本發(fā)明涉及自適應(yīng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤指一種通過對前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行的實時處理，構(gòu)成一種基于動態(tài)反饋-前饋的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自適應(yīng)控制系統(tǒng)最早在航空方面首先得到了應(yīng)用,隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和理論的不斷完善，自適應(yīng)控制技術(shù)的推廣應(yīng)用將不斷發(fā)展，這種控制技術(shù)不但用于各工業(yè)部門，例如在航海方面，在化工過程、鋼鐵和冶金工業(yè)方面，在電力拖動方面，近年來還推廣應(yīng)用于非工業(yè)部門，例如生物醫(yī)學(xué)部門，但就現(xiàn)有的關(guān)于應(yīng)用方面的報導(dǎo)來看，自適應(yīng)控制技術(shù)主要用于過程較慢的系統(tǒng)和特性變化速度不很快的對象。

一般來說，控制系統(tǒng)可分為反饋控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)。其中，反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進(jìn)行控制，通過比較被控系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能；前饋控制系統(tǒng)是利用輸入或擾動信號來進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響；然而從原理上講，反饋控制系統(tǒng)是滯后的,只有在被控系統(tǒng)受到擾動并產(chǎn)生偏差之后，才會進(jìn)行響應(yīng)和動作。從發(fā)現(xiàn)偏差到采取更正措施之間存在的時間延遲，決定了控制系統(tǒng)的帶寬，而對于帶寬外的偏差，不能進(jìn)行有效的補償。前饋控制系統(tǒng)是超前的，理論上其帶寬可以是無窮大，但在實際應(yīng)用中，一是導(dǎo)致偏差的擾動來源并不能完全獲得，二是擾動與偏差的對應(yīng)關(guān)系取決于被控系統(tǒng)狀態(tài)，并不是恒定不變的，這導(dǎo)致控制系統(tǒng)的精度相對較差；雖然專利號為200410036850.3,名稱為基于狀態(tài)的自適應(yīng)反饋/前饋pid控制器中公開了一種自適應(yīng)控制器，主是通過在控制器里設(shè)置誤差產(chǎn)生器，用以分析輸出數(shù)據(jù)，將誤差與參數(shù)值關(guān)聯(lián)，然后通過參數(shù)內(nèi)插件進(jìn)行相應(yīng)的自適應(yīng)，用以更新控制器數(shù)據(jù)，用以響應(yīng)自適應(yīng)周期結(jié)束時的自適應(yīng)參數(shù)，該控制方法顯得粗糙而復(fù)雜，而且實時自適應(yīng)精度不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了彌補現(xiàn)有技術(shù)中單獨的反饋控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)控制的局限性，本發(fā)明旨在提供一種將前饋與反饋結(jié)合起來的控制方法，尤指一種通過對前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行的實時處理，構(gòu)成動態(tài)反饋—前饋控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能夠自動及時的適應(yīng)外部擾動的影響，既發(fā)揮了前饋校正作用及時的優(yōu)點，又保持了反饋控制能克服多種擾動及對受控變量最終檢驗的長處，能適用于大動態(tài)范圍條件下實現(xiàn)自動過程控制的、有較大應(yīng)用前景的一種基于動態(tài)反饋-前饋的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于動態(tài)反饋-前饋的自適應(yīng)控制系統(tǒng),所述的控制系統(tǒng)主要包括反饋控制器和前饋控制器，其中反饋控制器可采用標(biāo)準(zhǔn)的pid控制器，所述的前饋控制器主要包括數(shù)據(jù)對齊模塊、數(shù)據(jù)迭代模塊、數(shù)據(jù)平均模塊和數(shù)據(jù)濾波抑制模塊。

所述的數(shù)據(jù)對齊模塊負(fù)責(zé)將每一個周期中反饋控制器和前饋控制器中的對應(yīng)控制數(shù)據(jù)以及迭代時的前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行一一對齊。

所述的數(shù)據(jù)迭代模塊是對前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代運算，對齊后的多個周期中相應(yīng)點的前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代運算，以獲得被控系統(tǒng)狀態(tài)變化趨勢。

所述的數(shù)據(jù)平均模塊負(fù)責(zé)將迭代后的前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行平均運算，使前饋數(shù)據(jù)的值更逼近系統(tǒng)所需，更有效的消除外部擾動，減少反饋控制的控制負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

所述的數(shù)據(jù)濾波抑制模塊是通過濾波網(wǎng)絡(luò)將輸入的前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，實現(xiàn)前饋數(shù)據(jù)在迭代過程中可能產(chǎn)生的振蕩和不穩(wěn)定性的抑制。

