模糊PID伺服控制器及其伺服控制方法技术

一种用于超分辨高密度光盘系统的模糊PID伺服控制器及其伺服控制方法，由一个模糊控制器和PID控制器结合而成，该模糊PID控制运算模块的模糊控制器，通过对模糊控制规则的确定，其伺服控制方法是由误差E作为输入，利用模糊规则对PID控制器的参数KP、KI和KD进行自适应整定,然后经所述的电机驱动模块驱动所述的光学读取头的运动，使被控对象保持在良好的稳定状态。相比传统的PID控制，模糊自适应PID更加的灵活稳定，特别是对于时变性和非线性较大的被控对象，其优点更加突出。

【技术实现步骤摘要】
模糊PID伺服控制器及其伺服控制方法
本专利技术涉及光盘控制，尤其涉及一种用于超分辨高密度光盘系统的模糊PID伺服控制器及其伺服控制方法。
技术介绍
超分辨高密度光盘系统利用双光束超分辨读写技术，使用两束光同时对记录材料工作。通常需要一束激发光来引发光反应，一束抑制光来阻止光反应，从而使加工分辨率突破光学衍射极限。该技术无论是在学术上还是应用上都有很高的价值，因此，开发专门应用于超分辨高密度光盘系统的具有自主知识产权的伺服控制系统势在必行。相较于传统的光存储系统而言，双光束超分辨读写技术为大数据存储提供了高容量、低能耗、长寿命的数据存储器件和装置。这些特点对光盘的伺服精度和控制系统的性能提出了更高的要求。传统的光盘伺服控制往往采用经典线性控制，如PID控制或者相位超前滞后校正控制等方法。这些方法虽然在工业应用上具有结构简单和应用成熟等优点，但是对于超分辨高密度光盘系统这样的高密度存储光盘的伺服精度要求，传统伺服控制方法仍具有一定的局限性。而且在车载光存储系统，运动环境中光存储系统条件下，不可避免的外界摄动干扰也会对伺服控制产生很大的影响。此外盘片缺陷以及光盘驱动器工作中会出现离焦轴向跳动等动作，传统的伺服控制方法显然不能满足这种快速性和高稳健性的要求。光盘的伺服控制本质上就是通过控制算法来控制电机和执行机构准确地访问盘片信息记录坑点。如何快速地、准确地、不受干扰地搜索信息坑点和控制光学头则是提高伺服性能的关键问题。以聚焦伺服为例，参考图8，图8为现有的传统的伺服控制器结构图。传统的伺服控制器由PID控制器模块1-a、电机驱动模块2、光学读取头3、盘片4、光电探测器5和DSP模块6组成。传统的PID控制器模块1-a的作用是通过调整三个伺服模块(P、I、D)的参数，设计合适的控制律，输出控制信号，完成伺服动作。传统的聚集伺服控制是通过“S曲线”法来实现的。“S曲线”法即上下移动光学读取头的透镜3-b，探测从光盘表面反射产生的聚集误差信号(FES)，在光学头远离和靠近盘片的过程中，FES信号会呈现“S”型曲线。“S曲线”的中心则为焦点位置。此外在循迹伺服环节中，传统的跳轨动作完成之后需要检测焦点是否丢失，若光学头离焦，则还需重复上述聚焦过程，如此往复，伺服效率较低，不能满足超分辨高密度光盘系统的快速、高效性要求。综上所述，传统的伺服控制方法在应用于超分辨高密度光盘系统时，并不能完全满足伺服性能要求。需要设计出适用于超分辨高密度光盘系统的具有高速度、高精度和强鲁棒性的伺服控制系统。
技术实现思路
针对上述现有的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种用于超分辨高密度光盘系统光盘机的模糊PID伺服控制器及其伺服控制方法，以满足超分辨高密度光盘系统的高精度、高速度、鲁棒性强和对外界摄动具有完全自适应性的优点。本专利技术的技术解决方案如下：一种用于超分辨高密度光盘系统的模糊PID伺服控制器，其特点在于，包括PID控制器、积分器、模糊控制器、电机驱动模块、光学读取头、光电探测器和DSP模块。