带有未定型动力的系统所用的观测器校正器控制系统.pdf

系统(10)具有状态观测器(26)和校正器滤波器(18)，其中系统用于从动力系统(12)的输出信号中抽取信号分量。状态观测器用于跟踪动力系统输出信号中表示主要动力的信号分量，并提供表示动力系统输出信号中估算信号分量的估算信号。校正器滤波器用于补偿估算信号与表示输出信号中主要动力的实际信号分量之间的失配。估算信号与校正器滤波器输出信号的组合可提供一个合成信号，合成信号包括了表示输出信号中主要动力的信号分量。

1.  一种用于在动力系统的输出信号中抽取表示主要动力的信号分量的系统，它包括：
状态观测器，用于跟踪表示所述动力系统的输出信号中的主要动力的实际信号分量，并且提供表示估算信号分量的估算信号，所述估算信号分量表示所述动力系统的输出信号中的主要动力；以及
校正器滤波器，用于补偿所述估算信号与表示所述输出信号中主要动力的所述实际信号分量之间的失配；
其中所述估算信号与所述校正器滤波器的输出信号的组合可提供合成信号，所述合成信号包括表示所述输出信号中主要动力的所述信号分量。

2.  如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括所述动力系统的控制器，所述合成信号构成用作所述控制器的输入的反馈信号，其中减小或基本上消除了所述动力系统的所述输出信号中的未定型高阶动力的不稳定影响。

3.  如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统是机器的控制系统。

4.  如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述状态观测器用于接收表示所述控制器的输出信号的第一输入和表示所述动力系统输出信号的第二输入。

5.  如权利要求4所述的系统，其特征在于，表示所述动力系统输出信号的所述第二输入包括测量噪声信号分量。

6.  如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器的设计是基于未包括所述动力系统的高阶动力的所述动力系统模型。

7.  如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述动力系统是机械操纵器。

8.  如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述合成信号未包括表示所述动力系统输出信号中的高阶动力的信号分量。

9.  如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述状态观测器还用于跟踪表示所述动力系统的输出信号中的主要动力的所述实际信号分量，并且不对所述动力系统的输出信号的高频信号分量作出响应，所述高频信号分量对应于所述动力系统的高阶动力和所述动力系统输出信号的测量噪声信号分量。

10.  如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述状态观测器是带宽有限的状态观测器。

11.  如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述校正器滤波器还用于使与表示主要动力以及观测误差信号分量的实际信号分量相关的所有低频信号分量通过，而使与所述高阶动力和测量噪声信号分量相关的所有高频信号分量衰减。

12.  如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述校正器滤波器是线性低通滤波器。

13.  一种从动力系统的输出信号中抽取信号分量的方法，它包括以下步骤：
估算在所述动力系统输出信号中表示主要动力的信号分量；
补偿所述估算信号分量与表示所述动力系统输出信号中主要动力的实际信号分量之间的失配；
将所述估算信号分量与表示对所述估算信号分量与所述实际信号分量之间失配的补偿的信号进行组合，从而提供合成信号，所述合成信号包括表示所述输出信号中主要动力的信号分量。

14.  如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述抽取的信号分量是所述输出信号的主要信号分量。

15.  如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：将所述合成信号用作所述动力系统的控制器的反馈输入信号，其中减小或基本上消除了所述动力系统输出信号中的未定型高阶动力信号分量的不稳定影响。

16.  如权利要求15所述的方法，其特征在于，估算表示所述动力系统输出信号中主要动力的信号分量的所述步骤包括以下步骤：在排除所述动力系统输出信号中高阶信号分量和测量噪声信号分量的同时，跟踪表示所述动力系统输出信号中主要动力的所述实际信号分量。

17.  如权利要求15所述的方法，其特征在于，补偿所述估算信号分量与表示所述动力系统输出信号中主要动力的实际信号分量之间失配的所述步骤包括以下步骤：使表示所述动力系统输出信号中主要动力和观测误差的低频信号分量通过，同时使所述动力系统输出信号的高阶频率信号分量和测量噪声信号分量衰减。

