控制系统、控制方法和装置与流程

1.本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种控制系统、控制方法和装置。


背景技术：

2.随着无人物流车技术的快速发展，无人物流车机在仓储运输等各类行业应用越来越广泛。目前，无人物流车通常利用是基于传统框架的pid(proportion integral differential，比例积分微分)控制算法进行控制。但这种控制方式无法在抑制外界干扰的同时，实现无人物流车对参考指令的跟随。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明实施例提供一种控制系统、控制方法和装置，能够在抑制外界干扰的同时，实现受控模块中目标设备对参考指令的跟随。
4.第一方面，本发明实施例提供了一种控制系统，包括：规划模块、前置模块、控制器、受控模块；
5.所述规划模块，输出参考指令；
6.所述前置模块，与所述规划模块相连，接收所述参考指令，并输出第一控制信号；
7.所述控制器，接收系统输出信号及所述第一控制信号，并输出第二控制信号，所述系统输出信号由所述受控模块的输出信号产生；
8.所述受控模块，接收所述第二控制信号，所述第二控制信号用于控制所述受控模块中的目标设备；
9.其中，所述控制器用于抑制所述控制系统的外界干扰信号，所述前置模块及所述控制器用于控制所述受控模块中的目标设备跟随所述参考指令。
10.可选地，所述外界干扰信号包括：第一干扰信号及第二干扰信号；
11.所述受控模块，接收所述第一干扰信号及所述第二控制信号，所述受控模块的输出信号与所述第二干扰信号混合，生成所述系统输出信号。
12.可选地，所述第一干扰信号及所述第二干扰信号均为高斯白噪声。
13.可选地，所述前置模块为一个低通滤波器模型。
14.第二方面，本发明实施例提供了一种控制方法，应用于上述的控制系统中，包括：
15.获取所述受控模块的控制信号及所述外界干扰信号；
16.根据所述受控模块的控制信号及所述外界干扰信号，确定所述控制器的控制参数。
17.可选地，所述外界干扰信号包括：第一干扰信号及第二干扰信号；所述受控模块，接收所述第一干扰信号及所述第二控制信号，所述受控模块的输出信号与所述第二干扰信号混合，生成所述系统输出信号；
18.所述根据所述受控模块的控制信号及所述外界干扰信号，确定所述控制器的控制参数，包括：
19.根据所述受控模块的控制信号、所述第一干扰信号及所述第二干扰信号，确定所述控制器的控制参数。
20.可选地，所述确定所述控制器的控制参数之后，还包括：
21.获取所述参考指令；
22.根据所述参考指令及所述控制器的控制参数，确定所述前置模块的控制参数。
23.第三方面，本发明实施例提供了一种控制装置，应用于上述的控制系统中，包括：
24.信号获取模块，用于获取所述受控模块的控制信号及所述外界干扰信号；
25.参数确定模块，用于根据所述受控模块的控制信号及所述外界干扰信号，确定所述控制器的控制参数。
26.第四方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：
27.一个或多个处理器；
28.存储装置，用于存储一个或多个程序，
29.当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述任一实施例所述的方法。
30.第五方面，本发明实施例提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述任一实施例所述的方法。
31.上述发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：在参考指令送入控制器前，设置一个前置模块，从而能够通过设计控制器来达到对外界干扰的控制效果，通过设计前置模块和控制器共同控制受控模块中的目标设备对于参考指令的跟随。本发明实施例的方案在抑制外界干扰的同时，能够实现受控模块中目标设备对参考指令的跟随。
32.上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
33.附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
34.图1是本发明一个实施例提供的一种控制系统的结构示意图；
35.图2是本发明一个实施例提供的另一种控制系统的结构示意图；
36.图3是本发明一个实施例提供的一种控制方法的流程示意图；
37.图4是本发明一个实施例提供的一种控制装置的结构示意图；
38.图5是适于用来实现本发明实施例的终端设备或服务器的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
39.以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
