專利名稱：定位控制系統(tǒng)及濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定位控制系統(tǒng)，其具有用于由受控對(duì)象的至少一種觀測(cè)值來(lái)估計(jì)擾動(dòng)、并反饋該估計(jì)擾動(dòng)的擾動(dòng)觀測(cè)器。本發(fā)明還涉及這種定位控制系統(tǒng)中使用的濾波器。
背景技術(shù)：
定位控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)設(shè)備中。特別是在凈化室環(huán)境中，定位控制系統(tǒng)使用的氣壓缸是非常有利的，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)產(chǎn)生液體泄漏且易于維護(hù)。
但是，氣壓缸由于自身的特征而不能非常精確和非常嚴(yán)格地定位，這是因?yàn)榭諝獾目蓧嚎s性以及可用氣壓的限制。特別地，活塞上裝有防止氣體泄漏和外部異物進(jìn)入的密封物的氣壓缸不能實(shí)現(xiàn)非常精確的定位，這是由于密封物的摩擦力產(chǎn)生的所謂粘滑現(xiàn)象。
日本專利公開文件No.2004-144196公開了一種包含氣壓缸的定位系統(tǒng)，其包括一個(gè)活塞，所述活塞集成了一個(gè)靜壓力軸承，從而減小了摩擦力并提供了更高的定位精確性。
為了提高控制精確性，一些應(yīng)用中采用了由受控對(duì)象的至少一種觀測(cè)值來(lái)估計(jì)擾動(dòng)、并反饋該估計(jì)擾動(dòng)的擾動(dòng)觀測(cè)器。例如，日本專利公開文件No.2000-347738中披露了一種使用可變?cè)鲆鏀_動(dòng)觀測(cè)器的定位系統(tǒng)，用于穩(wěn)定地控制一個(gè)對(duì)象，而無(wú)需考慮對(duì)象移動(dòng)時(shí)是否涉及靜摩擦或動(dòng)摩擦。
如本領(lǐng)域內(nèi)所熟知的，提高控制增益以增加定位控制的精確性是很有效的。但是為了保護(hù)執(zhí)行元件，必須提供適當(dāng)?shù)娘柡驮苑乐怪噶钪底兊眠^(guò)大。
由于氣壓缸內(nèi)密封物的摩擦力所產(chǎn)生的黏彈性特性以及該特性對(duì)控制性能的影響在Osamu Oyama等人的“Viscoelasticity inDisplacement of a Pneumatic Cylinder and its Effect on ControlPerformance”中做了描述，見日本液壓動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)會(huì)(Japan FluidPower System Society)的文章選集，1998年11月，第29卷第7期，19(155)頁(yè)至25(161)頁(yè)。該文披露了密封物的黏彈性對(duì)穩(wěn)定活塞位移的效果比活塞滑動(dòng)時(shí)更有效，利用該效應(yīng)可增加控制的靈敏度，從而增加沉降速度，因此，這種黏彈性的結(jié)果可以使活塞的位移穩(wěn)定。
日本專利公開文件No.2004-144196公開的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且非常昂貴，因?yàn)樗褂昧遂o壓力軸承。由于靜壓力軸承產(chǎn)生的摩擦太小，所以它的阻尼特性較差，容易增加定位的收斂時(shí)間。
日本專利公開文件No.2000-347738中公開的定位系統(tǒng)所使用的擾動(dòng)觀測(cè)器包括一個(gè)低通濾波器，并在低頻范圍內(nèi)表示出積分器特征。如本領(lǐng)域內(nèi)所熟知的，如果控制系統(tǒng)包括積分器，那么它將受到稱為積分器過(guò)卷(windup)的效應(yīng)的影響。
在積分器過(guò)卷的情況下，當(dāng)穩(wěn)定地施加一個(gè)給定的正偏移時(shí)，該正偏移被過(guò)度地積分，超過(guò)了施加給受控對(duì)象的被操縱的變量的飽和值L，如附圖中圖35所示。如果在時(shí)刻T1之后穩(wěn)定地施加一個(gè)負(fù)偏移，那么在正常情況下希望被操縱的變量從時(shí)刻T1開始立刻減小，如虛線曲線1所示。但是由于過(guò)卷，被操縱的變量在時(shí)刻T1從一個(gè)整數(shù)S開始減小，如實(shí)線曲線2所示，且受控對(duì)象實(shí)際上從時(shí)刻T2開始改變其操作。因此，被操縱的變量從時(shí)刻T1到時(shí)刻T2在飽和值L上保持飽和。受控對(duì)象因此在其操作中經(jīng)歷了延遲，這容易導(dǎo)致例如增大過(guò)沖等控制性能的下降。為了保護(hù)控制系統(tǒng)不遭受積分器過(guò)卷的影響，該積分器可具有在飽和值L以上時(shí)停止積分動(dòng)作的功能。
