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控制系统设计的ExpertControl解决方案及应用案例

1. 控制系统设计的ExpertControl解决方案
        针对反馈控制器设计的难题,ExpertControl企业推出了三个核心工具来解决,分别是:
        ● ecICP---自动系统辨识及控制设计工具;
        ● ecCST---基于控制器切换技术的高级控制算法实现工具;
        ● ecSTMlib---激励信号生成工具。
        通过使用ecICP和ecCST,能很好地解决控制系统设计时遇到的各种问题:
 
控制设计难题 ExpertControl解决方法 ecICP ecCST
控制设计是困难的 使用ecICP自动地来设计控制器。所需要做的仅是设置希望的响应时间。  √  
控制设计是耗时的 ecICP在数秒内就能得到优化控制器  √  
通过考虑系统动态来设计控制器是困难的 测量数据包含了系统动态和实行器、传感器、对象的非线性影响。ecICP基于数据来计算动态模型并设计合适的控制器  √  
很难设计同时满足设定值响应和抗干扰性能的控制器 ecICP可同时根据设定值和抗干扰的响应来设计控制器  √  
对于具有时变、非线性、延迟特性的多变量系统设计状态控制器通常非常耗时、昂贵且复杂 使用ecICP和ecCST来设计状态控制器不需要花上比设计简单的P控制器更多的常识和时间  √  √
通常很难设计一个反馈控制器,能很好地控制在不同的工作点具有不同的动态特性的系统 运行ecICP,自动计算对于每个工作点的控制器;运行时,ecCST会自动地在这些单独的控制器中进行切换  √   √

经典的控制器结构(如PID)在下面这些情况下不能使用:

● 系统包含多个共振;

●使系统没有斜坡跟踪误差

ecICP可以计算得到控制器结构和参数,并已集成到ecCST中,如斜坡控制器、状态观测器、扫频信号跟踪控制器等等  √  √

        使用ExpertControl提供的反馈控制设计工具,结合仿真机(如dsPACE、A&D5435),便可方便、快速地实现控制系统控制器的开发及测试。

图1   ExpertControl控制设计流程
 
2. ExpertControl控制设计工具应用案例
        ●系统描述
        机械臂的简要结构如图2所示,系通过驱动力矩/力驱动一个旋转机构和一个平移机构,使得末端的钩爪在竖直平面内运动。系统由于受到重力的影响而呈现出非线性特性。旋转机构和平移机构上同时受到黏性摩擦力矩/力的作用。
 图2   机械臂构成示意图
 
        ●问题
        挑战是:设计控制器,使系统能在竖直平面内定位机械臂。系统具有径向位置和角位移这两个不同的设定值,同时包括若干个不同的工作模式。控制器必须可以移动机械臂到指定的位置或跟随希望的位置信号,并在不同的工作模式下平稳切换。
        ●解决方案
        为了得到控制器,使用了ecICP。分成如下几步:
            ♦  激励实验。给入呈阶梯变化的驱动力矩和驱动力;
            ♦  系统辨识。选择某段数据作为辨识数据;
            ♦  设计控制器。设定系统响应时间(0.5秒),选中额外的ecCST特性,如斜坡控制器、静态解耦控制器;
            ♦  将控制设计结果集成到ecCST中,并下载到目标平台上做实现。
        ●结果
        图3显示了闭环系统的控制结果(黑色线为径向位置设定曲线、红色线为角方向位置设计曲线)。径向和角方向的响应没有超调。对于径向位置设定值的斜坡变化,实际输出没有跟踪误差。同时,控制器的解耦效果也是非常明显的。整个系统辨识和控制设计过程短于一分钟。

图3  机械臂控制结果

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