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超精密运动系统前馈控制器参数整定方法技术方案

技术编号:19743990 阅读:78 留言:0更新日期:2018-12-12 04:31
一种超精密运动系统前馈控制器参数整定方法,若反馈控制器直流增益为有限值,跟踪误差与参考轨迹N阶导数成正比,即跟踪误差与参考轨迹N阶导数有相同形状,则判定N阶导数前馈系数不准确,用二分法整定N阶导数前馈系数,直至跟踪误差形状与参考轨迹的N+1阶导数相同,即得准确的N阶导数前馈系数;若反馈控制器直流增益为无穷大并只含有一阶积分,跟踪误差与参考轨迹的N+1阶导数成正比,判定N阶导数前馈系数不准确,用二分法整定N阶导数前馈系数,直至跟踪误差形状与参考轨迹N+2阶导数相同,即得准确的N阶导数前馈系数,N从2逐渐以步长1增加,直至跟踪性能满足要求。可大幅减小加减速域跟踪误差,减小建立时间,提升系统产率。

【技术实现步骤摘要】
超精密运动系统前馈控制器参数整定方法
本专利涉及一种超精密运动系统前馈控制器参数整定方法,属于超精密运动控制领域。
技术介绍
超精密运动系统广泛应用于光刻机工件台,原子力显微镜,扫描隧道显微镜等高端制造装备和仪器设备中。该类运动系统单个工作周期会先后经历加速域、匀速域和减速域三个区间,加速域或减速域结束后误差收敛到指定精度范围内所需时间为建立时间,误差收敛后方能进行后续的工作,建立时间的长短直接影响系统产率,减小建立时间因而有重要的理论和应用价值。建立时间属于系统的动态性能,减小建立时间的主要手段是在反馈控制的基础上采用前馈控制来减小加减速域误差,进而减小建立时间提升系统动态性能。前馈控制器设计的指导思想是逆模型原理,即用前馈控制器去逼近被控对象模型的逆。前馈控制器一般根据系统辨识所得模型进行设计,系统辨识不可避免的存在误差,因此真实的模型参数难以获得,这将导致前馈控制器难以满足超精密运动控制的需求,在工程实践中需要对前馈控制器参数进行整定。以加速度前馈为例,工程上常将运动系统简化为一个质量块,该模型对应的前馈控制器即是运动控制中广泛应用的加速度前馈,理想的加速度前馈系数即是系统的总质量,系统的总质量一般通过系统辨识得到,与真实质量存在偏差,前馈控制器参数微小的偏差也会对超精密运动系统造成显著影响,因此前馈控制器参数整定不可或缺。参考轨迹的三阶到五阶导数分别称为jerk,snap,crackle。除加速度前馈外,实际的运动系统常需进一步采用三阶导数前馈(又叫jerk前馈)、四阶导数前馈(又叫snap前馈)等高阶前馈。各阶前馈系数的高效整定是一个技术难点,开发高性能的前馈控制器参数整定算法具有重要的理论和工程价值。
技术实现思路
针对前文所述问题,本专利技术公开了一种超精密运动系统前馈控制器参数整定方法,采用前馈控制加反馈控制的两自由度控制策略,前馈控制器和反馈控制器并联连接,将参考轨迹各阶导数作为前馈控制器输入信号,利用跟踪误差与前馈控制器、反馈控制器和参考轨迹的关系进行如下整定:若反馈控制器直流增益为有限值,跟踪误差与参考轨迹N阶导数成正比,即跟踪误差与参考轨迹N阶导数具有相同的形状,则判定N阶导数前馈系数不准确,利用二分法整定N阶导数前馈系数,直至跟踪误差形状与参考轨迹的N+1阶导数相同,即得准确的N阶导数前馈系数;若反馈控制器直流增益为无穷大并只含有一阶积分,跟踪误差与参考轨迹的N+1阶导数成正比,则判定N阶导数前馈系数不准确,利用二分法整定N阶导数前馈系数,直至跟踪误差形状与参考轨迹的N+2阶导数相同,即得准确的N阶导数前馈系数,其中,N从2逐渐以步长1增加,直至跟踪性能满足要求。优选地,通过轨迹规划或者在线实时差分得到参考轨迹各阶导数作为前馈控制器输入信号。优选地,所述超精密运动系统是具有一个刚体模态和多个振动模态的多质量块模型。优选地,被控对象模型,即用于对超精密运动系统进行建模的多质量块模型的传递函数为其中,Gp(s)是被控对象模型传递函数;m是系统总质量;ζi是各阶振动模态的阻尼比;ωi是各阶振动模态的共振频率;αi是系统常数;Gr(s)代表刚体模态的传递函数;Gf(s)代表所有M-1个共振模态的传递函数;s为拉普拉斯变量;M为多质量块模型中质量块的个数。优选地,跟踪误差的传递函数为其中,e(s)是轨迹跟踪误差;是被控对象模型传递函数的逆;F(s)是前馈控制器;Gc(s)是反馈控制器;r(s)是参考轨迹;y(s)是系统输出;Si(s)为输入扰动灵敏度函数。