簡(jiǎn)單的積分器相對(duì)來(lái)說(shuō)可以很容易地設(shè)計(jì)，從而結(jié)合用于在飽和值L以上時(shí)停止其積分動(dòng)作的裝置。但是至今為止還未出現(xiàn)將這樣的裝置添加到擾動(dòng)觀測(cè)器的嘗試，進(jìn)而確定該裝置相對(duì)于擾動(dòng)觀測(cè)器被配備到什么位置。因此，至今還不能防止擾動(dòng)觀測(cè)器中的積分器過(guò)卷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種結(jié)合了擾動(dòng)觀測(cè)器的定位控制系統(tǒng)，用于提高控制精確性和防止積分器過(guò)卷，以及提供一種應(yīng)用在這種定位控制系統(tǒng)中的濾波器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種定位控制系統(tǒng)，其包括由受控對(duì)象的至少一種觀測(cè)值來(lái)估計(jì)擾動(dòng)、并反饋該估計(jì)擾動(dòng)的擾動(dòng)觀測(cè)器，還包括設(shè)置在用于反饋來(lái)自擾動(dòng)觀測(cè)器的估計(jì)擾動(dòng)的反饋環(huán)內(nèi)的飽和元件，該反饋環(huán)具有基于受控對(duì)象的輸出值的主環(huán)，以及基于預(yù)定參數(shù)來(lái)執(zhí)行正反饋的副環(huán)，其中飽和元件設(shè)置在副環(huán)內(nèi)。
通過(guò)設(shè)置在擾動(dòng)觀測(cè)器的正反饋副環(huán)內(nèi)的飽和元件，該定位控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的積分器過(guò)卷受到限制，以提高其控制能力。該擾動(dòng)觀測(cè)器的操作用來(lái)補(bǔ)償擾動(dòng)，從而非常精確和嚴(yán)格地定位受控對(duì)象。
副環(huán)可通過(guò)兩個(gè)減法器執(zhí)行正反饋。
飽和元件能夠以絕對(duì)值彼此相等的正值和負(fù)值而飽和。
如果定位控制系統(tǒng)具有可基于控制偏差來(lái)改變飽和元件的飽和值的飽和值改變器，則飽和值基于控制偏差被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置，從而提高了控制能力。
受控對(duì)象可包括在其滑動(dòng)組件上具有密封物的氣缸，當(dāng)控制偏差落在密封物的黏彈性位移范圍之外時(shí)，飽和元件的飽和值的絕對(duì)值比控制偏差落在密封物的黏彈性位移范圍之內(nèi)時(shí)更大。如果控制偏差很大，則設(shè)置大的飽和值，從而能夠提高動(dòng)態(tài)特性。
氣缸可包括氣壓缸。
如果密封物包括活塞密封和蓋密封，則黏彈性位移范圍可基于包括活塞密封和蓋密封在內(nèi)的假想的組合密封來(lái)形成。
氣缸可以通過(guò)比例閥雙向啟動(dòng)。
如果飽和值改變器基于控制偏差逐步改變飽和值，則該飽和值可以很容易地計(jì)算出來(lái)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了在具有主反饋環(huán)的控制系統(tǒng)中的濾波器，包括用于在主反饋環(huán)內(nèi)執(zhí)行正反饋的副環(huán)，設(shè)置在副環(huán)的反饋路徑中的低通元件，以及設(shè)置在副環(huán)的前向路徑中的飽和元件。
該濾波器以與積分過(guò)程相同的方式工作，以便通過(guò)設(shè)置在副環(huán)的反饋路徑中的低通元件和設(shè)置在其前向路徑中的飽和元件來(lái)限制積分器過(guò)卷。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的定位控制系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)置在擾動(dòng)觀測(cè)器的正反饋副環(huán)中的飽和元件，積分器過(guò)卷受到限制，從而提高了控制能力。該擾動(dòng)觀測(cè)器的操作補(bǔ)償了擾動(dòng)，從而非常精確和嚴(yán)格地定位受控對(duì)象。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的濾波器以與積分過(guò)程相同的方式工作，以便通過(guò)設(shè)置在副環(huán)的反饋路徑中的低通元件和設(shè)置在其前向路徑中的飽和元件來(lái)限制積分器過(guò)卷。
本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)下面結(jié)合通過(guò)示例性的例子示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的附圖所做的描述而變得更加明顯。


圖1是部分以剖面圖示出的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的定位控制系統(tǒng)的框圖；圖2是活塞經(jīng)放大的局部剖面圖；圖3是控制器的框圖；圖4是正反饋濾波器的框圖；圖5是顯示正反饋濾波器的增益特性的波特圖；圖6是顯示正反饋濾波器的相位特性的波特圖；圖7是飽和正反饋濾波器的框圖；圖8是顯示了飽和正反饋濾波器的增益特性的圖表；圖9是顯示了正反饋濾波器和飽和正反饋濾波器在其低頻輸入幅度X為0.31時(shí)的仿真輸出的圖表；圖10是顯示了正反饋濾波器和飽和正反饋濾波器在其低頻輸入幅度X為0.35時(shí)的仿真輸出的圖表；
