專利名稱：自補(bǔ)償閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及控制系統(tǒng)，以及更具體地涉及包括設(shè)備和控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。本發(fā)明更具體地涉及配置為提供某個(gè)水平的自補(bǔ)償?shù)目刂骗h(huán)。在一優(yōu)選的實(shí)施例中本發(fā)明提供了用于處于閉環(huán)的開(kāi)關(guān)模式電源自補(bǔ)償調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
控制環(huán)系統(tǒng)是公知的。典型地在這種系統(tǒng)中，系統(tǒng)的部件、設(shè)備由控制器控制。通過(guò)以反饋配置提供控制器和設(shè)備，有可能減小該設(shè)備的輸出與該系統(tǒng)的所需輸出之間的差異。除了這些差異，在所有的控制環(huán)中還存在與該設(shè)備的確切特性相關(guān)的不確定性。控制環(huán)減少了此不確定性的影響，但是以此方式將該控制環(huán)設(shè)計(jì)得魯棒是需要一些折衷的。
使用自適應(yīng)控制器是處理該設(shè)備中的不確定性的另一種方式。典型地，自適應(yīng)控制器與標(biāo)準(zhǔn)控制環(huán)相比能夠處理較寬范圍的不確定性。當(dāng)所需輸出對(duì)大多數(shù)時(shí)間為靜態(tài)時(shí)，那么該控制環(huán)通常被稱作調(diào)節(jié)器。自適應(yīng)控制環(huán)或調(diào)節(jié)器通常以直接或間接配置提供。兩種配置都需要知道該設(shè)備的系統(tǒng)標(biāo)識(shí)符。但是傳統(tǒng)的直接自整定調(diào)節(jié)器使用這些系統(tǒng)標(biāo)識(shí)符的估算作為到該調(diào)節(jié)器的輸入，間接自整定調(diào)節(jié)器涉及兩步驟過(guò)程(i)設(shè)備參數(shù)的系統(tǒng)識(shí)別；以及(ii)基于所估算的設(shè)備參數(shù)的控制參數(shù)的自動(dòng)設(shè)計(jì)。
通過(guò)該直接或間接方法對(duì)設(shè)備動(dòng)態(tài)的估算，需要以閉環(huán)或開(kāi)環(huán)配置的控制系統(tǒng)的操作。持續(xù)激勵(lì)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)識(shí)別是一個(gè)問(wèn)題。在系統(tǒng)處于調(diào)節(jié)中時(shí)，環(huán)路的動(dòng)態(tài)不持續(xù)地實(shí)行，從而妨礙環(huán)動(dòng)態(tài)的識(shí)別。一種開(kāi)環(huán)途徑盡管不遭受持續(xù)激勵(lì)的問(wèn)題，但所具有的固有問(wèn)題在于在系統(tǒng)識(shí)別期間環(huán)路調(diào)節(jié)出故障，以及因此在該系統(tǒng)識(shí)別階段有破壞該系統(tǒng)的瞬態(tài)的可能性。開(kāi)環(huán)操作不適合于連續(xù)適應(yīng)于環(huán)境參數(shù)變化的系統(tǒng)。總體上，閉環(huán)估算是優(yōu)選的，盡管有持續(xù)激勵(lì)的問(wèn)題。
因此，傳統(tǒng)的自整定調(diào)節(jié)器存在識(shí)別缺乏持續(xù)激勵(lì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中的設(shè)備參數(shù)的需求。它們典型地基于確定性等價(jià)的原理工作，其中所估算的設(shè)備參數(shù)被認(rèn)為是用于設(shè)計(jì)該控制器參數(shù)的正確值。因此，有對(duì)于精確估算設(shè)備參數(shù)的需求，以及對(duì)于所估算的參數(shù)盡快收斂到正確值的需求。滿足此需求的系統(tǒng)識(shí)別算法在計(jì)算上是復(fù)雜的，因此不適合于低成本ASIC實(shí)施。
因此，需要提供一種以閉環(huán)配置實(shí)施并且仍提供以低計(jì)算復(fù)雜度估算所需控制參數(shù)以使能控制系統(tǒng)操作的控制環(huán)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
這些和其他需要由根據(jù)本發(fā)明的控制環(huán)配置所解決，其提供用于控制系統(tǒng)的閉環(huán)操作并且使能環(huán)路操作所必要的控制參數(shù)的估算。本發(fā)明還提供了對(duì)這些參數(shù)的自整定，因?yàn)榭刂破髋渲贸稍诃h(huán)路操作期間感測(cè)對(duì)參數(shù)修改的需求以及根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)修改而沒(méi)有任何來(lái)自外部機(jī)構(gòu)的輸入。本發(fā)明的控制環(huán)配置可以以ASIC實(shí)施提供。