18.  一种减小受控系统中的高阶动力影响的方法，它包括以下步骤：
跟踪表示所述受控系统输出信号中主要动力的实际信号分量；
提供表示估算分量的估算信号，所述估算分量表示所述受控系统的输出信号中的主要动力；
补偿所述估算信号与表示主要动力的所述实际信号分量之间的失配；
将所述估算信号与所述校正器滤波器的输出信号进行组合，从而形成合成反馈信号，所述合成反馈信号包括表示所述受控系统的所述输出信号中的主要动力的信号分量；以及
将所述合成反馈信号输入所述受控系统的控制器，其中减小或基本上消除了所述动力系统输出信号中的未定型高阶动力信号分量的不稳定影响。

19.  如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述受控系统是机械操纵器并且跟踪表示所述受控系统的输出信号中主要动力的实际信号分量的所述步骤包括在指定带宽内跟踪所述操纵器的刚体动力。

20.  如权利要求19所述的方法，其特征在于，将所述估算信号与所述校正器滤波器的输出信号进行组合而形成合成反馈信号的所述步骤包括以下步骤：将电动机的观测速度信号与校正滤波器的输出进行组合，从而产生干净的合成信号，所述合成信号与所述电动机的原始速度信号很接近，但是不含所述原始速度信号中具有的不需要的高频分量。