圖11是顯示了正反饋濾波器和飽和正反饋濾波器在其低頻輸入幅度X為0.5時(shí)的仿真輸出的圖表；圖12是顯示了正反饋濾波器和飽和正反饋濾波器在其低頻輸入幅度X為1.0時(shí)的仿真輸出的圖表；圖13是顯示了正反饋濾波器和飽和正反饋濾波器在其低頻輸入幅度X為2.35時(shí)的仿真輸出的圖表；圖14是顯示了正反饋濾波器和飽和正反饋濾波器在其低頻輸入幅度X為2.8時(shí)的仿真輸出的圖表；圖15是顯示了正反饋濾波器和飽和正反饋濾波器在其低頻輸入幅度X為3.5時(shí)的仿真輸出的圖表；圖16是顯示了正反饋濾波器和飽和正反饋濾波器在其低頻輸入幅度X為5.0時(shí)的仿真輸出的圖表；圖17是使用了PID控制器的定位系統(tǒng)的框圖；圖18是類似于圖17所示的控制系統(tǒng)的定位系統(tǒng)的框圖，只是使用了正反饋濾波器而不是圖17所示的控制系統(tǒng)中使用的積分器；圖19是類似于圖17所示的控制系統(tǒng)的定位系統(tǒng)的框圖，只是使用了飽和正反饋濾波器而不是圖17所示的控制系統(tǒng)中使用的積分器；圖20是顯示了圖17和18所示的定位系統(tǒng)中飽和元件沒(méi)有飽和時(shí)的仿真輸出的圖表；圖21是顯示了飽和元件的仿真輸入信號(hào)的圖表，該飽和元件在不飽和時(shí)產(chǎn)生圖20所示的仿真輸出；圖22是顯示了圖17和18所示的定位系統(tǒng)中飽和元件飽和時(shí)的仿真輸出的圖表；圖23是顯示了飽和元件的仿真輸入信號(hào)的圖表，該飽和元件在飽和時(shí)產(chǎn)生圖20所示的仿真輸出；圖24是顯示了圖17和18所示的定位系統(tǒng)中飽和元件飽和時(shí)的仿真輸出的圖表，其中飽和元件的飽和值小于擾動(dòng)；圖25是顯示了飽和元件的仿真輸入信號(hào)的圖表，該飽和元件在飽和時(shí)產(chǎn)生圖24所示的仿真輸出；
圖26是其中飽和正反饋濾波器未并入擾動(dòng)觀測(cè)器的系統(tǒng)的框圖；圖27是其中飽和正反饋濾波器并入到擾動(dòng)觀測(cè)器中的系統(tǒng)的框圖；圖28是顯示了圖26和27所示的系統(tǒng)中飽和元件沒(méi)有飽和時(shí)的仿真輸出的圖表；圖29是顯示了圖26和27所示的系統(tǒng)中飽和元件沒(méi)有飽和時(shí)的仿真估計(jì)擾動(dòng)值的圖表；圖30是顯示了圖26和27所示的系統(tǒng)中飽和元件飽和時(shí)的仿真輸出的圖表；圖31是顯示了圖26所示的系統(tǒng)中飽和元件飽和時(shí)的仿真估計(jì)擾動(dòng)值的圖表；圖32的圖表顯示了圖27所示的系統(tǒng)中飽和元件飽和時(shí)的仿真估計(jì)擾動(dòng)值；圖33是顯示了由飽和值改變器設(shè)置的飽和值的圖表；圖34是顯示了由飽和值改變器設(shè)置的經(jīng)過(guò)修正的飽和值的圖表；以及圖35是積分器所生成的顯示了積分器過(guò)卷的積分時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照?qǐng)D1至34來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的定位控制系統(tǒng)。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的定位控制系統(tǒng)10通常包括氣壓缸12和作為受控對(duì)象P的比例閥40，以及用于控制氣壓缸12的控制器14。根據(jù)本實(shí)施例，控制器14包括一個(gè)飽和正反饋濾波器114(見圖7)。
氣壓缸12例如被用來(lái)在半導(dǎo)體制造工廠的凈化室中定位工件20。氣壓缸12具有用于夾持工件20的夾具22、用于在其一端支撐夾具22的支桿24、安裝在支桿24的另一端的活塞26、在其中活塞26可滑動(dòng)地移動(dòng)的管道28、安裝在管道28的一端上并支撐著支桿24的蓋30、設(shè)置在活塞26周圍的活塞密封32、安裝在蓋30上的蓋密封34、以及用于檢測(cè)支桿24的位移距離Y的傳感器36。活塞26是單側(cè)桿型活塞。管道28被活塞26分隔成其中用于設(shè)置支桿24的支桿腔28a以及活塞26另一側(cè)與支桿腔28a相對(duì)的底腔28b。支桿腔28a和底腔28b與各自的端口38保持流體連通。端口38由比例閥40來(lái)控制，用于實(shí)現(xiàn)有選擇性的流體控制。比例閥40由控制器14來(lái)控制，以便將壓縮氣體從氣壓源41提供到端口38中的一個(gè)，并使另一端口38與大氣相通?；钊?6在管道28內(nèi)可滑動(dòng)移動(dòng)至最大位移距離Ymax。
如圖2所示，活塞密封32用來(lái)防止支桿腔28a和底腔28b之間的空氣泄漏?；钊芊?2具有一個(gè)內(nèi)環(huán)部分和一個(gè)外環(huán)部分，所述內(nèi)環(huán)部分安裝在由活塞26的外環(huán)表面所限定的環(huán)形凹槽26a內(nèi)，而所述外環(huán)部分相對(duì)于管道28的內(nèi)環(huán)表面被輕輕擠壓并固定。活塞密封32可包括多種配置中的任一種，并且最好根據(jù)設(shè)計(jì)條件具有基本上呈O型的橫截面、或者基本上呈X型的橫截面。
當(dāng)支桿24仍然靜止時(shí)，活塞密封32的外環(huán)部分相對(duì)于管道28的內(nèi)環(huán)表面固定，并受到靜摩擦力作用。因此，當(dāng)?shù)浊?8b被施壓使得活塞26輕輕移向蓋30時(shí)，活塞密封32的外環(huán)表面在靜摩擦力下仍保持靜止，并在支桿24發(fā)生位移時(shí)產(chǎn)生黏彈性形變。當(dāng)支桿24進(jìn)一步移動(dòng)直至施加到活塞26上的壓力超過(guò)由活塞密封32加到其上的靜摩擦力時(shí)，活塞密封32開始移動(dòng)，并且管道28受到小于靜摩擦力的動(dòng)摩擦力。氣壓缸12的操作與支桿腔28a被施壓使得活塞26遠(yuǎn)離蓋30時(shí)類似。