根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例提供了實(shí)施用于開(kāi)關(guān)模式電源的自補(bǔ)償調(diào)節(jié)器，其整體地在閉環(huán)中工作。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)所提供的調(diào)節(jié)器在寬范圍的動(dòng)力系部件值上表現(xiàn)良好，并且適合于成本有效的ASIC實(shí)施。
因此本發(fā)明提供具有以反饋配置提供的設(shè)備的控制環(huán)，具有用于該設(shè)備的控制器，并且其中控制器包括預(yù)測(cè)誤差濾波器以提供該控制器的自整定。
現(xiàn)在將參照下面的示例說(shuō)明性實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明。


圖1以示意形式示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的電路配置。
圖2再次以示意形式示出對(duì)理解根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的控制環(huán)操作機(jī)制有用的部件。
圖3示出AR過(guò)程發(fā)生器(左)，以及AR過(guò)程分析器(右)。
圖4示出以最小均方濾波器(LMS)實(shí)施的預(yù)測(cè)誤差濾波器(PEF)的部件。
圖5示出具有LMS預(yù)測(cè)誤差濾波器以及增益適配的降壓dc-dc轉(zhuǎn)換器(buck dc-dc converter)。
圖6示出在響應(yīng)于50％負(fù)載步驟的訓(xùn)練之后圖5的電容器電壓和電感器電流。
圖7(a)示出在整定期間和之后的閉環(huán)極點(diǎn)軌跡。
圖7(b)示出在整定期間和之后PEF零點(diǎn)的軌跡。
圖7(c)示出在整定之前和之后的閉環(huán)伯德圖。
圖8示出圖5的電路的輸出，在沒(méi)有打開(kāi)自整定的情況下啟動(dòng)，該整定隨后在時(shí)間0.0035處激勵(lì)。
圖9示出整定被激勵(lì)時(shí)的過(guò)渡的放大(虛線)，在80ms的整定之后與波形疊加。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明的電路的之前/之后階躍響應(yīng)。
圖11示出在整定之前和之后的開(kāi)環(huán)伯德圖，示出最終增益和相位裕度。
圖12示出另一環(huán)路的示意圖，該環(huán)路提供電路非理想性情況下的零點(diǎn)穩(wěn)態(tài)控制誤差。
圖13示出另一實(shí)施例的示意圖，該實(shí)施例配置成在部件故障的情況下提供報(bào)警。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考圖1-13的示例性實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明。
如圖1中所示，控制系統(tǒng)100包括控制器105，其以閉環(huán)反饋配置驅(qū)動(dòng)設(shè)備110。設(shè)備110設(shè)計(jì)成基于多(N)個(gè)設(shè)備參數(shù)來(lái)執(zhí)行一過(guò)程。控制器105具有一組規(guī)定該控制器的時(shí)間和頻率響應(yīng)的控制參數(shù)。該系統(tǒng)的總閉環(huán)響應(yīng)是設(shè)備和控制器參數(shù)的函數(shù)。在操作中，一旦該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)的輸出將保持恒定。通過(guò)嘗試將輸出維持在其建立條件的控制環(huán)的動(dòng)作，引入到環(huán)路中的擾動(dòng)可以減小或最小化。但是，引入到該環(huán)路中的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致修改控制參數(shù)的需要。在圖1的實(shí)施例中，該擾動(dòng)由零平均值(mean)的白噪聲發(fā)生器115示例，驅(qū)動(dòng)自回歸(AR，全極點(diǎn))濾波器120。響應(yīng)于系統(tǒng)對(duì)引入這些擾動(dòng)到該系統(tǒng)的反應(yīng)，該控制器配置成實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的修改。