40.图1是本发明一个实施例提供的一种控制系统的结构示意图。如图1所示，其中c代表控制器，p代表受控模块，d0和d1代表外界的干扰信号，y_sp代表规划模块输出的参考指
令，y代表控制系统的系统输出信号。
41.图1所示的控制系统是一负反馈闭环控制系统，可以写出该系统的传递函数：
42.y＝d0 p[d1 c(y_sp-y)]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0043]
将此方程展开可以得到：
[0044]
y＝d0 pd1 pcy_sp-pcy
ꢀꢀꢀ
(2)
[0045]
进一步变换可以得到：
[0046][0047]
从式(3)中可以看出来，系统输出信号y由式(3)右边三个传递函数共同作用。式(3)右边第一个传递函数是第一干扰信号d0到系统输出信号y的传递函数，式(3)右边第二个传递函数是第二干扰信号d1到系统输出信号y的传递函数，式(3)右边第三个传递函是参考指令y_sp到系统输出信号y的传递函数。
[0048]
对于控制系统来说，需要设计控制器来抑制外界干扰，而且还要使受控模块跟踪参考指令y_sp。式(3)右边第一个传递函数和第二个传递函数是通过设计控制器来抑制外界干扰对系统输出信号y的影响。式(3)右边第三个传递函数是通过设计控制来使系统输出信号y能够紧密的跟踪参考指令y_sp。可以很明显的看出，图1的方案无法通过设计控制来使式(3)右边的三个传递函数都完成解耦，因为每一部分都有控制器的存在，且p是受控模块，无法更改p的值。所以仅仅通过设计控制器不可能在满足外界干扰的抑制同时，满足对参考指令的跟随。
[0049]
基于此，本发明实施例提供了一种控制系统，包括：规划模块、前置模块、控制器、受控模块；
[0050]
所述规划模块，输出参考指令；
[0051]
所述前置模块，与所述规划模块相连，接收所述参考指令，并输出第一控制信号；
[0052]
所述控制器，接收系统输出信号及所述第一控制信号，并输出第二控制信号，所述系统输出信号由所述受控模块的输出信号产生；
[0053]
所述受控模块，接收所述第二控制信号，所述第二控制信号用于控制所述受控模块中的目标设备；
[0054]
其中，所述控制器用于抑制所述控制系统的外界干扰信号，所述前置模块及所述控制器用于控制所述受控模块中的目标设备跟随所述参考指令。
[0055]
基于对目前框架的数据分析以及推导，本发明实施例提出了一种兼顾控制器对外界干扰的抑制以及参考指令的跟随的新方案。图2是本发明一个实施例提供的另一种控制系统的结构示意图。如图2所示，其中，f代表前置模块，c代表控制器，p代表受控模块，d0和d1代表外界的干扰信号，y_sp代表规划模块输出的参考指令，y代表控制系统的系统输出信号。根据图2写出类似上一部分推导的公式如下所示：
[0056]
y＝d0 p[d1 c(fy_sp-y)]
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0057]
y＝d0 pd1 pcfy_sp-pcy
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0058][0059]
通过在原有控制框架的更改，在参考指令送入控制器前，设计出一个适当的前置
模块，从而将上述等式(3)的传递函数更改成式(6)的形式。从式(6)中可以看出，式(6)右边第一个传递函数和第二个传递函数可以通过设计控制控制器c来达到对外界干扰最优的控制效果，式(6)右边第三个传递函数通过设计控制器c和前置模块f共同完成系统最优的对参考指令y_sp的跟踪，同时达到了系统对外界干扰的抑制以及对参考指令的跟随。
[0060]
由上述推导过程可知，本发明实施例提供的控制系统，在参考指令送入控制器前，设计出一个前置模块，从而能够通过设计控制器来达到对外界干扰的控制效果，通过设计前置模块和控制器共同完成受控模块中的目标设备对于参考指令的跟随。本发明实施例的方案在抑制外界干扰的同时，实现受控模块中目标设备对参考指令的跟随。
[0061]
在本发明的一个实施例中，所述外界干扰信号包括：第一干扰信号及第二干扰信号；所述受控模块，接收所述第一干扰信号及所述第二控制信号，所述受控模块的输出信号与所述第二干扰信号混合，生成所述系统输出信号。
[0062]
本发明实施例的方案是一个泛型框架，干扰信号、前置模块及控制器可以不做具体的规定，对系统的参考输入y_s等物理量也没有具体的规定。例如，第一干扰信号及第二干扰信号可以为高斯白噪声。前置模块可以为一个低通滤波器模型。控制器可以是pid控制，也可以是mpc(model predictive control，模型预测控制)，具体被控对象不同，其里面的数学演算不同。受控模块中的目标设备可以根据需求设置，目标设备可以为：无人机、运输车、消火栓泵等。
[0063]