带有未定型动力的系统所用的观测器校正器控制系统
发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及控制系统，更具体地说，涉及用于降低受控制的现实系统中未定型动力的影响的系统和方法。
2.先有技术
现实的动力系统经常表现出共振特性，这与正常工作不需要也不想要的高阶动力相关。高阶影响强加在系统的主要动力上，这反而对获得所需功能是必要的。典型的例子是机械系统，诸如旋转机械、机床、机械操纵器和空间结构，它们常常表现出与机械部件的不可避免的弹性相关的多种共振情况。在许多实际情况下，较高阶动力难以识别以及保证从系统的理论模型中排除。
在应用反馈控制以改善动力系统的工作时，较高阶动力的存在会产生不需要的振荡，影响整体稳定性，并导致控制性能有限。鉴于高阶动力对动力系统输出的影响程度，可以识别以下两种控制应用类别：
在第一类别中，在给定工作条件下高阶动力的影响超出了系统输出中可接受的误差。典型的例子可在光机械操纵器和空间结构中找到，其中过多的构件和链节的偏转直接影响了定位精度。偏转可由外部激励或内部驱动导致，比如在机械操纵器的情况中执行命令的轨迹分布图。由于高阶动力的存在导致输出中不可接受的误差，因此需要选择并设计控制系统以考虑并抑制较高阶动力的影响。在此领域中的先有技术策略包括以下类别的控制方法：表示受控制的系统的高阶动力的状态变量的反馈；适用于开环和闭环实现的输入整形方法；机械系统的边界控制技术；以及机械系统的无源、半有源和有源振动衰减策略。
第二类别包括一些动力系统，其中，在受控制的输出上的高阶动力的影响保持在可接受的限度内，因此可以容许而不会牺牲所需的精度。然而，这种情况下，高阶动力可能降低整体稳定性并成为控制性能的限制因素。在正常工作所需的带宽接近受控系统的最低共振频率和/或没有足够的固有阻尼以防止不稳定性时，这些困难经常会出现。系统带宽定义为系统的输出以满意的方式跟踪输入正弦波所用的最大频率。按照惯例，对于具有非零DC增益的线性系统，带宽是输入的频率，在该频率，相对于DC增益，输出衰减为输入的0.707倍的因子(或下降3dB)。此类别中的典型示例应用包括工业机器人和精密机床。尽管粗糙的设计防止结构偏转超出所需精度，但用于这些应用的高性能伺服控制器要处理大量稍微衰减的共振条件。通常，以上所列的用于第一类别的控制方法可考虑作为可能的解决方案。然而，由于以下的一个或多个要求和复杂情况，这些方法的实际使用是有限的：受控系统的完整精确的模型是必需的，需要其它传感和/或驱动设置，计算和/或硬件复杂性不合需要地增加，或者对系统参数变化的敏感程度是不可接受的。由于高阶动力的存在不会影响输出精度超出可接受限度，因此，直接抑制高阶动力对系统输出的影响不是关键的。因此，诸如低通滤波器和带阻滤波器的实现等更简单的方法最好在实践中用于提高稳定性和增强控制性能。然而，由于低通滤波器一般会引入振幅失真和相位滞后不稳定，而带阻滤波器不适合共振条件在工作期间变动、由于经常性的磨损而改变、或因为生产不一致性而变化地应用，因此，这些方法的效果是有限的。
发明概述
在第一方面，本发明提出一种系统，它从动力系统的输出信号中抽取表示动力系统主要动力的信号分量。在一个实施例中，系统包括状态观测器和校正器滤波器。状态观测器用于跟踪动力系统的输出信号中表示主要动力的信号分量，并提供表示估算信号分量的估算信号，而该估算信号分量表示动力系统输出信号中的主要动力。校正器滤波器用于补偿估算信号与表示输出信号中主要动力的实际信号分量之间的失配。估算信号与校正器滤波器输出信号的组合可提供一个合成信号，合成信号包括了表示动力系统输出信号中主要动力的信号分量。
在另一方面，本发明提出一种方法，它从动力系统的输出信号中抽取表示动力系统主要动力的信号分量。在一个实施例中，该方法包括：估算表示动力系统输出信号中主要动力的信号分量；以及补偿估算信号分量与表示动力系统输出信号中主要动力的实际信号分量之间的失配。估算信号分量可以与表示估算信号分量与实际信号分量之间失配的补偿的信号进行组合，从而提供合成信号，合成信号包括了表示输出信号中主要动力的信号分量。