圖1的系統(tǒng)可以被看作離散時(shí)間系統(tǒng)并且從噪聲源到自整定控制器的輸出可以被模擬。如圖2中所示，h1(n)200是模擬控制誤差信號(hào)的離散時(shí)間系統(tǒng)，由擾動(dòng)過(guò)程和環(huán)路響應(yīng)的AR濾波器構(gòu)成，h2(n)205模擬該自整定控制器，并且v(n)是零平均值的白噪聲源。如果h2(n)可以作成h1(n)的逆系統(tǒng)，那么h2(n)的輸出將是白噪聲。在此意義上，h1(n)的系統(tǒng)極點(diǎn)被h2(n)的零點(diǎn)抵消。將理解極點(diǎn)的完全抵消不是理想的，因?yàn)榄h(huán)路動(dòng)態(tài)隨后將由可能未知的設(shè)備確定。受約束的抵消可以在適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)的情況下應(yīng)用，并且根據(jù)本發(fā)明，這樣的約束在優(yōu)選的實(shí)施例中可通過(guò)將控制器提供為具有N-1個(gè)參數(shù)的最小階控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中N是設(shè)備的階。例如，如果設(shè)備是2階設(shè)備，那么控制器需要1(即2-1)個(gè)控制參數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)已知數(shù)目的零點(diǎn)來(lái)補(bǔ)償?shù)沫h(huán)路結(jié)構(gòu)可以有效地使用此技術(shù)來(lái)補(bǔ)償，其中所述零點(diǎn)由控制器h2(n)來(lái)設(shè)置。
一示例性實(shí)施例通過(guò)預(yù)測(cè)誤差濾波器(PEF)提供自整定控制器。其工作原理可以參考圖3來(lái)解釋以及通過(guò)將其視為AR過(guò)程分析器300來(lái)理解，該分析器是AR濾波器305的反向?yàn)V波器，其中v(n)是零平均值的白噪聲，u(n)是表示調(diào)節(jié)器的輸出上的擾動(dòng)的AR過(guò)程。應(yīng)注意，該白噪聲信號(hào)v(n)是AR濾波器305的輸入，而且是反向?yàn)V波器300的輸出。
兩個(gè)濾波器可以由等式1描述v(n)＝u(n)÷a1u(n-)+a2u(n-)+..+aku(n-k)(1)因此，將理解該預(yù)測(cè)誤差濾波器(PEF)是AR過(guò)程的反向?yàn)V波器，以及因此是全零點(diǎn)或有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器。依照?qǐng)D2，h1(n)表示AR過(guò)程發(fā)生器，以及h2(n)是全零點(diǎn)預(yù)測(cè)誤差濾波器。如果該P(yáng)EF與該AR過(guò)程是相同的階，那么PEF系數(shù)取與該過(guò)程的對(duì)應(yīng)參數(shù)相同的值。如果該過(guò)程不是真正的AR，或者不同階，那么該P(yáng)EF系數(shù)逼近該過(guò)程。這可以從Vaidyanathan，P. P.，J.Tuqan等人(1997)的“On the minimumphase property of prediction-error polynomials”，IEEE Signal ProcessingLetters 4(5)126-127中示出和知道，其假定AR過(guò)程是穩(wěn)定的，PEF系數(shù)將是最小相位。因此將理解根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，具有明智選擇的控制參數(shù)的PEF濾波器可以用于提供總體環(huán)路的控制。
因此出現(xiàn)該問(wèn)題，即如何明智地選擇這些控制參數(shù)？在非自適應(yīng)方法中，有可能選擇作為設(shè)計(jì)規(guī)格的一部分的參數(shù)，其中可以確定該控制系統(tǒng)的正常操作所必要的最佳參數(shù)的選擇。但是本發(fā)明消除了提供作為用于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)格一部分的控制參數(shù)的必要性，原因在于本發(fā)明將對(duì)這些參數(shù)的自適應(yīng)選擇提供為控制系統(tǒng)操作的部分。