所述的光电探测器探测的当前伺服光位置负反馈信号与光学头位置信号经所述的DSP模块处理后输出三路信号E(t)，第一路信号E(t)输入到所述的PID控制器作为参考信号，第二路信号E(t)经所述的积分器输出指令信号EC(t)后输入到所述的模糊控制器，其中Ec(t)＝dE(t)/dt，第三路信号E(t)输入到所述的模糊控制器；所述的指令信号EC(t)和所述的第三路信号E(t)经所述的模糊控制器处理后，分别输出比例参数KP、积分参数KI和微分参数KD至所述的PID控制器，经该PID控制器(1)输出的电压控制信号u(s)通过所述的电机驱动模块驱动所述的光学读取头运动；所述的光学读取头的运动信息进过所述的光电探测器探测后输入到所述的DSP模块。所述的DSP模块对采集光学头的位置信号和当前伺服光位置负反馈信号做减法后输出信号E(t)。所述的模糊控制器由模糊化模块、模糊推理模块和清晰化模块构成，所述的模糊化模块对第三路信号E(t)和指令信号EC(t)进行模糊化处理，输出信号E(t)的模糊量和EC(t)的模糊量，该信号E(t)的模糊量和EC(t)的模糊量经所述的模糊推理模块进行模糊推理处理后，输出信号E(t)的隶属度和EC(t)的隶属度，该信号E(t)的隶属度和EC(t)的隶属度经所述的清晰化模块进行清晰化处理后，输出比例参数KP、积分参数KI和微分参数KD。所述的模糊推理处理具体是：根据输入信号E(t)的模糊量和EC(t)的模糊量，基于总结技术知识和实际操作经验建立适应的模糊规则表，该模糊规则表的模糊集定义为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，输入域为[-1,1]，输出信号为控制参量比例参数KP、积分参数KI和微分参数KD的修正值ΔKP、ΔKI、ΔKD，其中ΔKP、ΔKI输出域为[-0.7,0.7]，ΔKD的输出域为[-0.5,0.5]。计算方式为利用所得出的E(t)的隶属度和EC(t)隶属度计算比例参数KP、积分参数KI和微分参数KD的修正值ΔKP、ΔKI、ΔKD，公式如下：其中：UAi(x)、UBi(y)表示E(t)的隶属度和EC(t)隶属度，zi表示对应隶属度的横坐标，y表示比例参数KP、积分参数KI和微分参数KD的修正值ΔKP、ΔKI、ΔKD。所述的模糊PID伺服控制器，其特征在于，所述的清晰化处理具体是：根据所述的控制参量比例参数KP、积分参数KI和微分参数KD的修正值ΔKP、ΔKI、ΔKD的值得到所述的PID控制器1需要的实时参数，即比例参数KP、积分参数KI和微分参数KD，参数方程为：KP＝KP0+{Ej,Ecj}P＝KP0+ΔKPKI＝KI0+{Ej,Ecj}I＝KI0+ΔKIKD＝KD0+{Ej,Ecj}D＝KD0+ΔKD其中：KP0、KI0、KD0为原始参数；ΔKP、ΔKI、ΔKD为三个控制参量的修正值。将所述的比例参数KP、积分参数KI和微分参数KD输入到所述PID控制器(1)，输出的参数方程：本专利技术的技术效果如下：本专利技术模糊PID伺服控制器的核心部件为模糊PID伺服控制运算模块，该模块的作用为：光电探测器探测当前伺服光位置负反馈信号与光学头位置信号经所述的DSP模块处理后输出三路信号E(t)，第一路信号E(t)输入到所述的PID控制器作为参考信号，第二路信号E(t)经所述的积分器输出指令信号EC(t)，第三路信号E(t)输入到所述的模糊控制器。将所述的E(t)信号和EC(t)信号输入到所述的PID模糊控制器后输出控制电压信号u(s)。该电压信号u(s)输入光学读取头的线圈，线圈产生驱动力带动透镜运动。透镜的运动会改变激光束焦点的位置。而光盘的伺服控制本质就是调节激光束焦点的位置，通过调节焦点的位置来读取盘片上的信息坑点的信息。