基于降低扰动带宽的摩擦力补偿及实现的方法及运动平台技术

本发明专利技术提出了一种基于降低扰动带宽的摩擦力补偿自抗扰控制方法。为降低自抗扰控制器在运动平台速度过零点的扰动带宽，提出了一种降低系统刚度的设计，将弹性回复力ks减小，从而将摩擦力死区运动灵敏度低而难于消除的扰动，转化有限刚度弹性变形的扰动；本发明专利技术还给了刚柔耦合平台惯性分配指导，尽量降低附加惯性，使得核心平台惯性占主导，摩擦死区的控制规律近似为刚体运动规律；在运动过程，则将原来摩擦力为主要扰动，变成摩擦力与弹性变形的复合扰动，从而降低总扰动的带宽，有利于自抗扰控制器的总扰动消除。

Friction compensation and realization method and motion platform based on reducing disturbance bandwidth

The invention proposes a friction compensation auto disturbance rejection control method based on reducing disturbance bandwidth. In order to reduce the disturbance bandwidth of the auto disturbance rejection controller at the velocity zero point of the motion platform, a design to reduce the stiffness of the system is proposed. The elastic recovery force KS is reduced, so the friction force dead zone motion sensitivity is low and the disturbance is difficult to eliminate, and the elastic deformation of the finite stiffness is transformed. The invention also gives the inertia and flexible coupling platform to the inertial platform. With the guidance of sexual distribution, the inertia is reduced as much as possible, and the inertia of the core platform is dominated. The control law of the dead zone of the friction is approximately the rigid body motion law. In the process of motion, the original friction force is the main disturbance, which turns into a compound disturbance of friction force and elastic deformation, thus reducing the bandwidth of the total disturbance and is beneficial to the disturbance rejection control. The total disturbance of the system is eliminated.