通過(guò)包括諸如Levinson-Durbin以及Schur算法的方法的許多技術(shù)來(lái)提供PEF的系數(shù)是公知的。盡管這些技術(shù)確實(shí)提供正確的系數(shù)，它們?cè)谟?jì)算上是昂貴的，并且將理想的是提供可以以低計(jì)算復(fù)雜度作為設(shè)計(jì)約束來(lái)實(shí)現(xiàn)的實(shí)施。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明通過(guò)提供使用最小均方(LMS)濾波器的自適應(yīng)形式的線性預(yù)測(cè)而將其解決，所述濾波器的操作對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是透明的，即使是對(duì)于與在此情況下所使用的不同的應(yīng)用。
圖4示出LMS濾波器400如何在PEF 405中被用作預(yù)測(cè)濾波器，預(yù)測(cè)u(n)。實(shí)際值和預(yù)測(cè)之間的誤差是預(yù)測(cè)誤差Pe；因此得名。PEF的動(dòng)作起作用以通過(guò)將該預(yù)測(cè)誤差反饋到該LMS自適應(yīng)濾波器而最小化該預(yù)測(cè)誤差Pe。以此方式，LMS預(yù)測(cè)被改進(jìn)以優(yōu)化對(duì)應(yīng)于最小預(yù)測(cè)誤差的預(yù)測(cè)。由于其作為過(guò)程分析器而操作，最小Pe信號(hào)類似于白噪聲。在控制環(huán)或調(diào)節(jié)器的情況下，我們可斷定如果該設(shè)備穩(wěn)定則最小的Pe對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定的系統(tǒng)。
應(yīng)理解，各種PEF系數(shù)值將閉環(huán)極點(diǎn)設(shè)置在各種位置，并且在一般情況下這些位置之一提供對(duì)擾動(dòng)的最優(yōu)調(diào)節(jié)。當(dāng)我們考慮PEF系數(shù)的特定值響應(yīng)于擾動(dòng)而產(chǎn)生最小輸出噪聲，以及如果所述系數(shù)值偏離提供最優(yōu)調(diào)節(jié)的那些系數(shù)值，則根據(jù)限定，輸出噪聲功率必須增加時(shí)，作為自補(bǔ)償控制器的PEF的操作是清楚的。因此在該環(huán)路中的任何點(diǎn)處的噪聲功率必須增加。以此方式，在該環(huán)路中的其他點(diǎn)處的最小Pe功率或最小功率對(duì)應(yīng)于對(duì)給定擾動(dòng)的最優(yōu)補(bǔ)償。
將理解，迄今為止本發(fā)明是參照通用設(shè)備來(lái)描述的。圖5示出可以用作本發(fā)明的控制系統(tǒng)部分的設(shè)備類型的實(shí)例。在此實(shí)施例中，本發(fā)明的技術(shù)被應(yīng)用到開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)500。此實(shí)例中的SMPS配置是非隔離降壓(non-isolated buck)。將理解的是開(kāi)關(guān)模式電源存在于很多實(shí)施例中，并且這里描述的技術(shù)不限于非隔離降壓配置。在某些應(yīng)用中，在自整定過(guò)程期間可以在數(shù)字脈寬調(diào)制器(DPWM)510之前將偽隨機(jī)擾動(dòng)505添加到控制環(huán)中，從而克服持續(xù)激勵(lì)的問(wèn)題。此偽隨機(jī)發(fā)生器可以根據(jù)需要打開(kāi)或關(guān)閉以加速正常調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)。
該自整定方案已經(jīng)擴(kuò)展為包括增益因子Ki的適配，其可以通過(guò)1-抽頭遞歸最小平方(RLS)或最小均方(LMS)濾波器515來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)RLS來(lái)選擇LMS濾波器將以較長(zhǎng)的收斂時(shí)間為代價(jià)而得到低復(fù)雜度。該自適應(yīng)增益因子與固定增益520、k0一起起作用；其中該固定增益提供偽粗整定值，而自適應(yīng)增益提供所需的細(xì)整定。
理想地，固定增益的值相關(guān)于設(shè)備參數(shù)的值，以及在此實(shí)施實(shí)例中在SMPS中發(fā)現(xiàn)使k0基本上等于電感器值/采樣時(shí)間，可得到好的結(jié)果。類似于自適應(yīng)PEF，增益調(diào)整基于最小化預(yù)測(cè)誤差功率的原理來(lái)起作用，所述預(yù)測(cè)誤差功率在最小平方的意義上對(duì)應(yīng)于最優(yōu)環(huán)路增益。理想地，該誤差信號(hào)在施加到自適應(yīng)增益濾波器530之前應(yīng)通過(guò)使用固定延遲元件525來(lái)延遲，以允許該增益調(diào)整的影響繞該環(huán)路傳播。在另一實(shí)施例中，可優(yōu)化增益因子以使控制誤差功率最小。由于該控制器是全零點(diǎn)濾波器，該控制方案結(jié)合了設(shè)置點(diǎn)前饋(setpoint feedforward)535，以引入零點(diǎn)穩(wěn)態(tài)控制誤差，以及保證調(diào)節(jié)器在通電時(shí)是穩(wěn)定的。