如上所述，當(dāng)活塞26和支桿24由于活塞密封32的黏彈性而在黏彈性位移范圍Yo(即活塞密封32發(fā)生彈性形變但仍保持靜止沒(méi)有相對(duì)于管道28滑動(dòng)的范圍)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，由于活塞密封32的黏彈性而產(chǎn)生阻力，其提供了適當(dāng)?shù)淖枘崽匦?。除了上面已?jīng)描述的活塞密封32之外，蓋密封34也提供類似的阻尼特性，這是因?yàn)樗鄬?duì)于支桿24而黏彈性地保持。因此，黏彈性位移范圍Yo由活塞密封32和蓋密封34的組合的黏彈性來(lái)決定。
如圖3所示，控制器14包括定位反饋環(huán)42、速率反饋環(huán)44、擾動(dòng)觀測(cè)器46、飽和元件48(也稱作限制器)、以及飽和值改變器50。第一減法器52從一個(gè)命令值R減去位移距離Y以確定偏差(控制偏差)ε。位移距離Y由傳感器36提供。偏差ε由元件C轉(zhuǎn)換成要提供給第二減法器54的參數(shù)C·ε。該元件C對(duì)偏差ε進(jìn)行放大并對(duì)偏差ε執(zhí)行預(yù)定的補(bǔ)償處理。
速率反饋環(huán)44包括用于區(qū)分位移距離Y以便確定速率v的區(qū)分元件B。第二減法器54從參數(shù)C·ε減去速率v以確定要提供給第三減法器56的參數(shù)Uv。
擾動(dòng)觀測(cè)器46包括用于由傳感器36觀測(cè)到的位移距離Y和被操縱的變量(給定的參數(shù))Us為受控對(duì)象P估計(jì)參數(shù)Do、并反饋估計(jì)出的參數(shù)Do的已知控制裝置。擾動(dòng)觀測(cè)器46包括用于處理位移距離Y的元件60、第四減法器62以及元件Q。元件60執(zhí)行由1/Pn所表示的處理，即元件60通過(guò)將位移距離Y除以Pn來(lái)確定參數(shù)Y/Pn，并將參數(shù)Y/Pn提供給第四減法器62。參數(shù)Pn表示以n階函數(shù)來(lái)近似受控對(duì)象P的模型。如果模型Pn具有適當(dāng)?shù)木_度水平，且沒(méi)有擾動(dòng)D(D＝0)，則位移距離Y表示為y←Us·P。因此，參數(shù)Y/Pn可表示為Y/Pn＝Us(≈Us·P/Pn)。
第四減法器62從參數(shù)Y/Pn減去被操縱的變量Us，以確定參數(shù)Di，并將參數(shù)Di提供給元件Q。元件Q是一個(gè)低通元件。元件Q執(zhí)行參數(shù)Di的低通處理以確定參數(shù)Do(在此之后稱為估計(jì)擾動(dòng)值Do)，并將該參數(shù)Do提供給第三減法器56。如果元件Q用傳輸函數(shù)表示，則它的分母次數(shù)被設(shè)置為等于或大于Pn的分母次數(shù)的值。
第三減法器56從參數(shù)Uv減去參數(shù)Do以確定一個(gè)基本的被操縱變量U，然后將這個(gè)基本的被操縱變量U提供給飽和元件48。飽和元件48、第四減法器62、元件Q、以及第三減法器56共同構(gòu)成一個(gè)副環(huán)70。在副環(huán)70中，被操縱變量Us用作第四減法器62中的減數(shù)，然后經(jīng)過(guò)元件Q，并再次用作第三減法器56中的減數(shù)。這樣，副環(huán)70中的處理等同于兩次乘以“-1”的處理，因此等同于乘以一次“1”。因此，副環(huán)70是正反饋環(huán)。低通元件Q被放置在正反饋副環(huán)70的反饋路徑中，而飽和元件48被放置在正反饋副環(huán)70的前向路徑中。
如果基本被操縱變量U超過(guò)飽和值L的正值，則飽和元件48用飽和值L來(lái)限制基本被操縱變量U，如果基本被操縱變量U小于負(fù)值-L，則進(jìn)一步用飽和值L的負(fù)值-L來(lái)限制基本被操縱變量U。因此，受到限制的被操縱變量Us落在范圍-L＜Us＜L內(nèi)。如果基本被操縱變量U不受限制，則U＝Us(增益為1)。正的和負(fù)的飽和值L和-L由飽和值改變器50根據(jù)偏差ε的絕對(duì)值進(jìn)行改變。稍后將描述飽和值改變器50的工作細(xì)節(jié)。
由于被操縱變量Us被提供給比例閥40，則氣缸12的活塞26被驅(qū)動(dòng)使得命令值R等于位移距離Y(R＝Y(jié))。
如果沒(méi)有距離D，則Y/Pn＝Us。因此參數(shù)Di和Do為零，擾動(dòng)觀測(cè)器46的反饋過(guò)程不工作，導(dǎo)致受控對(duì)象P由定位反饋環(huán)42和速率反饋環(huán)44以與常規(guī)控制系統(tǒng)相同的方式進(jìn)行定位控制。
但是，實(shí)際上受控對(duì)象P由于擾動(dòng)D將發(fā)生錯(cuò)誤，其中擾動(dòng)D由擾動(dòng)觀測(cè)器46進(jìn)行補(bǔ)償。
特別地，如果擾動(dòng)D不為零(D≠0)，則參數(shù)Di的值與擾動(dòng)D有關(guān)。參數(shù)Di由元件Q依照低通處理方法來(lái)處理，產(chǎn)生參數(shù)Do，第三減法器56從參數(shù)Uv中減去這個(gè)參數(shù)Do。即使參數(shù)Uv為零，與擾動(dòng)D有關(guān)的參數(shù)Do仍得到值Us＝U＝-Do(不受飽和元件48的門限的限制)，Us＝L(受到飽和元件48的正門限的限制)，或者Us＝-L(受到飽和元件48的負(fù)門限的限制)，這些值對(duì)受控對(duì)象P進(jìn)行控制從而平衡擾動(dòng)D。
下面將參照?qǐng)D4至32來(lái)描述用于證明如此構(gòu)造的定位控制系統(tǒng)10的操作的仿真。為了證明主要位于副環(huán)70內(nèi)的飽和元件48的效果，本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了這些仿真。