【技术实现步骤摘要】
基于降低扰动带宽的摩擦力补偿及实现的方法及运动平台
本专利技术涉及高速精密运动控制领域的
，更具体地，涉及一基于降低自抗扰控制器扰动带宽摩擦力补偿及实现的方法。
技术介绍
在高速精密运动控制领域，基于机械导轨的运动平台存在摩擦死区，精度只能达到微米级。在更高精度要求的场合，工业上需要采用气浮、磁悬浮和静压导轨等方式来降低甚至消除摩擦的影响，成本高，使用环境要求高，不适应用与量大面广的电子制造场合。然而，电子制造业得摩尔定律(当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍)对封装装备精度和速度都提出了苛刻的要求。传统的摩擦力补偿方案和控制方法难于以满足日益增长的高速精密运动控制的要求。科技人员都在努力寻求能够克服摩擦的控制方案，自抗扰控制算法是其中一种有效的方法，把模型误差和外界扰动统一考虑，实现了对摩擦力等扰动信息很好的抑制。在精度为微米级时，不用考虑摩擦死区补偿也能够快速准确地消除误差。然而在纳米(<0.1um)级时，在速度过零点存在动态误差。主要原因为在摩擦死区，虽然运动平台没有克服静摩擦产生刚体运动，但是驱动力的施加，运动平台产生微小的弹性变形，控制规律为a＝(f-ks-cv)/m,与整体运动的估计a＝f/M相比，弹性变形恢复力、阻尼力和附件惯性都成为扰动项，然而由于运动平台普遍刚性设计，刚度太大，造成自抗扰控制器的扩展观测器的预测模型精度变差而无法对扰动进行有效地消除。韩京清先生1989年的《控制理论:模型论还是控制论》一文提出了线性化和带宽概念，线性化和带宽概念的引入给理论研究提供了全新的视角,同时降低了研究的难度。但是在工业上，带宽就是成本。高带宽虽然能使跟踪速度提高，但也带来很多问题：1)对执行机构的品质要求提高；2)激励了对象的高频动态使控制问题复杂化；3)闭环系统的稳定裕度下降，对相位滞后和时间延迟更敏感；4)对传感器噪声更敏。
技术实现思路
本专利技术为降低自抗扰控制器在运动平台速度过零点的扰动带宽，提出了一种降低系统刚度的设计，将弹性回复力ks减小，从而将摩擦力死区变形困难而难于消除的扰动，转化有限刚度弹性变形的扰动；在运动过程，则将原来摩擦力为主要扰动，变成摩擦力与弹性变形的复合扰动，从而降低总扰动的带宽，有利于自抗扰控制器的总扰动消除。本专利技术采用的技术方案是如下。一种基于降低自抗扰控制器扰动带宽摩擦力补偿及实现的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1.将运动平台的刚性平台设置为刚柔耦合平台；所述运动平台包括：机座、直线导轨、刚柔耦合运动平台，所述刚柔耦合平台包括：刚性框架、柔性铰链和核心运动平台；其中，所述核心运动平台通过所述柔性铰链与所述刚性框架连接；S2.构建执行器和位移检测闭环系统，输入刚柔耦合运动平台的总惯性M，导轨支撑下的所述刚柔耦合运动平台弹性振动响应的等效刚度k、质量m和阻尼c，所述刚柔耦合运动平台的位移、速度、加速度分别用s,v,a表示,惯性影响系数用α表示，驱动力用f表示；建立自抗扰控制算法，设置扩展观测器的预测模型为a＝f/[m+α(M-m)]；注重过程响应时，α取值为1；注重末端响应时，α取值为0；要兼顾两者时，α取值介于0-1之间；其中，在刚体运动时，α＝1，控制模型为a＝f/[m+α(M-m)]，扰动为摩擦力；在摩擦死区时，平台产生弹性振动，此时控制模型应该为平台的刚度的弹性振动响应：ma+cv+ks＝f，令α＝0，控制模型为a＝f/m，扰动为弹性变形回复力ks阻尼力cv。进一步，将所述平台的弹性刚度降低，从而降低弹性回恢复力ks，柔性铰链制作为低阻尼的金属材料，因此cv也可以视为扰动控制模型近似a＝f/m。进一步，所述框架采用轻质材料制作，核心平台的质量m占主要成分，m约等于M，因此摩擦死区的近似模型a＝f/M，近似于刚体运动时的运动规律。进一步，所述刚柔耦合平台的所述核心运动平台位于所述刚性框架的上部，所述核心运动平台和所述刚性框架通过所述柔性铰链连接。进一步，所述刚柔耦合平台的所述核心运动平台与所述刚性框架之间的所述柔性铰链为对称布置。一种运动平台，其特征在于，所述运动平台包括：机座、直线导轨、刚柔耦合运动平台，所述刚柔耦合平台包括：刚性框架、柔性铰链和核心运动平台；其中，所述核心运动平台通过所述柔性铰链与所述刚性框架连接；所述刚柔耦合平台采用以下控制方法：构建执行器和位移检测闭环系统，输入刚柔耦合运动平台的总惯性M，导轨支撑下的所述刚柔耦合运动平台弹性振动响应的等效刚度k、质量m和阻尼c，所述刚柔耦合运动平台的位移、速度、加速度分别用s,v,a表示,惯性影响系数用α表示，驱动力用f表示；建立自抗扰控制算法，设置扩展观测器的预测模型为a＝f/[m+α(M-m)]；注重过程响应时，α取值为1；注重末端响应时，α取值为0；要兼顾两者时，α取值介于0-1之间；其中，在刚体运动时，α＝1，控制模型为a＝f/M，扰动为摩擦力；在摩擦死区时，平台产生弹性振动，此时控制模型应该为平台的刚度的弹性振动响应：ma+cv+ks＝f，令α＝0，控制模型为a＝f/m，扰动为弹性变形回复力ks阻尼力cv。进一步，将所述平台的弹性刚度降低，从而降低弹性回恢复力ks，柔性铰链制作为低阻尼的金属材料，因此cv也可以视为扰动控制模型近似a＝f/m。进一步，所述框架采用轻质材料制作，平台的质量m占主要成分，m约等于M，因此摩擦死区的近似模型a＝f/M，近似于刚体运动时的运动规律进一步，所述刚柔耦合平台的所述核心运动平台位于所述刚性框架的上部，所述核心运动平台和所述刚性框架通过所述柔性铰链连接。进一步，所述刚柔耦合平台的所述核心运动平台与所述刚性框架之间的所述柔性铰链为对称布置。与现有技术相比，有益效果是：黑箱控制(无模型)时，观测器带宽要固有频率(扰动带宽)的10倍以上有预测模型时，观测器带宽只需固有频率3倍以上带宽越高，控制成本越高本专利技术降低平台固有频率，再配合预测模型，可将观测器带宽降低，而降低控制成本。附图说明图1为传统运动平台的刚体运动模型。图2为考虑平台弹性变形的运动模型。图3为本专利技术所提降低扰动带宽的单边柔性铰链方案。图4为本专利技术所提降低扰动带宽的对称柔性铰链。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。传统PID控制直接取参考给定与输出反馈之差作为控制信号，导致出现响应快速性与超调性的矛盾出现。自抗扰控制器自PID控制器演变过来，采取了PID误差反馈控制的核心理念。自抗扰控制器主要由三部分组成：跟踪微分器(trackingdifferentiator)，扩展状态观测器(extendedstateobserver)和非线性状态误差反馈控制律(nonlinearstateerrorfeedbacklaw)。跟踪微分器的作用是安排过渡过程，给出合理的控制信号，解决了响应速度与超调性之间的矛盾。扩展状态观测器用来解决模型未知部分和外部未知扰动综合对控制对象的影响。虽然叫做本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于降低自抗扰控制器扰动带宽摩擦力补偿及实现的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1.将运动平台的刚性平台设置为刚柔耦合平台；所述运动平台包括：机座、直线导轨、刚柔耦合运动平台，所述刚柔耦合平台包括：刚性框架、柔性铰链和核心运动平台；其中，所述核心运动平台通过所述柔性铰链与所述刚性框架连接；S2.构建执行器和位移检测闭环系统，输入刚柔耦合运动平台的总惯性M，导轨支撑下的所述刚柔耦合运动平台弹性振动响应的等效刚度k、质量m和阻尼c，所述刚柔耦合运动平台的位移、速度、加速度分别用s、v、a表示，惯性影响系数用α表示，驱动力用f表示；建立自抗扰控制算法，设置扩展观测器的预测模型为a＝f/[m+α(M‑m)]；注重过程响应时，α取值为1；注重末端响应时，α取值为0；要兼顾两者时，α取值介于0‑1之间；其中，在刚体运动时，α＝1，控制模型为a＝f/[m+α(M‑m)]，扰动为摩擦力；在摩擦死区时，平台产生弹性振动，此时控制模型应该为平台的刚度的弹性振动响应：ma+cv+ks＝f，令α＝0，控制模型为a＝f/m，扰动为弹性变形回复力ks阻尼力cv。