所述的數(shù)據(jù)對齊模塊根據(jù)被控系統(tǒng)運行狀態(tài),選取自適應(yīng)前饋控制器的采樣周期t以及與之相適應(yīng)的采樣頻率f，利用公式d=t×f得到數(shù)據(jù)存儲器的存儲深度。

所述的數(shù)據(jù)迭代模塊根據(jù)被控系統(tǒng)運行狀態(tài),選取存儲器數(shù)量，數(shù)據(jù)按照對齊的規(guī)則，不同周期順序存儲在對應(yīng)存儲器內(nèi)，每個周期內(nèi)數(shù)據(jù)順序存儲在對應(yīng)地址內(nèi)，存儲器空間循環(huán)使用，使用先進(jìn)先出的原則。

所述的數(shù)據(jù)平均模塊對存儲在不同存儲器中相同地址的數(shù)據(jù)，進(jìn)行算術(shù)平均，得到一組新的數(shù)據(jù)。

所述的數(shù)據(jù)濾波抑制模塊通過測量反饋控制器帶寬，確定濾波器截至頻率，并結(jié)合采樣頻率f，設(shè)計所需的數(shù)字低通濾波器。

所述的控制方法主要是通過對前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行的實時處理，構(gòu)成動態(tài)的反饋—前饋控制系統(tǒng)，利用反饋控制系統(tǒng)的輸出作為前饋控制系統(tǒng)的基本組成，將反饋控制時的控制信息作為前饋數(shù)據(jù)的輸入，經(jīng)過自適應(yīng)前饋控制方法的處理后,再作為前饋控制的輸入。

所述的自適應(yīng)前饋控制方法包括前饋控制器對模擬信號的采集及轉(zhuǎn)換，對數(shù)字信號的處理和對數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化及輸出順序三個步驟：

所述對模擬信號的采集及轉(zhuǎn)換，是根據(jù)被控系統(tǒng)運行狀態(tài)，選取自適應(yīng)前饋控制器的采樣周期以及與之相適應(yīng)的采樣頻率，即每個周期內(nèi)的采樣點數(shù)量，數(shù)據(jù)按照財通周期和周期內(nèi)的采樣點以數(shù)組的模式被順序儲存，采樣時間窗+fifo的模式，保留m個周期的數(shù)據(jù)，m+1周期的數(shù)據(jù)將被以先進(jìn)先出的原則最新周期的數(shù)據(jù)刷新掉，刷新以先進(jìn)先出為原則；

所述對數(shù)字信號的處理主要包括對數(shù)字信號的調(diào)制解調(diào)、數(shù)字旋轉(zhuǎn)算法和控制算法，其中控制算法由反饋控制器和前饋控制器共同完成，其中反饋控制器可采用標(biāo)準(zhǔn)的pid控制器，反饋控制器的輸入需要通過比較系統(tǒng)輸出與期望行為之間的偏差；前饋控制器主要利用數(shù)據(jù)對齊模塊、數(shù)據(jù)平均模塊、數(shù)據(jù)迭代模塊和數(shù)據(jù)濾波抑制模塊對采集到的數(shù)字信號進(jìn)行處理，首先利用公式對m個周期對應(yīng)采樣點的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以消除隨機(jī)誤差，以實現(xiàn)自適應(yīng)修正的功能；然后設(shè)計適合的低通濾波器，對平均后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，以確保長期迭代下整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

所述的對數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化及輸出是將按照采樣周期和采樣頻率經(jīng)過數(shù)字信號的處理的數(shù)據(jù)作為自適應(yīng)前饋控制器輸出。

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：本發(fā)明主要是通過對前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行的實時處理，構(gòu)成動態(tài)的反饋—前饋控制系統(tǒng)，利用反饋控制系統(tǒng)的輸出作為前饋控制系統(tǒng)的基本組成，將反饋控制時的控制信息作為前饋數(shù)據(jù)的輸入，經(jīng)過自適應(yīng)前饋控制方法的處理后,再作為前饋控制的輸入，反饋控制的輸入需要通過比較系統(tǒng)輸出與期望行為之間的偏差，系統(tǒng)在二者的共同作用下，消除內(nèi)部干擾和外部擾動，以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能，在控制系統(tǒng)中，外部擾動有時會非常激烈、頻繁并且是不可控制的，利用本自適應(yīng)前饋控制方法，不需要利用實驗儀器設(shè)備對干擾信號進(jìn)行測量，只需要利用反饋控制時的控制信息作為前饋數(shù)據(jù)，通過本發(fā)明對前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就能夠自動抑制外部擾動對系統(tǒng)的干擾，這種控制方法，既能對干擾進(jìn)行及時的粗調(diào)，大大減小系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，也能降低前饋控制模型的精度要求，提高控制品質(zhì)，使系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的邏輯連接示意圖。