1)正反饋濾波器首先，將分析一種通過(guò)從副環(huán)70移除飽和元件48并添加比例元件ka作為替代所得到的正反饋濾波器100(見圖4)。為了生成濾波器裝置，比例元件kq被插入到通往正反饋濾波器100的輸入端的路徑中。
如圖4所示，正反饋濾波器100具有輸入級(jí)中的比例元件kq、加法器102、環(huán)中的比例元件以及環(huán)中的元件Q。環(huán)Q為低通元件。比例元件ka被放置在環(huán)的前向路徑中，而元件Q被放置在環(huán)的反饋路徑中。元件Q的輸出被加法器102添加到比例元件kq的輸出端。正反饋濾波器100具有的傳遞函數(shù)G(s)可由下面的等式(1)表示G(s)=kqka1-kaQ---(1)]]>假定元件Q通常給定為Q＝100/(s+10)2，ka＝1以及kq＝0.2，則傳遞函數(shù)G(s)由下式給出G(s)=20100·s2+20s+100s(s+20)=0.01s2+0.2s+1s(0.05s+1)]]>=kqka(s2+20s+100)s2+20s+100(1-ka)---(2)]]>由等式(2)可見，正反饋濾波器100具有的適當(dāng)?shù)膫鬟f函數(shù)在原點(diǎn)處具有極點(diǎn)，其特性等同于低頻范圍內(nèi)1/s的積分器。如果kα≠1，則正反饋濾波器100就沒(méi)有原點(diǎn)極點(diǎn)，并具有穩(wěn)定且適當(dāng)?shù)膫鬟f函數(shù)，表現(xiàn)出與通常的相位延遲補(bǔ)償電路相似的特性。正反饋濾波器100的頻率特性如圖5和圖6所示。
如果ka＝1，那么正反饋濾波器100就等同于擾動(dòng)觀測(cè)器46的副環(huán)70的1/(1-Q)形式。
2)飽和正反饋濾波器如圖7所示，下面將分析具有中性增益為1的飽和元件48的飽和正反饋濾波器110，該濾波器被插入以替代如圖4所示的正反饋濾波器100的前向路徑中的比例元件ka。該飽和正反饋濾波器110在結(jié)構(gòu)上等同于副環(huán)70。
當(dāng)飽和元件48的輸入幅度位于靠近中點(diǎn)的非飽和范圍內(nèi)時(shí)，飽和正反饋濾波器110的頻率特性等同于圖4所示的ka＝1且在原點(diǎn)處具有極點(diǎn)的正反饋濾波器100的頻率特性。
如果飽和元件48的輸入由x來(lái)表示，其輸出用y來(lái)表示，則在非飽和范圍|x|＜x0內(nèi)時(shí)y＝x，在飽和范圍x＞x0內(nèi)時(shí)y＝x0，以及在飽和范圍x＜-x0內(nèi)時(shí)y＝-x0。如果在施加的輸入為x＝Xsin(wt)時(shí)產(chǎn)生的輸出y用y＝Y(jié)sin(wt+θ)來(lái)表示，那么飽和元件48的描述函數(shù)可如下表示如果α＝X/x0≤1，則飽和元件48的增益為Y/X＝1，且其相移θ為θ＝0。
如果α＝X/x0＞1，則飽和元件48的增益為Y/X＝k(α)，且其相移θ為θ＝0，其中k(α)=2π{sin-11α+1α1-(1α)2}---(3)]]>如圖8所示，當(dāng)輸入幅度增加時(shí)，α也增加。如果α≤1，則Y/X＝1。α進(jìn)一步增加時(shí)，k(α)就呈反比例減小。如果飽和元件48的輸入幅度變得大于飽和值(x0)，則飽和元件48的等效增益就變得小于1。在這種情況下，飽和正反饋濾波器110(見圖7)的頻率特性就可以認(rèn)為類似于在正反饋濾波器100(見圖4)中的ka小于1時(shí)所得到的頻率特性。也就是說(shuō)，積分特性受到限制。
圖9至16示出了當(dāng)飽和正反饋濾波器110的輸出表示為y1且正反饋濾波器110的輸出表示為y2時(shí)的仿真余弦輸入。在這些仿真中，飽和正反饋濾波器110的飽和元件48的中性點(diǎn)增益為1，且飽和值(x0)為0.5。圖9至12示出了低頻(0.2×π(rad/s))響應(yīng)，而圖13至16示出了高頻(2×π(rad/s))響應(yīng)。圖9中最大輸入幅度X為X＝0.31，圖10中為X＝0.35，圖11中為X＝0.5，圖12中為X＝1.0，圖13中為X＝2.35，圖14中為X＝2.8，圖15中為X＝3.5，圖16中為X＝5.0。圖9至16中，左邊的縱軸表示輸出y1，y2的刻度。為了簡(jiǎn)明起見，圖中忽略了輸入X的刻度。
在頻率ω＝0.1Hz(0.2×π(rad/s))(圖9和圖10)時(shí)，余弦輸入幅度X等于或小于約0.1π，且飽和元件48的輸入等于或小于飽和值0.5，輸出y1和輸出y2彼此相等。
在頻率ω＝0.1Hz(0.2×π(rad/s))時(shí)，對(duì)于余弦輸入X＝0.1π，正反饋濾波器100的輸出y1的最大幅度Ya根據(jù)以上的等式(2)被確定為Ya＝0.5015。
由圖9和13可見，如果不出現(xiàn)飽和，那么飽和正反饋濾波器110的輸出y1和正反饋濾波器100的輸出y2彼此相等。如果出現(xiàn)飽和，則對(duì)于低頻輸入的輸出y1的響應(yīng)在相位上提前于具有積分特性的輸出y2，且幅度受飽和值0.5的限制。
對(duì)于高頻輸入，由圖5和6所示的頻率特性可見，輸出y1和輸出y2具有相似的形式，只是輸出y1的幅度受到飽和值的限制。
由以上的結(jié)果可以表明，如果輸入幅度等于或小于飽和值，則飽和正反饋濾波器110的低頻增益具有和積分元件(1/s)類似的特性。此外，在輸入幅度超過(guò)飽和值的范圍內(nèi)，輸出幅度受到限制且積分特性被抑制，從而導(dǎo)致相位提前。