將理解的是，通過(guò)在環(huán)路參數(shù)的適配之前穩(wěn)定該設(shè)備，使用這樣的前饋提供了魯棒的性能，而根據(jù)該設(shè)備的特性以及所需的控制器，可以采用等效的裝置來(lái)將其實(shí)現(xiàn)。例如，由PEF控制的設(shè)備自身可以由結(jié)合有一設(shè)備的控制環(huán)組成，其中內(nèi)環(huán)的用途是穩(wěn)定高階系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的另一種方法可提供PEF權(quán)重的播種(seeding)，以針對(duì)一個(gè)范圍的設(shè)備參數(shù)而穩(wěn)定該控制環(huán)，其中自整定對(duì)環(huán)路響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。
在實(shí)際中，電路非理想性可以阻止前饋獲得零點(diǎn)穩(wěn)態(tài)控制誤差，因此PEF將會(huì)做出反應(yīng)，因?yàn)轭A(yù)測(cè)誤差在穩(wěn)態(tài)中需要是零平均值的。可引入另一環(huán)路，其在存在電路非理想性的情況下通過(guò)操縱增益因子來(lái)將穩(wěn)態(tài)控制誤差驅(qū)動(dòng)到零點(diǎn)。以此方式，PEF系數(shù)反映了在其輸入處對(duì)過(guò)程的較精確估算。
在操作期間許多階段可以被識(shí)別。在控制環(huán)啟動(dòng)期間，輸出的設(shè)置點(diǎn)和實(shí)際輸出都等于0。設(shè)置點(diǎn)Vos隨后借助于軟啟動(dòng)緩慢增加到所需的輸出。自適應(yīng)增益設(shè)置為低值(典型地1/1000)，其產(chǎn)生允許持續(xù)激勵(lì)的偽開(kāi)環(huán)，也由于沒(méi)有實(shí)際的開(kāi)環(huán)以及PEF權(quán)重尚未收斂，如果在此階段期間引入瞬態(tài)，其將激勵(lì)該P(yáng)EF以及自適應(yīng)增益因子，從而導(dǎo)致它們的參數(shù)移至較接近于最優(yōu)值處，并因此，該電路的閉環(huán)特性將變得明顯，從而使該瞬態(tài)的任何作用最小。該預(yù)測(cè)誤差信號(hào)被監(jiān)視并且如果它偏離從白噪聲響應(yīng)所將預(yù)期的情況，那么PEF和自適應(yīng)增益兩者均做出反應(yīng)以將該平均值恢復(fù)到0。只要這被維持，就不需要這些參數(shù)改變。
該控制器的操作在圖6中示出，其分別示出當(dāng)調(diào)節(jié)器經(jīng)歷負(fù)載步驟時(shí)的電容器電壓(Vo)600以及電感器電流605。根據(jù)對(duì)該圖的檢查明顯看出該系統(tǒng)得到補(bǔ)償。圖7示出在該整定期間和之后系統(tǒng)極點(diǎn)和補(bǔ)償零點(diǎn)的表現(xiàn)，其中也出現(xiàn)了閉環(huán)和開(kāi)環(huán)伯德圖。在此情況下，圖7(a)示出在整定期間和之后的閉環(huán)極點(diǎn)軌跡，圖7(b)示出在整定期間和之后PEF零點(diǎn)的軌跡，且圖7(c)示出在整定之前和之后的閉環(huán)伯德圖。
為了表示利用本發(fā)明的電路可實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)的階的類型，圖8示出在自整定未打開(kāi)的情況下啟動(dòng)、該整定隨后在時(shí)間0.0035被激勵(lì)的輸出。從檢查明顯看到該整定的激勵(lì)實(shí)現(xiàn)了輸出的立即建立。圖9是該整定被激勵(lì)時(shí)的過(guò)渡的放大(虛線)，在80ms整定之后與波形疊加。在這些圖的每個(gè)中，如所示的輸出被電流負(fù)載步驟905周期性地干擾。圖10示出應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)的之前/之后的等效示例響應(yīng)，而圖11(其是開(kāi)環(huán)伯德圖，示出在自整定之前和之后的相位和增益裕度，從中可以看出該最終增益和相位裕度分別是30dB和71度的量級(jí))示出與伯德圖相同的響應(yīng)。