优选地,如果反馈控制器直流增益为有限值,采用纯反馈控制,则跟踪误差与各高阶导数项的关系如下公式:其中,为由被控对象模型、采样周期和系统延时决定的系统常数;r(2)(s)为r(s)二阶导数的拉普拉斯变换,r(3)(s)为r(s)三阶导数的拉普拉斯变换,以此类推;Gc(0)为反馈控制器直流增益,即拉普拉斯变量s等于0时反馈控制器传递函数Gc(s)的值;T为采样周期;τ为系统延时。优选地,如果反馈控制器含有一阶积分,则跟踪误差相应修正为其中,r(3)(s)为r(s)三阶导数的拉普拉斯变换,r(4)(s)为r(s)四阶导数的拉普拉斯变换,以此类推。优选地,被控对象模型还包括零阶保持器和延时环节,零阶保持器和延时环节综合作用的被控对象模型的逆模型为其中T为采样周期,τ为系统延时,Gzoh(s)为零阶保持器传递函数。优选地,通过系统辨识方法得到系统质量的估计值,作为2阶导数前馈系数,即加速度前馈系数的初始值,用N阶导数前馈系数乘以不小于0.5倍的采样周期作为N+1阶导数前馈系数的初始值,其中,N大于等于2。前馈控制器参数微小的偏差也会对超精密运动系统造成显著影响,除加速度前馈外,实际的运动系统常需进一步采用三阶导数前馈、四阶导数前馈等高阶前馈。本专利技术利用跟踪误差与前馈控制器、反馈控制器、系统动力学和参考轨迹的关系,通过观察跟踪误差形状,利用二分法依次先后整定加速度前馈系数、jerk前馈系数、snap前馈系数,大幅减小加减速域的跟踪误差,进而减小建立时间,提升系统的产率。附图内容图1是表示本专利技术实施例的两自由度控制系统的示意图;图2是表示本专利技术实施例的多质量块模型;图3是表示本专利技术实施例的包含延时和零阶保持器的控制系统方框图;图4是表示本专利技术实施例的反馈控制器直流增益为有限值时前馈控制器参数整定算法流程图;图5是表示本专利技术实施例的反馈控制器含一阶积分环节时前馈控制器参数整定算法流程图;图6-1是表示本专利技术实施例的所用位移参考轨迹;图6-2是表示本专利技术实施例的所用速度参考轨迹;图6-3是表示本专利技术实施例的所用加速度参考轨迹;图6-4是表示本专利技术实施例的所用三阶参考轨迹;图6-5是表示本专利技术实施例的所用四阶参考轨迹;图7-a是表示本专利技术实施例的反馈控制器为PD时,采用不准确加速度前馈时的跟踪误差曲线;图7-b是表示本专利技术实施例的反馈控制器为PID时,采用不准确加速度前馈时的跟踪误差曲线;图8-a是表示本专利技术实施例的反馈控制器为PD时,采用准确加速度前馈时的跟踪误差曲线;图8-b是表示本专利技术实施例的反馈控制器为PID时,采用准确加速度前馈时的跟踪误差曲线;图9-a是表示本专利技术实施例的采用准确加速度前馈和jerk前馈时的跟踪误差曲线;图9-b是表示本专利技术实施例的采用准确加速度前馈和jerk前馈时的跟踪误差曲线。具体实施方式下面将参考附图来描述本专利技术所述的超精密运动系统前馈控制器参数整定方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到,在不偏离本专利技术的精神和范围的情况下,可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此,附图和描述在本质上是说明性的,而不是用于限制权利要求的保护范围。此外,在本说明书中,附图未按比例画出,并且相同的附图标记表示相同的部分。本实施例的超精密运动系统前馈控制器参数整定方法,利用跟踪误差与前馈控制器、反馈控制器和参考轨迹的关系进行如下整定:这里的被控对象指超精密运动系统,参考轨迹指超精密运动系统需要跟踪的运动轨迹,若反馈控制器直流增益为有限值,跟踪误差与参考轨迹N阶导数成正比,即具有相同形状,则判定N阶导数前馈系数不准确,利用二分法(二分法具体的应用过程在下文中说明)整定N阶导数前馈系数,直至残余误差形状与参考轨迹的N+本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种超精密运动系统前馈控制器参数整定方法,其特征在于,采用前馈控制加反馈控制的两自由度控制策略,前馈控制器和反馈控制器并联连接,将参考轨迹各阶导数作为前馈控制器输入信号,利用跟踪误差与前馈控制器、反馈控制器和参考轨迹的关系进行如下整定:若反馈控制器直流增益为有限值,跟踪误差与参考轨迹N阶导数成正比,即跟踪误差与参考轨迹N阶导数具有相同的形状,则判定N阶导数前馈系数不准确,利用二分法整定N阶导数前馈系数,直至跟踪误差形状与参考轨迹的N+1阶导数相同,即得准确的N阶导数前馈系数;若反馈控制器直流增益为无穷大并只含有一阶积分,跟踪误差与参考轨迹的N+1阶导数成正比,则判定N阶导数前馈系数不准确,利用二分法整定N阶导数前馈系数,直至跟踪误差形状与参考轨迹的N+2阶导数相同,即得准确的N阶导数前馈系数,其中,N从2逐渐以步长1增加,直至跟踪性能满足要求。

