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1、自动化的pid控制器设计的制作方法专利名称：自动化的pid控制器设计的制作方法自动化的PID控制器设计本申请根据美国法典第35条119款要求于2009年6月5日提交的临时专利申请No. 61/184, 615的优先权，通过引用将该临时专利申请的内容以其整体并入。背景技术：建模应用可以使用户在自由形状环境中创建系统模型，所述自由形状环境不将用户限制于创建特定阶的模型(例如一阶系统模型或具有时间延迟的一阶系统模型)。相反地，自由形状环境可以使用户创建几乎任何阶和/或类型的系统模型。用户可能常常觉得这些自由形状模型难以操作。 例如，用户可能觉得难以为在自由形状环境中开发的系统模型设计控制器。控制器设
2、计可能是困难的，这是因为用户可能必须就特定参数而言来指定控制器，而这些特定参数可能是非直观的。假设用户希望实现用于在自由形状环境中开发的系统模型的比例积分微分(PID)控制器。用户心里可能想到控制器的期望特性，诸如相位裕度或闭环响应速度。常规的应用可能需要用户将这些期望的控制器特性与被用于设计控制器的P、I和D增益的特定值相关联。将期望特性与P、I和D的值相关联可能证明对于用户是困难的，因为P、I和D的增益与期望特性(例如相位裕度或闭环响应速度)的关联是复杂的、非线性的，并且对于自由形状建模应用的一般用户是非直观的。这些困难可能导致用户诉诸于对P、I和D的值的反复试错猜测，希望他/她最终设计出
3、实现对于反馈系统(即控制器与系统的组合)的可接受或期望的响应的控制器。自由形状建模环境的用户在为自由形状模型设计控制器时所面临的困难可能阻碍用户利用自由形状环境来设计某些类型的控制器，诸如复控制器。并入本说明书并且构成其一部分的附图示出了本发明的一个或多个实施例，并且连同描述一起说明了本发明。在附图中图I示出了用于实践本发明的实施例的示例性系统；图2示出了用于实践本发明的实施例的示例性功能图；图3示出了模型的示例性表示；图4示出了用于使非线性模型线性化的示例性逼近技术；图5不出了能够包括与本发明的原理相一致的控制器的模型的一般表不;图6示出了能够与用于设计控制器的技术一起被使用的示例性增益样板
4、(template)；图7示出了用于选择PID控制器的示例性用户界面；图8示出了用于调谐PID控制器的响应的示例性用户界面；图9A和图9B示出了用于调谐PID控制器的响应的示例性用户界面；图IOA和图IOB示出了能够被用于实现本发明的实施例的示例性处理；图11示出了用于实现本发明的实施例的示例性架构；以及图12示出了用于在自由形状模型中交互地设计和实现控制器的示例性分布式实施例。具体实施例方式下面对与本发明的原理相一致的实现的详细描述参照附图进行。不同图中的相同参考标号可以标识相同或相似的单元。另外，下面的详细描述不限制本发明。相反地，本发明的范围由所附权利要求及其等同内容限定。 示例性实施例
5、包括用于调谐比例积分(PI)和比例积分微分(PID)控制器的方法、计算机可读介质以及设备。这些实施例允许用户利用一般用户所熟悉的调谐参数来指定控制器性能规范，所述调谐参数诸如为(但不限于)闭环响应速度、闭环带宽、相位裕度等。这些性能规范不同于被用于控制器的调谐参数，诸如P、I和D增益。允许用户利用性能规范来设计控制器能够便于用户与控制器设计应用之间的直观交互，所述控制器设计应用诸如为控制器工具箱，其与自由形状建模环境一起操作。本发明的实施例允许用户在不必须手动确定和/或调谐控制器的P、I和D增益的情况下设计控制器。例如，实现可以根据开环频率响应操作并且能够与系统的单输入单输出(SISO)环路表