在又一方面，本发明提出一种减小受控系统中高阶动力的不稳定影响的方法。在一个实施例中，该方法包括：跟踪表示受控系统输出信号中主要动力的信号分量；以及提供表示估算分量的估算信号，该估算分量表示受控系统输出信号中的主要动力。通过组合估算信号与校正器滤波器输出信号而形成合成反馈信号，从而补偿估算信号与表示主要动力的实际信号分量之间的失配。合成反馈信号包括表示受控系统输出信号中主要动力的信号分量，并且被输入到受控系统的控制器，其中动力系统输出信号中的未定型高阶动力信号分量的不稳定影响会减小或基本上消除。
图形简述
以下描述将结合附图，说明本发明的上述方面和其它特征，其中：
图1是结合了本发明特征的系统的示意图；
图2是示范测试机械操纵器的示意图；
图3是图2的测试机械操纵器的顶视图；
图4是结合了本发明特征的观测器校正器控制系统的示范测试实现的框图；
图5a、5b和5c是图2和图3中所示的示范机械操纵器的测试移动的相应命令位置、速度和加速度分布图的图示；
图6a、6b和6c是图4中所示的示范实施例的电动机的测试移动的速度分布图的图示；
图7a、7b和7c是对照常规控制的、跟踪图4所示的测试实现的电动机误差的图示。
优选实施例的详细描述
参照图1，其中表示结合了本发明特征的系统10的示意图。虽然本发明将结合图中所示实施例来描述，但应理解，本发明可包括许多其它形式的实施例。此外，可以使用任何适当大小、形状或类型的元件或材料。
如图1所示，系统10一般包括状态观测器16和校正器滤波器18。如图1所示的系统10的组件的一般配置可用于从系统12的输出信号中抽取表示动力或受控系统12主要动力的信号分量，动力或受控系统12在本文中也称为设备12。术语“主要动力”在本文中使用时，表示那些对于实现系统所需功能性和正确操作必要的动力系统的动力特性，例如，在灵活的机械操纵器的情况下的刚体运动。在替代实施例中，系统10可包括此类其它适当组件，用以抽取表示动力系统12输出信号中主要动力的信号分量。如图1所示，本发明的一个实施例也可包括控制器14。本发明的一个特征是提供输入到控制器14的合成反馈信号y_s，合成反馈信号包括表示从设备12的输出信号中抽取的主要动力的信号分量，并且不包括设备12输出信号y的任何高阶动力分量。由于高阶动力未在反馈信号y_s中反映出来，因此，状态观测器16和校正器滤波器18的设置减小或基本上消除了诸如受控制的现实系统等动力系统中发现的未定型动力的影响。术语“未定型动力”在本文中使用时，表示“高阶动力”。术语“高阶动力”表示正常操作不需要且不想要的动力特性，一般可包括与诸如设备12等现实动力系统相关的共振特性。例如，此类现实动力系统的典型示例可包括旋转机器、机床、机械操纵器、空间结构以及表现出与机械部件弹性相关的共振条件的此类其它系统。在许多情况下，高阶动力难以识别和保证排除在设备12的理论模型以外。
如图1所示，术语“r”表示参考信号，“e”是控制误差，“u”表示控制动作，“d”是外部干扰，“n”代表测量噪声，“y”代表设备12的输出，“y_o”表示状态观测器16的输出，“y_c”是校正器滤波器18的输出，以及“y_s”是合成反馈信号。上述符号可表示或者标量或者矢量，随设备12的输入和输出数量而定。
通常，假定设备12不需要的共振条件(即高阶动力影响)出现在对于所需操作(即主要动力)必要的带宽以上的频率处。系统带宽在本文中使用时，定义为系统输出以满意的方式跟踪输入正弦波时所用的最大频率。按照惯例，对于具有非零DC增益的线性系统，带宽是输入的频率，在该频率上，相对于DC增益，输出衰减为输入的0.707倍(或下降3dB)。由于设备12不需要的共振条件(即高阶动力)出现在设备12所需操作(主要动力)必需的带宽以上的频率中，因此，主要动力和不需要的高阶动力影响可以在频域中分开。
通常，外部干扰“d”预计相对较缓慢，即与设备12的高阶动力相比，属于低频内容。测量噪声“n”假定为与主要动力带宽相比具有高频性质。这些假定对于典型控制应用通常是实际的。它们反映了这样的要求，即设备12的主要动力的带宽和要补偿的干扰“d”不能与测量噪声“n”的频率内容重叠以便使控制生效。
根据为设备动力提出的假定，外部干扰“d”和测量噪声“n”、设备12的输出“y”可以如下分解：