3)由飽和正反饋濾波器110實(shí)現(xiàn)的積分器過(guò)卷抑制如上所述，如果相對(duì)于積分器出現(xiàn)飽和，將導(dǎo)致積分過(guò)卷。如果使用了飽和正反饋濾波器110而不是通常的積分器(1/s)，則它作為積分器在小偏差范圍內(nèi)工作，并可以限制對(duì)于大偏差的積分特性，否則將可能導(dǎo)致積分器過(guò)卷，從而抑制了積分器過(guò)卷。例如，下面將描述飽和正反饋濾波器110在伺服系統(tǒng)PID控制中的應(yīng)用。
圖17示出了使用PID控制器202的定位系統(tǒng)的第一系統(tǒng)模型200。圖18示出了第二系統(tǒng)模型210，它是使用正反饋濾波器100來(lái)替代第一系統(tǒng)模型200中的積分器204的定位系統(tǒng)。圖19示出了第三系統(tǒng)模型220，它是使用飽和正反饋濾波器110來(lái)替代第一系統(tǒng)模型200中的積分器204的定位系統(tǒng)。假定對(duì)應(yīng)于比例閥40的控制閥150具有的飽和度為±0.2。在圖17至19中，附圖標(biāo)記152表示氣缸12的模型。
假定命令值R是幅度為1的階式信號(hào)輸入，擾動(dòng)D是在晚于命令值R的時(shí)刻td產(chǎn)生的幅度為0.5的階式信號(hào)輸入。PID控制器202具有值為“3”的比例元件206，值為“0.06s/(0.006s+1)”的差分元件208，以及值為“0.6”的比例元件kp。氣缸12的傳遞函數(shù)為52000/(s3+125s2+2500s)，飽和元件48的飽和值為±0.6。為了簡(jiǎn)明起見，圖17至19中的圖示忽略了定位控制系統(tǒng)10(見圖3)中的速率反饋環(huán)44、元件60和飽和值改變器50。
第一、第二和第三系統(tǒng)模型200、210、220在kq＝0.2時(shí)各自的仿真輸出S1、S2和S3如圖20所示。如圖21所示，第三系統(tǒng)模型220的飽和元件48的輸入I沒(méi)有超過(guò)飽和范圍±0.6。因此，輸出S2和S3彼此相等。
第一、第二和第三系統(tǒng)模型200、210、220在kq＝2.0時(shí)各自的仿真輸出S1、S2和S3如圖22所示。由圖22可以觀測(cè)到，輸出S2中的階式信號(hào)輸入的積分器過(guò)卷較大，而在輸出S3中被抑制。在時(shí)刻td之后對(duì)擾動(dòng)D的響應(yīng)彼此沒(méi)有差別。這種響應(yīng)的原因如下如圖23所示，第三系統(tǒng)模型220的飽和元件48的輸入i在響應(yīng)階式信號(hào)輸入時(shí)已經(jīng)達(dá)到了飽和元件48的飽和范圍(等于或大于0.6)，使得第三系統(tǒng)模型220工作，以抑制積分器過(guò)卷。當(dāng)在時(shí)刻td之后對(duì)擾動(dòng)D做出響應(yīng)時(shí)，由于飽和元件48的輸入i沒(méi)有達(dá)到飽和范圍0.6，輸出S2和S3彼此相等。很顯然，這些響應(yīng)根據(jù)飽和值和擾動(dòng)的幅度而彼此不同。
第一、第二和第三系統(tǒng)模型200、210、220在第二系統(tǒng)模型210中kq＝0.2時(shí)、第三系統(tǒng)模型220中kq＝2.0時(shí)、以及飽和元件的飽和值為±0.45時(shí)各自的仿真輸出S1、S2和S3如圖24所示。對(duì)階式信號(hào)輸入的響應(yīng)與圖20和22中的相同，但對(duì)擾動(dòng)D的響應(yīng)彼此不同。
輸出S1和S2由于低頻范圍內(nèi)的積分特性而對(duì)于擾動(dòng)D具有穩(wěn)態(tài)偏差0。但是，第三系統(tǒng)模型220的輸出S3經(jīng)受到穩(wěn)態(tài)偏差εα。這是由于飽和正反饋濾波器110的輸入i在對(duì)擾動(dòng)D做出響應(yīng)時(shí)超過(guò)了飽和值“0.6”，如圖15所示，并且由于飽和正反饋濾波器110的低頻范圍內(nèi)的受到抑制的積分特性而引起。
一般來(lái)說(shuō)，如果具有積分特性的設(shè)備在穩(wěn)態(tài)時(shí)具有恒定的輸出值，那么該設(shè)備的輸入就必須為零。由于第三系統(tǒng)模型220的微分器222的輸出為零，飽和正反饋濾波器110的輸出為0.45，且擾動(dòng)D的階式信號(hào)的量值為-0.5，比例元件206的輸出必須是0.05(見圖19)。
因此，相對(duì)于擾動(dòng)D的穩(wěn)態(tài)偏差保持在Error＝0.05/0.6＝0.083333?；谶@些仿真結(jié)果，下面將描述的折衷在設(shè)置飽和正反饋濾波器110的門限值時(shí)被加以考慮。為了優(yōu)先抑制由于設(shè)備輸入和積分元件的飽和而產(chǎn)生的積分器過(guò)卷，飽和正反饋濾波器110的飽和元件48的飽和值被設(shè)置在一個(gè)低水平上，以促使飽和元件48飽和。為了使相對(duì)于擾動(dòng)D的穩(wěn)態(tài)偏差為零或盡量小，該飽和值被設(shè)置在一個(gè)足夠大的水平上。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)條件，在設(shè)置該飽和值時(shí)可以考慮積分器過(guò)卷的抑制和穩(wěn)態(tài)偏差的最小化之間的平衡。