6、示一起工作。其他实施例能够在系统一次一个环路地按顺序被处理时与多输入多输出(MIMO)系统一起工作。所述实施例能够在对受控体的阶没有限制或在受控体中不存在时间延迟的情况下工作。例如，用户可以设计出这样的PID控制器其实现诸如期望带宽和/或相位裕度的性能目标，而同时满足用户所限定的稳健性指标(例如过冲、增益裕度等)。用户可以通过指定像闭环带宽和相位裕度这样的参数来实现所述目标。相比之下，常规的方法可能需要用户一直试验P、I和D的值，直至用户最终获得令人满意的性倉泛。另一实施例可以向用户提供包括输入机构(例如滑块)的图形用户界面(GUI)，所述输入机构允许用户在控制器执行时改变相位裕度、闭环带宽和
7、/或响应速度。所述实施例可以在用户操纵输入机构时显示响应曲线，例如幅值相对时间的曲线，从而支持交互式控制器设计。实施例也能够支持代码生成，由此能够生成用于控制器的可执行代码。例如，用户可以限定用于在汽车中所使用的燃料喷射系统的PID控制器。用户可以生成实现控制器的代码，例如C+代码，并且可以将所述代码传送到将在汽车中实现控制器(例如汽车中的嵌入式控制器)的处理设备。示例性系统图I不出了用于实践实施例的不例性系统100。系统100可以被用于构建包括一个或多个实体的模型、设计和实现用于该模型的PID控制器和/或生成用于该控制器的代码。系统100可以包括计算机105、获取逻辑110、操作系统115、
8、建模环境120、模型130、输入设备140、显示设备150、模型表示160以及受控体170。图I中的系统是示意性的，并且系统100的其他实施例能够包括更少的设备、更多的设备和/或采用与图I的配置不同的配置的设备。计算机105可以包括执行处理操作、显示操作、通信操作等的设备。例如，计算机105可以包括能够被用于执行和/或支持代表用户的处理活动的逻辑，诸如一个或多个处理或存储设备。计算机105的实施例可以包括台式计算机、膝上型计算机、客户端、服务器、大型机、个人数字助理(PDA)、可以上网的蜂窝电话、智能手机、智能传感器/致动器，或者执行指令以执行一个或多个活动和/或生成一个或多个结果的另一计算或
9、通信设备。计算机105还可以通过向另一设备(未在图I中示出)发送数据或从该另一设备接收数据来执行通信操作。数据可以指的是具有可以适于供在一个或多个网络中使用和/或供一个或多个设备使用的大体上任何格式的任何类型的机器可读信息。数据可以包括数字信息或模拟信息。数据还可以是分组的 和/或非分组的。获取逻辑110可以从计算机105外部的设备获取数据，并且可以使数据对计算机105可用。例如，获取逻辑110可以包括被用于使数据对计算机105可用的模拟到数字转换器、数字到模拟转换器、滤波器、多路复用器等。计算机105可以使用所获取的数据来执行建模操作、PID控制器设计活动等。操作系统115可以管理与计算机1
10、05相关联的硬件和/或软件资源。例如，操作系统115可以管理与接收用户输入、操作计算环境105、分配内存、按优先顺序对系统请求进行排列等相关联的任务。在一实施例中，操作系统115可以是虚拟操作系统。操作系统115 的实施例可以包括 Linux、Mac OS、Microsoft Windows、Solaris、UNIX 等。操作系统115还可以在能够由计算机105提供的虚拟机上运行。建模环境120可以提供计算环境，该计算环境允许用户执行与学科有关的仿真或建模任务，所述学科诸如为(但不限于)数学、自然科学、工程学、医学、商学等。建模环境120可以支持一个或多个执行指令以允许用户构建具有可执行语义的
11、模型的应用。例如，在一实施例中，建模环境120可以允许用户创建具有可执行语义的自由形状模型(例如一阶模型、二阶模型、三阶模型、四阶模型、五阶模型等)。建模环境120还可以支持基于时间、基于事件等的建模活动。模型130可以包括用于文本模型或图形模型的信息。例如，模型140可以包括用于文本模型或图形模型的信息，所述模型可能是基于时间的模型、基于事件的模型、状态转换模型、数据流模型、部件图、实体流图、基于方程的语言图等。模型130的图形实施例可以包括表示用于执行操作的可执行代码的实体(例如块、图标等)。所述实体的代码可以被执行以利用模型来执行仿真。可以利用在模型中表示用于将数据从一个实体传送到另一实