y(t)＝y_d(t)+y_h(t)    (公式1)
其中，y_d表示对应于主要动力的设备输出y的分量，y_h表示对应于高阶动力和噪声的设备输出y的分量。
如图1所示，状态观测器16通常用于在线估算与设备12的主要动力相关的状态和输出变量。通常，状态观测器用于跟踪动力系统输出信号中表示主要动力的信号分量，这里是指动力系统输出信号中表示主要动力的实际信号分量。通常，这种信号分量不能直接测量，并且需要借助于利用输出信号的可用测量结果的状态观测器进行估算。状态估算是基于设备12的主要动力的近似理论模型。通常，状态观测器16设计为有限带宽的，这样选择带宽，使得它良好地跟踪设备12的主要动力，但对与高阶动力和测量噪声“n”相关的高频输入不作出响应。在替代实施例中，状态观测器可设计为具有任何适当的带宽。设备12的估算输出的精度通常由于观测误差而受到限制，而观测误差一般是由建模非理想性引起的，并且同样是低频性的。状态观测器16的输出y_o可用以下形式表示：
y_o(t)＝y_d(t)+y_e(t)    (公式2)
其中，y_e表示状态观测器估算误差。
为了补偿状态观测器16的输出与设备12的实际主要动力之间的失配，校正器滤波器18可如图1所示结合于系统10中。通常，校正器滤波器18可以是线性低通滤波器，用于允许与主要动力和观测误差对应的低频分量通过，并使不需要的动力和测量噪声的高频分量衰减。在替代实施例中，除了包括低通滤波器外，校正器滤波器18可包括任何适用的信号滤波装置。如图1所示，计算的校正器滤波器18的输入是设备12的输出y与从状态观测器16获得的估算值y_o之间的差异。因此，到校正器滤波器18的输入信号可表示为：
y(t)-y_o(t)＝y_d(t)+y_h(t)-y_d(t)-y_e(t)＝y_h(t)-y_e(t)    (公式3)
由于校正器滤波器18是线性滤波器，因此图1的反馈部分、即从设备12和状态观测器16到控制器14的路径可根据拉普拉斯变换分析，而忽略设备12、状态观测器16和控制器14可能具有非线性特性的事实。使用此方法，校正器滤波器18的输出y_c可表示为：
y_c(s)＝G_c(s)[y_h(s)-y_e(s)]＝G_c(s)y_h(s)-G_c(s)y_e(s)  (公式4)
符号y_c(s)、y_h(s)和y_e(s)分别表示y_c(t)、y_h(t)和y_e(t)的拉普拉斯变换。G_c(s)表示校正器滤波器18的转移函数。由于滤波器18设计为使对应于高阶动力和噪声的不需要的频率分量衰减，y_h实际上从信号中消除了，即G_c(s)y_h(s)≈0。相反，具有低频性质的状态观测器估算误差y_e通过了。理论上，G_c(s)y_e(s)≈y_e(s)。将这些观测应用到公式(4)，校正器滤波器18的输出大致简化为状态观测器估算误差的负数：
y_c(s)≈-y_e(s)或y_c(t)≈-y_e(t)    (公式5)
最后，从状态观测器16获得的设备12的估算输出与校正器滤波器18的输出组合以合成替代反馈信号：
y_s(t)＝y_o(t)+y_c(t)    (公式6)
反馈信号y_s的内容可通过将公式(2)和(5)代入公式(6)中获得：
y_s(t)＝y_d(t)+y_e(t)+y_c(t)≈y_d(t)+y_e(t)-y_e(t)＝y_d(t)  (公式7)
公式7表示观测器校正器设置的作用是从设备12的输出中抽取表示设备12主要动力的分量。
通常，控制器14包括为不具有高阶动力的虚拟系统设计的常规控制器。在替代实施例中，控制器14可包括用于控制动力系统的任何适当的控制装置。如图1所示，控制器14可用于接收反馈信号y_s作为输入，并将控制信号应用到设备12。通常，控制器14根据设备12的不完整模型设计和操作。术语“不完整模型”在本文中使用时，表示反映设备12的主要动力并忽略或丢弃所有高阶动力影响的设备12的模型。例如，对于具有灵活链节的机器人，模型将链节视为刚体(主要动力)，并忽略由于其灵活性(高阶动力)而产生的链节偏转。本发明的一个特征是引入替代反馈信号y_s，合成该信号是为了反映受控系统或设备12的输出y中的主要动力分量。如图1所示的状态观测器16和校正器滤波器18的设置可用于此目的。在替代实施例中，状态观测器16和校正器滤波器18可以任何适当的方式设置、以便抽取信号的主要动力分量。对于图1所示的实施例，反馈信号y_s用作到控制器14的输入，有效地减轻或基本上消除了设备12的未定型动力的不稳定影响。