【技术特征摘要】
1.一种超精密运动系统前馈控制器参数整定方法,其特征在于,采用前馈控制加反馈控制的两自由度控制策略,前馈控制器和反馈控制器并联连接,将参考轨迹各阶导数作为前馈控制器输入信号,利用跟踪误差与前馈控制器、反馈控制器和参考轨迹的关系进行如下整定:若反馈控制器直流增益为有限值,跟踪误差与参考轨迹N阶导数成正比,即跟踪误差与参考轨迹N阶导数具有相同的形状,则判定N阶导数前馈系数不准确,利用二分法整定N阶导数前馈系数,直至跟踪误差形状与参考轨迹的N+1阶导数相同,即得准确的N阶导数前馈系数;若反馈控制器直流增益为无穷大并只含有一阶积分,跟踪误差与参考轨迹的N+1阶导数成正比,则判定N阶导数前馈系数不准确,利用二分法整定N阶导数前馈系数,直至跟踪误差形状与参考轨迹的N+2阶导数相同,即得准确的N阶导数前馈系数,其中,N从2逐渐以步长1增加,直至跟踪性能满足要求。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,通过轨迹规划或者在线实时差分得到参考轨迹各阶导数作为前馈控制器输入信号。3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述超精密运动系统是具有一个刚体模态和多个振动模态的多质量块模型。4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,被控对象模型,即用于对超精密运动系统进行建模的多质量块模型的传递函数为其中,Gp(s)是被控对象模型传递函数;m是系统总质量;ζi是各阶振动模态的阻尼比;ωi是各阶振动模态的共振频率;αi是系统常数;Gr(s)代表刚体模态的传递函数;Gf(s)代表所有M-1个共振模态的传递函数;s为拉普拉斯变...

【专利技术属性】
技术研发人员:朱煜李鑫戴渌爻成荣杨开明王磊杰张鸣
申请(专利权)人:清华大学北京华卓精科科技股份有限公司
类型:发明
国别省市:北京,11

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