量化回授理论
量化回授理论(quantitative feedback theory,简称QFT)是控制理论中的理论,是由Isaac Horowitz所发展(Horowitz, 1963; Horowitz and Sidi, 1972)是利用尼柯尔斯图(NC)的频域技术,在受控体有特定程度不确定性的情形下,达成理想的强健设计。设计时会将想要的时域响应转换为频域的容许偏差,最后会反映在回路传递函数的限制条件上。此作法具有高透明性,可以让设计者看到为了想要的性能,在哪些方面需要做取舍。
受控体样版
一般而言,在知道系统的模型后,会将系统用其传递函数来描述(连续时间域下的拉普拉斯变换)。
传递函数的系数可能是实验的结果,其数值可能会有一定程度的不确定性。量化回授理论中,函数的每一个参数都会包括其可能范围的区间,因此,系统可以由一组的方程式来描述,不只是唯一的表示方式。
会针对有限个有代表性的频率进行频率分析,会用尼柯尔斯图得到一个“样板”,其中包括了开回路系统在每一个频率下的行为。
频率范围
控制系统的性能常会用稳定性的强健程度(增益裕度及相位裕度)、对输入及输出噪声扰动的隔绝能力、以及对命令的追踪特性来表示。在量化回授理论的方法论中,上述的要求会以频率限制条件的方式表示,也就是一些补偿后的系统回路(包括控制器及受控体)不能违背的条件。
配合这些考量,选择和模版选用频率相同集合的频率,可以计算出系统回路特性的频率限制,用尼柯尔斯图中的曲线来表示。
为了达到系统的需求,针对标定受控体 ,可以找到一组有关开回路传递函数 的条件。这表示标定回路的频率值不得比相同频率的限制值低,在高频率时回路不得跨越超高频率边界(Ultra High Frequency Boundary、UHFB),是在尼柯尔斯图中心的卵形图形。
回路整形
控制器设定是在尼柯尔斯图中进行,其中会考虑频率限制条件,以及系统的标定回路 。此时,设计者会导入控制器函数( )并且调适其参数,此一程序称为回路整形(Loop Shaping),直到找到了在不违背频率限制条件下,最理想的控制器为止。
在寻找控制器的过程中,设计者的经验是重要的因素,不只是和频率限制条件有关,也和可能的实现方式、复杂度以及品质有关。
在这个阶段,有不少的电脑辅助设计(CAD)软件可以简化控制器的调适。
前置滤波器设计
最后,在需要的情形下,量化回授理论会在系统前加上一个前置滤波器( )。若是追随问题,会在波德图上进行整形。之后会进行设计后的分析,确保系统响应满足问题的需求。
量化回授的方法论最早是针对单一输入单一输出(SISO)及线性非时变(LTI)系统设计,其设计程序如上。不过后来已扩展到弱非线性系统、时变系统、分布式参数系统、多重输入多重输出系统(MIMO)(Horowitz, 1991),敌离散系统(用Z转换作为转换函数)以及非最小相位系统。计算机辅助设计工具的发展在这方面非常的重要,可以简化及自动化设计的程序(Borghesani et al., 1994)。
传统上,会用波德图的增益资讯来设计前置滤波器。同时利用增益及相位资讯来设计前置滤波器的概念最早是在(Boje, 2003)针对SISO系统所产生的,后来在(Alavi et al., 2007)拓展到MIMO系统。
相关条目
- Horowitz, I., 1963, Synthesis of Feedback Systems, Academic Press, New York, 1963.
- Horowitz, I., and Sidi, M., 1972, “Synthesis of feedback systems with large plant ignorance for prescribed time-domain tolerances,” International Journal of Control, 16(2), pp. 287–309.
- Horowitz, I., 1991, “Survey of Quantitative Feedback Theory (QFT),” International Journal of Control, 53(2), pp. 255–291.
- Borghesani, C., Chait, Y., and Yaniv, O., 1994, Quantitative Feedback Theory Toolbox Users Guide, The Math Works Inc., Natick, MA.
- Zolotas, A. (2005, June 8). QFT - Quantitative Feedback Theory. Connexions.
- Boje, E. Pre-filter design for tracking error specifications in QFT, International Journal of Robust and Nonlinear Control, Vol. 13, pp. 637–642, 2003.
- Alavi, SMM., Khaki-Sedigh, A., Labibi, B. and Hayes, M.J., Improved multivariable quantitative feedback design for tracking error specifications, IET Control Theory & Applications, Vol. 1, No. 4, pp. 1046–1053, 2007.