本发明实施例提出的方案中，通过对参考指令进行合适的模型修改，从而改变系统传递函数的方法，实现了控制器不仅能够最优的对外界干扰进行抑制，同时也能对规划模块输出的参考指令进行最优的跟踪，二者不耦合。
[0064]
本发明实施例还提供了一种控制方法，可应用于上述的控制系统中。图3是本发明一个实施例提供的一种控制方法的流程示意图，如图3所示，该方法包括：
[0065]
步骤301：获取受控模块的控制信号及外界干扰信号。
[0066]
步骤302：根据受控模块的控制信号及外界干扰信号，确定控制器的控制参数。
[0067]
受控模块的控制信号可根据实际需求进行设定。受控系统的控制信号可以是电流信号，电压信号，数字信号，模拟信号等。外界干扰信号可以为任何类型的干扰信号，如随机高斯白噪声。
[0068]
受控模块中的目标设备可以根据需求设置，目标设备可以为：无人机、运输车、消火栓泵等。对系统的参考指令等物理量没有具体的规定。
[0069]
控制器可以不做具体的规定，对任何控制器都可以适用，控制器可以是pid控制，也可以是mpc控制，具体被控对象不同，其里面的数学演算不同。不同控制器的控制参数不同，控制器的控制参数为影响系统状态变量演化特征的一些物理参数，如周期长度、相位差、控制速度场演变的参数等。
[0070]
在本发明实施例中，在参考指令送入控制器前，设计出一个前置模块，从而能够通过设计控制器来达到对外界干扰的控制效果，通过设计前置模块和控制器共同完成受控模块中的目标设备对于参考指令的跟随。本发明实施例的方案在抑制外界干扰的同时，实现受控模块中目标设备对参考指令的跟随。
[0071]
外界干扰信号可包括：第一干扰信号及第二干扰信号。受控模块接收所述第一干扰信号及所述第二控制信号，所述受控模块的输出信号与所述第二干扰信号混合，生成所
述系统输出信号；所述根据所述受控模块的控制信号及所述外界干扰信号，确定所述控制器的控制参数，包括：根据所述受控模块的控制信号、所述第一干扰信号及所述第二干扰信号，确定所述控制器的控制参数。将外界干扰信号划分为第一干扰信号及第二干扰信号，以便通过控制器更好地抑制外界干扰。
[0072]
在本发明的一个实施例中，所述确定所述控制器的控制参数之后，还包括：获取所述参考指令；根据所述参考指令及所述控制器的控制参数，确定所述前置模块的控制参数。前置模块的作用为改变原有的系统传递函数。前置模块可以根据具体需求进行设定，如前置模块可以为一个低通滤波器模型。前置模块的控制参数为影响系统状态变量演化特征的一些物理参数，不同的前置模块对应于不同的控制参数。
[0073]
为使本发明实施例的方案更加便于理解，以下通过控制无人车行驶的方案进行讲解。如图1所示的控制系统中，目标设备为无人车。参考指令y_sp中包括：控制方向数据及控制速度数据。系统输出信号y包括：实际方向数据及实际速度数据。
[0074]
控制模型c可采用pid模型。受控模块中部署有无人车控制模型，用于控制无人车的行驶过程。式(6)中的p可以取无人车控制模型对应的方程组。无人车控制模型可根据具体需要进行选取，如运动学自行车模型、动力学自行车模型、驾驶员控制模型等。可先获取无人车当前的环境信息。环境信息可包括：该无人车周围的障碍物信息、该无人车该时刻的定位信息以及该驶过程对应的车道信息等。将环境信息输入至无人车控制模型中，以初始化无人车控制模型。初始化后的无人车驾驶模型在接收到参考指令之后，输出轮胎角度、加速度等控制参数，最终控制无人车辆行驶。
[0075]
d0和d1代表外界的干扰信号，在理想或简化环境中可将外界的干扰信号设置为0。在实际应用中，可以将d0和d1设置为高斯白噪声。也可建立噪声模型，获取地面摩擦系数、风力方向、风力强度、车辆行驶速度、车辆行驶角度等数值，将上述数值输入噪声模型中，通过模型的输出值来模拟或推测d0和d1。
[0076]
在无人车行驶过程中，需要不断调整各控制信号，以使系统输出信号y中的实际方向数据及实际速度数据接近于期望的方向数据及期望的速度数据。将期望的方向数据及期望的速度数据赋予给系统输出信号y，即可通过上述式(6)，得到对应的控制器c和前置模块f的对应值。具体地，通过设计控制控制器c来达到对外界干扰的控制效果，由上述式(6)可得到如下等式：
[0077][0078]
由上式(7)求得控制器c的对应值。再通过控制器c和前置模块f共同完成对参考指令y_sp的跟踪。由上述式(6)可得到如下等式：
[0079][0080]
由上式(8)可求得前置模块f的对应值，从而通过设置通过控制器c和前置模块f同时达到了系统对外界干扰的抑制以及对参考指令的跟随的效果。
[0081]
图4是本发明的一个实施例提供的一种控制装置的结构示意图，如图4所示，该装置包括：
[0082]
信号获取模块401，用于获取所述受控模块的控制信号及所述外界干扰信号；
[0083]
参数确定模块402，用于根据所述受控模块的控制信号及所述外界干扰信号，确定