圖12示出另外的實(shí)施例，其具體配置為在存在部件非理想性的情況下提供零點(diǎn)穩(wěn)態(tài)誤差。在此實(shí)施中，一般加權(quán)值(general weightingvalue)f1和f2被初始地設(shè)置在由系統(tǒng)操作所確定的有界值內(nèi)。該加權(quán)被求和和積分以及被用于平衡該系統(tǒng)內(nèi)的任何恒定誤差。在穩(wěn)態(tài)控制誤差不精確為零點(diǎn)的情況下，使用此電路的該實(shí)施是特別有用的。在先前描述的實(shí)施中，該P(yáng)EF將必須抵消穩(wěn)態(tài)誤差，因?yàn)樵撦敵鲒呄蛴诔蔀榱闫骄档陌自肼?。通過(guò)將此功能性從該P(yáng)EF中取走以及使用所述一般加權(quán)值來(lái)補(bǔ)償任何固定或DC誤差分量的粗整定意味著該P(yáng)EF能夠提供對(duì)過(guò)程的較精確的估算并可最終導(dǎo)致較精確的整定。
將理解的是，本發(fā)明提供了一種控制系統(tǒng)，其總是處于閉環(huán)配置但是在啟動(dòng)時(shí)提供學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，其中該環(huán)路學(xué)習(xí)系統(tǒng)特征，但是當(dāng)其在閉環(huán)時(shí)也可對(duì)任何瞬態(tài)做出反應(yīng)和進(jìn)行補(bǔ)償。由于該控制是在沒(méi)有系統(tǒng)識(shí)別的情況下實(shí)施的，不需要估算對(duì)低頻處的量化誤差尤其敏感的設(shè)備的極點(diǎn)的位置，并且不基于確定性等價(jià)的原理來(lái)工作。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，最小均方自適應(yīng)濾波器在它們的操作中利用了步長(zhǎng)因子，其是影響誤差信號(hào)的增益因子。LMS抽頭權(quán)重的收斂是增益因子的函數(shù)。短的收斂時(shí)間需要大的步長(zhǎng)因子，而小的步長(zhǎng)因子給出較長(zhǎng)的收斂時(shí)間。步長(zhǎng)因子的值也影響抽頭權(quán)重值的噪聲程度。將步長(zhǎng)參數(shù)設(shè)置得太大會(huì)導(dǎo)致抽頭權(quán)重的發(fā)散。因此，依賴于濾波器的輸入信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，步長(zhǎng)參數(shù)理想地根據(jù)公知原理來(lái)設(shè)置。在很多應(yīng)用中，優(yōu)選地根據(jù)輸入信號(hào)的功率來(lái)改變步長(zhǎng)參數(shù)，其中大的輸入功率對(duì)應(yīng)于較低的步長(zhǎng)參數(shù)值。這在本發(fā)明的示例實(shí)施例中得到實(shí)現(xiàn)，從而使當(dāng)控制誤差信號(hào)低于某個(gè)指示環(huán)路已經(jīng)建立為受控條件的值時(shí)，LMS PEF和LMS增益因子的步長(zhǎng)參數(shù)被增加。
本發(fā)明提供了一種控制環(huán)，其結(jié)合對(duì)兩個(gè)誤差參數(shù)的感測(cè)。第一誤差參數(shù)是控制環(huán)輸出與所需輸出的偏差，并且控制系統(tǒng)通過(guò)改變到該設(shè)備的輸入來(lái)做出反應(yīng)。第二誤差參數(shù)是預(yù)測(cè)誤差分量，其將由于作為構(gòu)成該電路的部件的老化的結(jié)果而引入到該電路中的差異、溫度波動(dòng)等而偏離。通過(guò)監(jiān)視這兩個(gè)參數(shù)，該電路以自整定自適應(yīng)方式提供對(duì)輸出的控制，該方式是迄今為止在沒(méi)有對(duì)設(shè)備參數(shù)的系統(tǒng)識(shí)別的情況下不能實(shí)現(xiàn)的。將理解的是，將預(yù)測(cè)誤差偏差感測(cè)為最小值表示環(huán)路處于控制模式。
另外將理解的是，在本發(fā)明的電路操作中使用的誤差參數(shù)利用了如下事實(shí)，即如果設(shè)備部件隨時(shí)間而改變值，則整定參數(shù)將變化。例如在功率應(yīng)用中，諸如電容器的部件隨時(shí)間而改變它們的值。電容器的主要故障機(jī)制例如是它們的等效串聯(lián)電阻(ESR)增加，以及它們隨后燒毀。本發(fā)明的自整定調(diào)節(jié)器將對(duì)該ESR變化做出反應(yīng)，并因此將存在證據(jù)表明該電路的部件值已經(jīng)改變。預(yù)測(cè)故障即將來(lái)臨是如何利用此數(shù)據(jù)的一個(gè)實(shí)例。一旦在啟動(dòng)后整定參數(shù)已經(jīng)建立，電路可監(jiān)視這些整定參數(shù)如何隨時(shí)間而變化，以及如果該變化大于預(yù)先設(shè)立的限制，則可以以標(biāo)記來(lái)示出一警報(bào)。圖13以塊示意形式示出這樣的感測(cè)電路1300的一實(shí)例，在由控制器控制的電路、設(shè)備的特性顯示出可指示部件故障的設(shè)備參數(shù)的大變化的證據(jù)的情況下，該感測(cè)電路1300在輸出1305處提供警報(bào)。將理解的是，某些參數(shù)可具有關(guān)于溫度的允許波動(dòng)，并且該感測(cè)電路可因此包括溫度傳感器，該傳感器提供設(shè)備操作溫度的指示。該感測(cè)電路可以配置成在提供報(bào)警之前將任何檢測(cè)的偏差與對(duì)于所述操作溫度的允許偏差相比較。