4)應(yīng)用到擾動(dòng)觀測(cè)器的飽和正反饋濾波器110的效果下面將基于使用圖26和27所示的兩種系統(tǒng)的仿真來(lái)描述應(yīng)用到擾動(dòng)觀測(cè)器46的飽和正反饋濾波器110的效果。圖26示出了作為比較性示例的系統(tǒng)模型300，而圖27示出了一個(gè)系統(tǒng)模型310，該系統(tǒng)并入了飽和正反饋濾波器110，用來(lái)替代系統(tǒng)模型300中使用的正反饋濾波器100。系統(tǒng)模型310表示前面提到的定位控制系統(tǒng)10的一個(gè)模型。在系統(tǒng)模型310中，飽和元件48具有飽和值±0.6，比例閥40具有飽和值±0.2，元件Q的值為Q＝1003/(s+100)3，氣缸12的傳遞函數(shù)為52000/(s3+125s2+2500s)，以及元件C的增益為1。為了簡(jiǎn)明起見，速率反饋環(huán)44和用于飽和特性的補(bǔ)償電路、以及標(biāo)稱模型(元件60)中比例閥40模型的靈敏度改善在圖中被忽略。系統(tǒng)模型300的輸出用z1來(lái)表示，系統(tǒng)模型310的輸出用z2來(lái)表示。假定命令值R是幅度為1的階式信號(hào)輸入，而擾動(dòng)D是在晚于命令值R的時(shí)刻td產(chǎn)生的幅度為0.5的階式信號(hào)輸入。在系統(tǒng)模型310中，所示的元件Q被劃分為對(duì)應(yīng)于圖3中預(yù)減法器路徑61和元件60的部分。這些被劃分的組件構(gòu)成了等效于元件Q的電路。
如圖28所示，當(dāng)該設(shè)備沒(méi)有飽和時(shí)，輸出z1和z2基本上彼此相等。如圖29所示，估計(jì)出的系統(tǒng)模型300、310的擾動(dòng)值Do、Doc以及擾動(dòng)D基本上彼此相等。因此，可以確定擾動(dòng)D被正確地估計(jì)。
如圖30所示，當(dāng)該設(shè)備在飽和值±0.2上飽和時(shí)，輸出z1和z2彼此完全不同。特別地，系統(tǒng)模型300的輸出由于設(shè)備的飽和而遭受積分器過(guò)卷。如圖31所示，估計(jì)出的擾動(dòng)值Doc的波形與擾動(dòng)D相比是不精確的。
另一方面，如圖30所示，系統(tǒng)模型310的輸出z2表現(xiàn)出受到抑制的積分器過(guò)卷。因此可以確定飽和正反饋濾波器110是有效的。如圖32所示，估計(jì)出的擾動(dòng)值Do在短時(shí)間內(nèi)收斂到正確的估計(jì)值。
如上所述，在PID控制下，在擾動(dòng)觀測(cè)器46中包含了飽和正反饋濾波器110的系統(tǒng)模型310的積分器過(guò)卷如利用第三系統(tǒng)模型220一樣得到抑制。由于使用了擾動(dòng)觀測(cè)器46，擾動(dòng)D得到補(bǔ)償。如果命令值R的階式信號(hào)的量值減小，則積分器過(guò)卷將被進(jìn)一步地抑制。
下面將描述定位控制系統(tǒng)10中飽和值改變器50的操作和優(yōu)點(diǎn)。該飽和值改變器50用來(lái)根據(jù)偏差ε的絕對(duì)值來(lái)改變飽和元件48的飽和值L(和-L)。
特別地，如圖33所示，如果偏差ε的絕對(duì)值|ε|為|ε|＜ε1，則飽和值L被設(shè)置為L(zhǎng)←L1，或者飽和值-L被設(shè)置為-L←-L1。將值L1設(shè)置為一個(gè)足夠小的值能夠充分抑制積分器過(guò)卷。如果絕對(duì)值|ε|位于ε1≤|ε|＜ε2的范圍內(nèi)，則飽和值L根據(jù)絕對(duì)值|ε|被成比例地增大(或者飽和值-L被成比例地減小)，設(shè)定值L1作為正飽和值的參考(或者設(shè)定值-L1作為負(fù)飽和值的參考)。當(dāng)|ε|＝ε2時(shí)，飽和值L被設(shè)置為L(zhǎng)＝L2，或者飽和值-L被設(shè)置為-L＝-L2。當(dāng)絕對(duì)值|ε|位于|ε|＞ε2范圍內(nèi)時(shí)，飽和值L就被設(shè)置為L(zhǎng)←L2，或者飽和值-L被設(shè)置為-L←-L2。
參考值ε1是用于定義偏差ε相對(duì)較小的范圍內(nèi)的數(shù)值，且可被設(shè)置由于活塞密封32(或包括活塞密封32和蓋密封34的假想的組合密封物)的黏彈性位移范圍Yo(見圖2)，或者被設(shè)置為稍小于黏彈性位移范圍Yo的值。在活塞26在黏彈性位移范圍Yo內(nèi)稍微發(fā)生位移時(shí)，積分器過(guò)卷被充分抑制，活塞26由于活塞密封32(或假想的組合密封物)的黏彈性特性而穩(wěn)定地移動(dòng)。因此，穩(wěn)態(tài)偏差被最小化，以非常精確和嚴(yán)格地定位受控對(duì)象，或者換句話說(shuō)，從而提高了其靜態(tài)特性。
參考值ε2是用于定義偏差ε足夠大的范圍內(nèi)的數(shù)值，且最大位移被設(shè)置為等于Ymax(見圖1)。當(dāng)絕對(duì)值|ε|增加時(shí)，飽和值L也被設(shè)置為一個(gè)較大的值，使其能夠增加比例閥40的被操縱變量Us。換句話說(shuō)，當(dāng)偏差ε的絕對(duì)值|ε|很大時(shí)，比例閥40被較大的沖擊開動(dòng)，從而高速移動(dòng)活塞26，使得位移距離Y快速逼近命令值R，或者換句話說(shuō)，從而提高了其靜態(tài)特性。