【技术特征摘要】
1.一种基于降低自抗扰控制器扰动带宽摩擦力补偿及实现的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1.将运动平台的刚性平台设置为刚柔耦合平台；所述运动平台包括：机座、直线导轨、刚柔耦合运动平台，所述刚柔耦合平台包括：刚性框架、柔性铰链和核心运动平台；其中，所述核心运动平台通过所述柔性铰链与所述刚性框架连接；S2.构建执行器和位移检测闭环系统，输入刚柔耦合运动平台的总惯性M，导轨支撑下的所述刚柔耦合运动平台弹性振动响应的等效刚度k、质量m和阻尼c，所述刚柔耦合运动平台的位移、速度、加速度分别用s、v、a表示，惯性影响系数用α表示，驱动力用f表示；建立自抗扰控制算法，设置扩展观测器的预测模型为a＝f/[m+α(M-m)]；注重过程响应时，α取值为1；注重末端响应时，α取值为0；要兼顾两者时，α取值介于0-1之间；其中，在刚体运动时，α＝1，控制模型为a＝f/[m+α(M-m)]，扰动为摩擦力；在摩擦死区时，平台产生弹性振动，此时控制模型应该为平台的刚度的弹性振动响应：ma+cv+ks＝f，令α＝0，控制模型为a＝f/m，扰动为弹性变形回复力ks阻尼力cv。2.根据权利要求1所述的基于降低自抗扰控制器扰动带宽摩擦力补偿及实现的方法，其特征在于，将所述平台的弹性刚度降低，从而降低弹性回恢复力ks，柔性铰链制作为低阻尼的金属材料，因此cv也可以视为扰动控制模型近似a＝f/m。3.根据权利要求1或2所述的基于降低自抗扰控制器扰动带宽摩擦力补偿及实现的方法，其特征在于，所述框架采用轻质材料制作，核心平台的质量m占主要成分，m约等于M，因此摩擦死区的近似模型a＝f/M，近似于刚体运动时的运动规律。4.根据权利要求3所述的基于降低自抗扰控制器扰动带宽摩擦力补偿及实现的方法，其特征在于，所述刚柔耦合平台的所述核心运动平台位于所述刚性框架的上部，所述核心运动平台和所述刚性框架通过所述柔性铰链连接。5.根据权利要求3所述的基于降低自抗扰控制器扰动带宽摩擦力补偿及实现的方法，其特征在于，所述刚柔耦合平台的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志军，何耀滨，陈新，白有盾，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44