12、体的路径的线将实体连接在一起。输入设备140可以接收用户输入。例如,输入设备140可以将用户运动或动作转变成能够由计算机105解释的信号或消息。输入设备140可以包括但不限于键盘、指示设备、生物计量设备、加速度计、麦克风、摄像机、触觉设备等。显示设备150可以向用户显示信息。显示设备150可以包括阴极射线管(CRT)、等离子显示设备、发光二极管(LED)显示设备、液晶显示(IXD)设备等。显示设备150的实施例可以被配置为在需要时接收用户输入(例如经由触敏屏幕)。在一实施例中，显示设备150能够向用户显示一个或多个图形用户界面(I)。I可以包括模型140和/或其他类型的信息。模型表示160可以
13、包括由模型130提供的视觉表示。例如，模型表示160可以被显示给用户并且可以包括由线连接的多个实体。当模型130被执行时，模型表示160可以改变为示出例如通过模型的数据流。受控体170可以包括向计算机105提供数据的一个或多个设备。例如，受控体170可以包括引擎系统，利用诸如加速度计、热电耦、光电收发器、应变仪等的传感器来监控所述引擎系统。在一实施例中，获取逻辑110可以接收来自受控体170的、采用模拟或数字形式的信号，并且可以将所述信号转变成适于在计算机105中使用的形式。示例性建模环境图2示出了建模环境120的示例性实施例。建模环境120可以包括仿真工具210、实体库220、接口逻辑230
14、、编译器240、控制器逻辑250、优化器260、仿真引擎270、报告引擎280以及代码生成器290。图2所示的建模环境120的实施例是示意性的，并且建模环境120的其他实施例可以包括更多的实体或更少的实体而不背离本发明的精神。仿真工具210可以是用于构建模型的应用。仿真工具210可以被用于构建具有可执行语义的文本模型或图形模型。在图形模型的情况下，仿真工具210可以允许用户创建、修改、诊断、删除模型实体和/或连接，等等。仿真工具210可以与图I或图2所示的其他实体进行交互以接收用户输入，执行模型，显示结果，生成代码等。实体库220可以包括代码模块或实体(例如块/图标)，用户能够将代码模块或实体
15、拖放到包括模型表示160的显示窗口中。在图形模型的情况下，用户还可以利用连接来耦合实体以产生诸如受控体170的系统的图形模型。接口逻辑230可以允许建模环境120向设备(例如目标环境)或软件模块(例如应用程序接口)发送数据和/或信息或者从该设备或软件模块接收数据和/或信息。在一实施例中，接口逻辑230可以使获取逻辑110与建模环境120连系。编译器240可以将模型编译成可执行的格式。由编译器240产生的编译代码可以在计算机105上被执行以产生建模结果。在一实施例中，编译器240也可为诊断与模型相关联的错误提供调试能力。控制器逻辑250可以被用于创建和实现模型130中的控制器。例如，控制器逻辑2
16、50可以为表示模型表示160中的控制器类型的实体提供功能。当模型执行时，控制器逻辑250可以通过与模型表示160中的实体进行交互而对模型执行控制操作。在一实施例中，控制器逻辑250可以包括在模型表示160中实现控制器(例如PID控制器)的控制算法。控制器逻辑250的实施例可以被配置为在独立的或分布式的实现中操作。优化器260可以为模型优化代码。例如，优化器260可以优化代码以与在代码没有被优化的情况下执行代码相比使代码占据更少内存，使代码更高效地执行，使代码更快地执行，等等。优化器260也可以为控制器逻辑250执行优化，例如优化控制器的参数。在一实施例中，优化器260可以与编译器240、控制器逻辑250、代码生成器290等一起操作，或者可以被集成到其中。仿真引擎270可以执行用于执行模型以对系统进行仿真的操作。仿真引擎270可以被配置为基于用户偏好或系统偏好执行独立的或远程的仿真。报告引擎280可以基于建模环境120中的信息产生报告。例如，报告引擎280可以产生指示PID控制器是否满足设计规范的报告、指示控制器是否以稳定的方式操作的报告、指示模