由飽和值改變器50所設(shè)置的飽和值L和-L可以在參考值ε1和參考值ε2之間被逐步改變，如圖34所示。特別地，當(dāng)絕對(duì)值|ε|增加時(shí)，飽和值L被逐步增大而飽和值-L被逐步減小。飽和值L可通過(guò)簡(jiǎn)單的比較方法來(lái)逐步改變，而無(wú)需比例計(jì)算處理。如圖34所示，逐步設(shè)置飽和值L和-L的方法提供了如圖33所示設(shè)置飽和值時(shí)所得到的優(yōu)點(diǎn)相同的優(yōu)點(diǎn)。如果在偏差ε超過(guò)黏彈性位移范圍Yo時(shí)飽和元件48的飽和值L的絕對(duì)值比該偏差ε落在黏彈性位移范圍Yo內(nèi)時(shí)更大的話，也可實(shí)現(xiàn)相同的優(yōu)點(diǎn)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的定位控制系統(tǒng)10利用設(shè)置在擾動(dòng)觀測(cè)器46的正反饋副環(huán)70中的飽和元件48抑制了積分器過(guò)卷，從而能夠提高控制能力。該擾動(dòng)觀測(cè)器46的操作用來(lái)補(bǔ)償擾動(dòng)D，以便非常精確和嚴(yán)格地定位受控對(duì)象。
根據(jù)本發(fā)明的飽和正反饋濾波器110以與積分處理相同的方式工作，從而抑制積分器過(guò)卷，其低通元件Q被設(shè)置在正反饋副環(huán)的反饋路徑中，而飽和元件48被設(shè)置在它的前向路徑中。
雖然這里已經(jīng)顯示并具體描述了本發(fā)明的特定的優(yōu)選實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)這些實(shí)施例可進(jìn)行多種變化和修改，而不違背附加的權(quán)利要求中所述的本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種定位控制系統(tǒng)，包括用于由受控對(duì)象的至少一種觀測(cè)值來(lái)估計(jì)擾動(dòng)、并反饋該估計(jì)擾動(dòng)的擾動(dòng)觀測(cè)器；以及被設(shè)置在用于反饋來(lái)自所述擾動(dòng)觀測(cè)器的估計(jì)擾動(dòng)的反饋環(huán)內(nèi)的飽和元件；所述反饋環(huán)具有基于受控對(duì)象的輸出值的主環(huán)，以及基于預(yù)定參數(shù)來(lái)執(zhí)行正反饋的副環(huán)；所述飽和元件被設(shè)置在所述副環(huán)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的定位控制系統(tǒng)，其中所述副環(huán)通過(guò)兩個(gè)減法器來(lái)執(zhí)行所述正反饋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的定位控制系統(tǒng)，其中所述飽和元件以彼此絕對(duì)值相等的正值和負(fù)值而飽和。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的定位控制系統(tǒng)，還包括用于根據(jù)控制偏差來(lái)改變所述飽和元件的飽和值的飽和值改變器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的定位控制系統(tǒng)，其中所述受控對(duì)象包括在其可滑動(dòng)組件上具有密封物的氣缸，并且在所述控制偏差落在所述密封物的黏彈性位移范圍之外時(shí)，所述飽和元件的所述飽和值比所述控制偏差落在所述密封物的黏彈性位移范圍之內(nèi)時(shí)具有更大的絕對(duì)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的定位控制系統(tǒng)，其中所述氣缸包括氣壓缸。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的定位控制系統(tǒng)，其中所述密封物包括活塞密封和蓋密封。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的定位控制系統(tǒng)，其中所述氣缸可通過(guò)比例閥雙向啟動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的定位控制系統(tǒng)，其中所述飽和值改變器根據(jù)所述控制偏差逐步改變所述飽和值。
10.一種用在具有主反饋環(huán)的控制系統(tǒng)中的濾波器，包括用于在所述主反饋環(huán)內(nèi)執(zhí)行正反饋的副環(huán)；被設(shè)置在所述副環(huán)的反饋路徑中的低通元件；以及被設(shè)置在所述副環(huán)的前向路徑中的飽和元件。
全文摘要
一種定位控制系統(tǒng)(10)，包括用于由受控對(duì)象(P)的氣缸(12)的位移距離(Y)來(lái)估計(jì)擾動(dòng)(D)、并反饋該估計(jì)擾動(dòng)的擾動(dòng)觀測(cè)器(46)。該定位控制系統(tǒng)(10)還包括設(shè)置在包括有擾動(dòng)觀測(cè)器(46)的反饋環(huán)中的飽和元件(48)和低通元件(Q)，以及用于根據(jù)偏差(ε)來(lái)改變飽和元件(48)的飽和值(L)的飽和值改變器(50)。飽和元件(48)被設(shè)置在正反饋副環(huán)(70)的前向路徑中，而低通元件(Q)被設(shè)置在該正反饋副環(huán)(70)的反饋路徑中。
文檔編號(hào)G05D3/12GK101025630SQ200710005259
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2007年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月13日
發(fā)明者楊清海, 中野和夫, 藤原伸廣, 宮地博, 畠山正俊 申請(qǐng)人:Smc株式會(huì)社