所述控制器的控制参数。
[0084]
可选地，所述外界干扰信号包括：第一干扰信号及第二干扰信号；所述受控模块，接收所述第一干扰信号及所述第二控制信号，所述受控模块的输出信号与所述第二干扰信号混合，生成所述系统输出信号；
[0085]
参数确定模块402具体用于：
[0086]
根据所述受控模块的控制信号、所述第一干扰信号及所述第二干扰信号，确定所述控制器的控制参数。
[0087]
可选地，该装置还包括：
[0088]
第二确定模块403，用于获取所述参考指令；
[0089]
根据所述参考指令及所述控制器的控制参数，确定所述前置模块的控制参数。
[0090]
本发明实施例提供了一种电子设备，包括：
[0091]
一个或多个处理器；
[0092]
存储装置，用于存储一个或多个程序，
[0093]
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现上述任一实施例的方法。
[0094]
下面参考图5，其示出了适于用来实现本发明实施例的终端设备的计算机系统500的结构示意图。图5示出的终端设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0095]
如图5所示，计算机系统500包括中央处理单元(cpu)501，其可以根据存储在只读存储器(rom)502中的程序或者从存储部分508加载到随机访问存储器(ram)503中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram 503中，还存储有系统500操作所需的各种程序和数据。cpu 501、rom 502以及ram 503通过总线504彼此相连。输入/输出(i/o)接口505也连接至总线504。
[0096]
以下部件连接至i/o接口505：包括键盘、鼠标等的输入部分506；包括诸如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)等以及扬声器等的输出部分507；包括硬盘等的存储部分508；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分509。通信部分509经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器510也根据需要连接至i/o接口505。可拆卸介质511，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器510上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分508。
[0097]
特别地，根据本发明公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分509从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质511被安装。在该计算机程序被中央处理单元(cpu)501执行时，执行本发明的系统中限定的上述功能。
[0098]
需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便
携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
[0099]
附图中的流程图和框图，图示了根据本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0100]
描述于本发明实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：信号获取模块及参数确定模块。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定，例如，信号获取模块还可以被描述为“获取所述受控模块的控制信号及所述外界干扰信号的模块”。
[0101]
作为另一方面，本发明还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该设备执行时，使得该设备包括：
[0102]
获取受控模块的控制信号及所述外界干扰信号；
[0103]
根据所述受控模块的控制信号及所述外界干扰信号，确定所述控制器的控制参数。
[0104]
根据本发明实施例的技术方案，在参考指令送入控制器前，设计出一个前置模块，从而能够通过设计控制器来达到对外界干扰的控制效果，通过设计前置模块和控制器共同完成受控模块中的目标设备对于参考指令的跟随。本发明实施例的方案在抑制外界干扰的同时，实现受控模块中目标设备对参考指令的跟随。
[0105]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围
之内。