎn)生一組至少兩個(gè)控制輸出參 數(shù)，所述控制系統(tǒng)布置為實(shí)現(xiàn)修改的無(wú)差拍控制，其中，所述修改的無(wú)差拍控制包括基于一 系列級(jí)聯(lián)比例積分-微分(PID)控制的用于η階、線性非時(shí)變(LTI)系統(tǒng)的穩(wěn)健的無(wú)差拍控 制，每個(gè)PID控制包括具有分子和分母的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，其中對(duì)于分子，恒定增益(Κ)被選擇 用于每個(gè)PID控制。2. 如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，對(duì)于每個(gè)PID控制，所述分母被設(shè)置為功能上等 同。3. 如權(quán)利要求1或2所述的控制系統(tǒng)，其中，對(duì)于每個(gè)PID控制，增益(Κ)被設(shè)置為功能上 等同。4. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)，其中，對(duì)于每個(gè)輸入提供至少一個(gè)PID 控制。5. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)包括連續(xù)的時(shí)基。6. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)，其中，所述PID控制的系統(tǒng)傳遞函數(shù)被 定義為q(s)/p(s)，其中q(s)和p(s)是多項(xiàng)式，其中q(s)被選擇為恒定增益Κ，并且p(s)是具 有無(wú)差拍參數(shù)的多項(xiàng)式。7. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)，其中，所述分母是多項(xiàng)式，特別是赫維 茨多項(xiàng)式。8. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)包括干擾d(t)，干 擾d(t)是時(shí)間的函數(shù)，并且所述干擾的大小小于或等于最大干擾d max。9. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)，其中，相同的PID在每個(gè)回路中使用， 從而使解耦效應(yīng)最小化。10. -種用于控制連續(xù)處理、特別是化學(xué)處理、更特別的是聚合反應(yīng)的方法，所述方法 包括： -提供根據(jù)前述權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)； -提供運(yùn)行化學(xué)處理的化學(xué)處理組件，所述化學(xué)處理組件包括用于設(shè)置所述化學(xué)處理 的一系列處理?xiàng)l件的一系列致動(dòng)器； -在所述化學(xué)處理期間確定一系列處理輸出參數(shù)，并將這些輸出參數(shù)提供給控制系統(tǒng)； -所述控制系統(tǒng)確定從所述處理輸出參數(shù)得到的一組處理輸入?yún)?shù)； -所述控制系統(tǒng)在用于設(shè)置所述處理?xiàng)l件的所述化學(xué)處理期間將所述輸入?yún)?shù)提供給 所述致動(dòng)器。11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述化學(xué)處理是連續(xù)的聚烯烴聚合反應(yīng)。12. 如權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，所述致動(dòng)器選自由送料器、冷卻器、加熱器、 一個(gè)或多個(gè)壓力閥組成的組。13. 如前述權(quán)利要求10-12中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述處理輸出參數(shù)選自由溫 度，壓力，流速，粘度，分子量，一個(gè)或多個(gè)UV、VIS或IR譜值，支化指數(shù)和它們的組合組成的 組。14. 一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行時(shí)，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品使所述計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)適于在所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)如前述權(quán)利要求1-9中的任一項(xiàng)的所述控制系統(tǒng)的所 述控制器。15. -種數(shù)據(jù)載體，包括權(quán)利要求14的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。16. -種載波信號(hào)，包括用于權(quán)利要求14的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的信號(hào)編碼。
【文檔編號(hào)】G05B11/32GK105980939SQ201580008085
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2015年2月6日
【發(fā)明人】Y·M·加扎維
【申請(qǐng)人】沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司, Sabic環(huán)球技術(shù)有限責(zé)任公司