將理解，在此所述的是控制系統(tǒng)的示例實(shí)施例。特定的部件、特征以及值已經(jīng)參照特定的實(shí)施例和圖而描述，但是這樣的實(shí)施例和圖應(yīng)以非限制方式理解，因?yàn)楸景l(fā)明的范圍不應(yīng)以任何方式被限制，除了在所附權(quán)利要求的啟示下被認(rèn)為是必要的。類似地，在參考一個(gè)圖描述特定部件的情況中，應(yīng)該理解可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下這樣的部件可替換或者包括在其他圖中。另外，字眼“包括”/“包含”當(dāng)在說(shuō)明書(shū)中使用時(shí)被用于指定所述的特征、整數(shù)、步驟或部件的存在，但是不排除存在或使用或添加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、部件或其組。
權(quán)利要求
1.一種用于設(shè)備的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一控制器，該控制器與所述設(shè)備被提供在閉環(huán)配置中，該控制器具有配置成控制該設(shè)備的至少一個(gè)控制參數(shù)，該控制器包括預(yù)測(cè)誤差濾波器，該預(yù)測(cè)誤差濾波器配置成實(shí)現(xiàn)對(duì)所述至少一個(gè)控制參數(shù)的整定，以便提供該控制器的自整定。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述控制器還包括限定增益參數(shù)的增益部件，該增益參數(shù)和所述至少一個(gè)控制參數(shù)的組合限定該控制器的時(shí)間和頻率響應(yīng)。
3.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述增益參數(shù)和所述控制參數(shù)中的每個(gè)是可獨(dú)立修改的。
4.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述控制器的輸入控制所述增益部件的增益。
5.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述預(yù)測(cè)誤差濾波器的輸出控制所述增益部件的增益。
6.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述預(yù)測(cè)誤差濾波器包括最小均方(LMS)自適應(yīng)濾波器。
7.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所述最小均方(LMS)濾波器將自回歸(AR)過(guò)程的預(yù)測(cè)提供為輸出，該系統(tǒng)被進(jìn)一步配置為提供誤差參數(shù)，其指示AR過(guò)程的實(shí)際值以及AR過(guò)程的預(yù)測(cè)值之間的差，該誤差參數(shù)限定預(yù)測(cè)誤差。
8.如權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述LMS濾波器包括多個(gè)抽頭，每個(gè)抽頭具有相關(guān)的權(quán)重，并且其中對(duì)各個(gè)抽頭的加權(quán)是可修改的以便使所述預(yù)測(cè)誤差最小。
9.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述設(shè)備是開(kāi)關(guān)模式電源。
10.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括偽隨機(jī)噪聲發(fā)生器，該發(fā)生器配置成提供偽隨機(jī)擾動(dòng)來(lái)作為到該系統(tǒng)的輸入。
11.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述增益部件是可變?cè)鲆娌考?，并且該系統(tǒng)還包括固定增益部件。
12.如權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中所述固定增益部件的值是相對(duì)于設(shè)備參數(shù)的值來(lái)確定的。
13.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中所述設(shè)備是降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)模式電源，并且固定增益參數(shù)的值由設(shè)備的電感器值和采樣周期的比率來(lái)限定。