圖2是本發(fā)明中前饋控制器工作原理示意圖。

圖3是本發(fā)明具體實施例的工作原理示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施方式：

如圖1-2所示，一種基于動態(tài)反饋-前饋的自適應(yīng)控制系統(tǒng),所述的控制系統(tǒng)主要包括反饋控制器和前饋控制器，其中反饋控制器通常可采用標(biāo)準(zhǔn)的pid控制器，也可根據(jù)實際情況選用其它種類反饋控制器，所述的前饋控制器主要設(shè)置有數(shù)據(jù)對齊模塊、數(shù)據(jù)迭代模塊、數(shù)據(jù)平均模塊和數(shù)據(jù)濾波抑制模塊。所述的數(shù)據(jù)對齊模塊負(fù)責(zé)將每一個周期中反饋控制器和前饋控制器中的對應(yīng)控制數(shù)據(jù)以及迭代時的前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行一一對齊。所述的數(shù)據(jù)迭代模塊是前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代運算，對齊后的多個周期中相應(yīng)點的前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代運算，以獲得被控系統(tǒng)狀態(tài)變化趨勢。所述的數(shù)據(jù)平均模塊負(fù)責(zé)將迭代后的前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行平均運算，使前饋數(shù)據(jù)的值更逼近系統(tǒng)所需，更有效的消除外部擾動，減少反饋控制的控制負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。所述的濾波抑制模塊是通過濾波網(wǎng)絡(luò)將輸入的前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，實現(xiàn)前饋數(shù)據(jù)在迭代過程中可能產(chǎn)生的振蕩和不穩(wěn)定性的抑制。

具體實施例：利用一種基于動態(tài)反饋-前饋的自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的方法，所述的控制方法主要是通過對前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行的實時處理，構(gòu)成動態(tài)的反饋—前饋控制系統(tǒng)，利用反饋控制系統(tǒng)的輸出作為前饋控制系統(tǒng)的基本組成，將反饋控制時的控制信息作為前饋數(shù)據(jù)的輸入，經(jīng)過自適應(yīng)前饋控制方法的處理后,再作為前饋控制的輸入。

如圖3所示，所述的自適應(yīng)前饋控制方法包括前饋控制器對模擬信號的采集及轉(zhuǎn)換，對數(shù)字信號的處理和對數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化及輸出順序三個步驟。

第一、對模擬信號的采集及轉(zhuǎn)換：所述對模擬信號的采集及轉(zhuǎn)換，是根據(jù)被控系統(tǒng)運行狀態(tài)，選取自適應(yīng)前饋控制器的采樣周期以及與之相適應(yīng)的采樣頻率，即每個周期內(nèi)的采樣點數(shù)量，數(shù)據(jù)按照財通周期和周期內(nèi)的采樣點以數(shù)組的模式被順序儲存，采樣時間窗+fifo的模式，保留m個周期的數(shù)據(jù)，m+1周期的數(shù)據(jù)將被以先進(jìn)先出的原則最新周期的數(shù)據(jù)刷新掉，刷新以先進(jìn)先出為原則。

第二、對數(shù)字信號的處理：所述對數(shù)字信號的處理主要包括對數(shù)字信號的調(diào)制解調(diào)、數(shù)字旋轉(zhuǎn)算法和控制算法，其中控制算法由反饋控制器和前饋控制器共同完成，其中反饋控制器一般可采用標(biāo)準(zhǔn)的pid控制器，也可根據(jù)實際情況選用其它種類反饋控制器，反饋控制器的輸入需要通過比較系統(tǒng)輸出與期望行為之間的偏差；前饋控制器主要利用數(shù)據(jù)對齊模塊、數(shù)據(jù)迭代模塊、數(shù)據(jù)平均模塊和數(shù)據(jù)濾波抑制模塊對采集到的數(shù)字信號進(jìn)行處理。

首先，數(shù)據(jù)對齊模塊根據(jù)被控系統(tǒng)運行狀態(tài),選取自適應(yīng)前饋控制器的采樣周期t以及與之相適應(yīng)的采樣頻率f，二者確定后,根據(jù)公式d=t×f則可以得到數(shù)據(jù)存儲器的存儲深度（地址位），本應(yīng)用存儲深度為2048。

然后，數(shù)據(jù)迭代模塊同樣根據(jù)被控系統(tǒng)運行狀態(tài),選取存儲器數(shù)量，本應(yīng)用存儲器數(shù)量為256，即可以存儲256個周期的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按照對齊的規(guī)則，不同周期順序存儲在對應(yīng)存儲器內(nèi)，每個周期內(nèi)數(shù)據(jù)順序存儲在對應(yīng)地址內(nèi)，存儲器空間循環(huán)使用，使用先進(jìn)先出的原則，以當(dāng)前應(yīng)用為例，若周期1、2...256分別存儲在ram1、2...256內(nèi)，則周期257將存儲在ram1內(nèi)，也就是說周期1的數(shù)據(jù)將被替換。