所以通过控制透镜的位置就完成改变焦点位置，完成伺服动作的要求。经仿真计算表明：本专利技术突出的特点是快速性、高精度和强鲁棒性。附图说明图1是本专利技术用于超分辨高密度光盘系统的模糊PID伺服控制器的结构框图图2是模糊PID控制运算模块组成图图3是光学读取头物理模型示意图图4是光学读取头的物理动态模型图图5是光学读取头中线圈3-a等效电路图图6是光学读取头物理模型结构图图7是光学读取头物理模型最终结构图图8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超分辨高密度光盘系统的模糊PID伺服控制器，其特征在于，包括PID控制器(1)、积分器(2)、模糊控制器(3)、电机驱动模块(4)、光学读取头(5)、光电探测器(6)和DSP模块(7)。所述的光电探测器(6)探测的当前伺服光位置负反馈信号与光学头位置信号经所述的DSP模块(7)处理后输出三路信号E(t)，第一路信号E(t)输入到所述的PID控制器(1)作为参考信号，第二路信号E(t)经所述的积分器(2)输出指令信号EC(t)后输入到所述的模糊控制器(3)，其中Ec(t)＝dE(t)/dt，第三路信号E(t)输入到所述的模糊控制器(3)；所述的指令信号EC(t)和所述的第三路信号E(t)经所述的模糊控制器(3)处理后，分别输出比例参数KP、积分参数KI和微分参数KD至所述的PID控制器(1)，经该PID控制器(1)输出的电压控制信号u(s)通过所述的电机驱动模块(4)驱动所述的光学读取头(5)运动；所述的光学读取头(5)的运动信息进过所述的光电探测器(6)探测后输入到所述的DSP模块(7)。

【技术特征摘要】
1.一种用于超分辨高密度光盘系统的模糊PID伺服控制器，其特征在于，包括PID控制器(1)、积分器(2)、模糊控制器(3)、电机驱动模块(4)、光学读取头(5)、光电探测器(6)和DSP模块(7)。所述的光电探测器(6)探测的当前伺服光位置负反馈信号与光学头位置信号经所述的DSP模块(7)处理后输出三路信号E(t)，第一路信号E(t)输入到所述的PID控制器(1)作为参考信号，第二路信号E(t)经所述的积分器(2)输出指令信号EC(t)后输入到所述的模糊控制器(3)，其中Ec(t)＝dE(t)/dt，第三路信号E(t)输入到所述的模糊控制器(3)；所述的指令信号EC(t)和所述的第三路信号E(t)经所述的模糊控制器(3)处理后，分别输出比例参数KP、积分参数KI和微分参数KD至所述的PID控制器(1)，经该PID控制器(1)输出的电压控制信号u(s)通过所述的电机驱动模块(4)驱动所述的光学读取头(5)运动；所述的光学读取头(5)的运动信息进过所述的光电探测器(6)探测后输入到所述的DSP模块(7)。2.根据权利要求1所述的模糊PID伺服控制器，其特征在于，所述的DSP模块(7)对采集光学头的位置信号和当前伺服光位置负反馈信号做减法后输出信号E(t)。3.根据权利要求1所述的模糊PID伺服控制器，其特征在于，所述的模糊控制器(3)由模糊化模块(3-1)、模糊推理模块(3-2)和清晰化模块(3-3)构成，所述的模糊化模块(3-1)对第三路信号E(t)和指令信号EC(t)进行模糊化处理，输出信号E(t)的模糊量和EC(t)的模糊量，该信号E(t)的模糊量和EC(t)的模糊量经所述的模糊推理模块(3-2)进行模糊推理处理后，输出信号E(t)的隶属度和EC(t)的隶属度，该信号E...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏文静，阮昊，胡巧，赵苗，郭新军，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31