14.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括設(shè)置點(diǎn)前饋元件，其配置成提供零點(diǎn)穩(wěn)態(tài)控制誤差。
15.如權(quán)利要求14的系統(tǒng)，還包括配置成在存在設(shè)備和部件非理想性時(shí)提供零點(diǎn)穩(wěn)態(tài)控制誤差的電路。
16.如權(quán)利要求15的電路，其中所述電路包括第一和第二加權(quán)部件，每個(gè)具有一加權(quán)值，第一和第二加權(quán)部件的加權(quán)值被求和以及積分以修改環(huán)路的增益值。
17.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，還包括延遲參數(shù)，該延遲參數(shù)配置成使所述增益部件所實(shí)現(xiàn)的任何增益變化能夠在環(huán)路得到進(jìn)一步修改之前在該控制環(huán)內(nèi)生效。
18.一種感測(cè)系統(tǒng)，配置成檢測(cè)設(shè)備的參數(shù)變化，該設(shè)備與控制器被提供在閉環(huán)配置中，該控制器的控制參數(shù)提供對(duì)設(shè)備輸出的控制，并且其中該感測(cè)系統(tǒng)耦合到該控制器，且配置成監(jiān)視控制參數(shù)并使用其作為設(shè)備中的變化的指示，并且該感測(cè)系統(tǒng)配置成在環(huán)路操作期間以及在檢測(cè)到控制參數(shù)值的預(yù)定偏差時(shí)在其輸出提供報(bào)警。
19.如權(quán)利要求18的感測(cè)系統(tǒng)，其中所述控制器包括預(yù)測(cè)誤差濾波器。
20.如權(quán)利要求18的感測(cè)系統(tǒng)，其中該感測(cè)系統(tǒng)包括預(yù)測(cè)誤差濾波器，其參數(shù)獨(dú)立于所述控制器來(lái)指示設(shè)備中的變化。
21.如權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述預(yù)測(cè)誤差濾波器配置成監(jiān)視控制誤差。
22.如權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中該感測(cè)系統(tǒng)包括溫度傳感器，其提供設(shè)備操作溫度的指示，并且該感測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步配置成在提供報(bào)警之前將任何檢測(cè)的偏差與對(duì)于所述操作溫度的允許偏差相比較。
23.一種控制與對(duì)應(yīng)的控制器一起被提供在閉合控制環(huán)配置中的設(shè)備的方法，該方法包括該步驟在控制器內(nèi)包括預(yù)測(cè)誤差濾波器以及自適應(yīng)增益元件，該預(yù)測(cè)誤差濾波器配置成整定該控制器的控制參數(shù)以提供該控制器的自整定，該方法包括步驟a.在該控制環(huán)的啟動(dòng)期間，初始地將該控制環(huán)的輸出的設(shè)置點(diǎn)(Vos)以及實(shí)際輸出兩者都設(shè)置為0，b.借助于軟啟動(dòng)將該設(shè)置點(diǎn)Vos增加到所需輸出，c.設(shè)置該控制器的自適應(yīng)增益元件以產(chǎn)生偽開(kāi)環(huán)配置，從而允許持續(xù)激勵(lì)，d.監(jiān)視預(yù)測(cè)誤差信號(hào)以檢測(cè)該信號(hào)與從白噪聲響應(yīng)所將預(yù)期的情況的任何偏差，以及e.在檢測(cè)到任何偏差時(shí)使預(yù)測(cè)誤差濾波器以及自適應(yīng)增益元件兩者都能夠做出反應(yīng)以將平均值恢復(fù)到0。
全文摘要
描述了一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一控制，其具有多個(gè)控制參數(shù)，這些控制參數(shù)提供對(duì)相關(guān)設(shè)備的控制。使用預(yù)測(cè)誤差濾波器來(lái)整定這些控制參數(shù)，該預(yù)測(cè)誤差濾波器選擇使自回歸過(guò)程的實(shí)際和預(yù)測(cè)值之間的預(yù)測(cè)誤差值最小的控制參數(shù)值。
文檔編號(hào)G05B13/04GK101082812SQ20061008374
公開(kāi)日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2006年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月1日
發(fā)明者安東尼·L·凱利 申請(qǐng)人:模擬裝置公司