再然后，數(shù)據(jù)平均模塊對存儲在不同存儲器中相同地址的數(shù)據(jù)，進(jìn)行算術(shù)平均，得到一組新的數(shù)據(jù)，更具體的是利用公式對m個周期對應(yīng)采樣點的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以消除隨機(jī)誤差，以實現(xiàn)自適應(yīng)修正的功能；然后設(shè)計適合的低通濾波器，對平均后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，以確保長期迭代下整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在本實施例中，對于每個地址都有256個16bit數(shù)據(jù)，疊加可得到一個24bit數(shù)據(jù)，再進(jìn)行歸一化處理（即截去后8位），可得到該地址平均后的數(shù)據(jù)。

最后，濾波抑制模塊通過測量反饋控制器帶寬，確定濾波器截至頻率，并結(jié)合采樣頻率f，設(shè)計所需的數(shù)字低通濾波器。在本實施例中，綜合考慮數(shù)字算法穩(wěn)定性和資源消耗，選取了無限沖擊響應(yīng)數(shù)字低通濾波器。濾波后的數(shù)據(jù)還需根據(jù)濾波器的特性，進(jìn)行歸一化和延時處理，并最終與反饋控制器輸出合成最終的控制信號。

第三、對數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化及輸出：所述的對數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化及輸出是將按照采樣周期和采樣頻率經(jīng)過數(shù)字信號的處理的數(shù)據(jù)作為自適應(yīng)前饋控制器輸出。

在本發(fā)明中，利用反饋控制系統(tǒng)的輸出作為前饋控制系統(tǒng)的基本組成，其原因在于反饋控制系統(tǒng)的輸出實際上包含了對所有擾動的響應(yīng)，由偏差而產(chǎn)生的輸出變化表現(xiàn)了被控系統(tǒng)的實時狀態(tài)，以此技術(shù)為基礎(chǔ)，可有效的解決了前饋控制系統(tǒng)的一大局限，即如何獲得所有造成被控系統(tǒng)偏差的擾動，以及如何確定偏差與擾動之間的對應(yīng)關(guān)系，利用此技術(shù)，前饋控制系統(tǒng)不僅可以充分體現(xiàn)其在動態(tài)相應(yīng)特性上的優(yōu)勢，還可以適應(yīng)被控系統(tǒng)狀態(tài)的變化，達(dá)到更好的控制效果。

另外，在本發(fā)明中，前饋控制系統(tǒng)是根據(jù)被控系統(tǒng)狀態(tài)自動修正的，這引出了另一個關(guān)鍵技術(shù)，就是如何解決在此過程中的控制系統(tǒng)振蕩問題，在本發(fā)明中，經(jīng)過相關(guān)算法得到的前饋控制系統(tǒng)輸出最終將進(jìn)行低通濾波處理，并設(shè)定濾波器截至頻率小于反饋控制系統(tǒng)的帶寬，這樣做的目的是，如果在前饋控制系統(tǒng)自適應(yīng)修正的過程中產(chǎn)生振蕩，由于濾波器的限制，其振蕩的頻率一定是在反饋控制系統(tǒng)帶寬以內(nèi)，因此振蕩將會在反饋控制系統(tǒng)的作用下衰減下來。

綜上所述，本發(fā)明主要是通過對前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行的實時處理，構(gòu)成動態(tài)的反饋—前饋控制系統(tǒng)，利用反饋控制系統(tǒng)的輸出作為前饋控制系統(tǒng)的基本組成，將反饋控制時的控制信息作為前饋數(shù)據(jù)的輸入，經(jīng)過自適應(yīng)前饋控制方法的處理后,再作為前饋控制的輸入，反饋控制的輸入需要通過比較系統(tǒng)輸出與期望行為之間的偏差，系統(tǒng)在二者的共同作用下，消除內(nèi)部干擾和外部擾動，以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能，在控制系統(tǒng)中，外部擾動有時會非常激烈、頻繁并且是不可控制的，利用本自適應(yīng)前饋控制方法，不需要利用實驗儀器設(shè)備對干擾信號進(jìn)行測量，只需要利用反饋控制時的控制信息作為前饋數(shù)據(jù)，通過本發(fā)明對前饋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就能夠自動抑制外部擾動對系統(tǒng)的干擾，這種控制方法，既能對干擾進(jìn)行及時的粗調(diào)，大大減小系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，也能降低前饋控制模型的精度要求，提高控制品質(zhì)，使系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，本行業(yè)的技術(shù)人員，在本技術(shù)方案的啟迪下，可以做出一些變形與修改，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上的實施例所作的任何修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。