通常，状态观测器16和校正器滤波器18以互补方式工作。通过考虑以下情况可说明其各自的作用：
正确的观测器输出：如果从状态观测器16获得的估算输出与设备12的主要动力完全匹配，y_o＝y_d，则公式(3)中校正器滤波器18的输入会缩化为高频分量y_h。这些分量由于其低通特性而在滤波器18中衰减，使得y_c≈0。根据公式(6)，合成反馈信号随后变成与状态观测器16的输出一致；y_s＝y_o。也就是说，如果从状态观测器16获得的估算输出是正确的，即没有观测误差，则观测器校正器设置表现得如同单独的状态观测器16。然而，由于固有的建模非理想性，观测误差是无法避免的。
零观测器输出：相反，如果状态观测器16不工作，y_o＝0，则设备12的全部输出被引向并通过校正器滤波器18。根据公式(6)，校正器滤波器18成为反馈信号的唯一提供者，y_s＝y_c。在这种情况下，观测器校正器设置用作简单的低通滤波器，包括振幅失真和使相位滞后不稳定的负面影响。
常规操作：通常，在常规操作条件下，状态观测器16和校正器滤波器18彼此互补。由于存在状态观测器16，最少部分的反馈信号受到由低通滤波导致的不需要的畸变。另一方面，校正器滤波器18对与设备12主要动力的观测相关的不可避免的误差进行补偿。
通常，所得的合成反馈信号y可视为虚拟设备的输出，它假定实际系统的主要动力，但未呈现不想要的高阶动力影响。例如，考虑具有灵活链节的机械操纵器，合成反馈信号可与具有相同连接角和未变形链节的虚拟刚性操纵器相关联。因此，在实际设计控制器14时可不将高阶动力影响考虑在内，从而可使用常规控制技术，并且与完整的动力分析相比，可转换成降低的建模要求、简化的控制器设计以及更短的开发时间。与常规低通滤波相比，由于降低了反馈信号的幅度和相位畸变，因而可实现改善的稳定裕量和更好的控制性能。
例如，在图2所示的示范实施例中，设备12可包括光线四轴机械操纵器100，用于半导体制造应用中的自动拾/放操作。机械操纵器100是围绕悬挂于圆型安装法兰102上的开放圆柱框架101建立的。框架101装有两条带有线性轴承104的垂直导轨103，以便引导经滚珠丝杠机件107由无刷DC电动机106驱动的托架105。为简便起见，只表示出一条导轨103。托架105容纳一对同轴无刷DC电动机108和109，电动机配有光学编码器110和111。上部电动机108驱动连接到机械手的第一链节114的空心外轴112。下部电动机109连接到同轴的内轴113，而内轴经电缆驱动器115接到第二链节116。另一电缆配置117是用于无论前两个链节114和116的位置如何、都要维持第三链节118的径向取向。这是由于装入第一链节114的滑轮B与连接到第三链节118的滑轮C之间的1∶2比率而实现的。第三链节118带有无刷DC电动机119，该电动机用于旋转末端执行器120。诸如半导体衬底的有效负荷121通过真空抓手保持贴附于末端执行器120。然而，本发明的特征可用于机器人上的任何适当的机械手。考虑在给定水平面中包括链节114、116和118的机械手130的位置，如图3所示，末端执行器120的位置被定义在使用径向伸长R和角度取向T的极坐标系统中。
框架101最好设计为具有相对较小的直径和较高的高度，以便符合严格的空间限制和容纳所需的垂直冲程。此设计约束使所涉及组件的刚度降低，特别是机械式框架101、线性轴承104和驱动轴112、113。同样地，链节114、116和118是细长形且重量轻，以便实现小型轮廓、高速性能和低功率要求。链节壳、接合轴承和电缆驱动器115、117因此表示其它的结构弹性源。这样，图2所示的机械操纵器100的刚体动力由多个位置相关的轻度衰减的振动模式(共振条件)实现，这些模式干扰为刚性操纵器开发的传统控制技术。
在一个实施例中，干扰图2所示示范机械操纵器100的控制的基本尺寸和最低固有频率可概括如下：