气动光学变形镜系统的控制方法技术方案

气动光学变形镜系统的控制方法，属于超精密光学应用控制领域。该方法先拟合系统开环情况下稳定时的输入和输出数据的线性关系，确定前馈控制器的前馈系数；然后根据该系统的期望位移计算前馈控制器的输出量；然后比较期望位移与位移传感器获得的实际位移得到位移误差量；然后采用试错法确定PID控制器的比例、积分和微分系数；然后利用位移误差量计算PID控制器的输出量；再根据该系统的振动特性确定陷波滤波器的脉冲传递函数；最后对前馈控制器的输出量和PID控制器的输出量进行叠加，通过脉冲传递函数对叠加量进行滤波得到控制输出量，控制输出量进入系统，实现对系统的控制。该方法在0.1s内可以使位移调整稳态误差小于80nm。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超精密光学应用中的控制领域，具体涉及一种气动光学变形镜系统的 控制方法。
技术介绍
光刻投影物镜在曝光过程中由于吸收激光能量，使得成像质量劣化。对于具有非 轴对称特性的像质劣化则需要通过光学变形镜系统等进行补偿。光学变形镜系统中的透镜 元件产生马鞍形状变形，从而补偿由热像差引入的非对称倍率及常数项像散。光刻投影物 镜中的光学变形镜系统需要在较短的时间内达到高精度的位移调整，从而保证其中光学透 镜元件的快速高精度面形调节。现有文献还未涉及气动光学变形镜系统的闭环控制，尤其 是快速高精度控制。快速往往要求调整时间在〇. Is左右，高精度则通常意味着位移调整精 度在±150nm左右。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种气动光学变形镜系统的的控制方法。 本专利技术解决上述技术为问题采用的技术方案如下。 ，包括以下步骤： 步骤一、在气动光学变形镜系统允许输入的模拟电压范围内，获取该系统开环下 稳定时的输入模拟电压和输出位移数据，以输入模拟电压为横坐标，以输出位移数据为纵 坐标，拟合所获得的输入模拟电压和输出位移数据的线性关系，对拟合得到的线性系数取 倒数，得到前馈控制器的前馈系数k f; 步骤二、根据气动光学变形镜系统的期望位移yd和步骤一所获得的前馈控制器的 前馈系数k f，计算前馈控制器的输出量Uf= k fXyd; 步骤三、获取气动光学变形镜系统中位移传感器的实际位移y，得到位移误差量e =yd-y ； 步骤四、采用试错法确定气动光学变形镜系统中的PID控制器的比例系数kp、积分 系数h和微分系数k d; 步骤五、根据步骤三得到的位移误差量和步骤四得到的PID控制器的比例系数kp、 积分系数Ic 1和微分系数k d，计算PID控制器的输出量Up; 步骤六、根据气动光学变形镜系统的振动特性，选定需要进行陷波处理的外部干 扰频率f。，并确定气动光学变形镜系统对该外部干扰频率f。的衰减幅度，再根据衰减幅度 确定陷波滤波器的系数1，然后根据公式（2)计算陷波滤波器的脉冲传递函数F(Z); 式中，z表示复变量； 步骤七、将前馈控制器的输出量Uf和PID控制器的输出量u p叠加，并通过陷波滤 波器的脉冲传递函数对叠加量进行滤波，再使用差分方程法计算得到控制输出量u ; 步骤八、将控制输出量u转换为相同数值的模拟电压，输入气动光学变形镜系统 的气压伺服阀，从而实现气动光学变形镜的控制。 进一步的，所述步骤一中，采用最小二乘法拟合输入模拟电压和输出位移数据的 线性关系。 进一步的，所述步骤一中，获取的开环下稳定时的输入模拟电压和输出位移数据 至少为三组。 进一步的，所述步骤三中，采用A/D模数转换器采集获取气动光学变形镜系统中 的实际位移y。 进一步的，所述步骤四中，干扰频率f。为气动光学变形镜系统的振动特性曲线的 峰值所对应的振动频率。 进一步的，所述步骤五中，PID控制器的输出量!^通过公式（1)计算； 式中，k为采样序号，Ts为采样周期。 进一步的，所述步骤八中，采用D/A数模转换器将控制输出量u转换为相同数值的 模拟电压。 与现有技术相比，本专利技术的有益效果为： 1、本专利技术的采用的前馈控制器和陷波滤波器基 于气动光学变形镜系统的实际数据而确定，可以有效提升该控制方法速度，实现快速控制， 采用试错法确定PID控制器，结合陷波滤波器的滤波作用，能够有效提高该控制方法的精 度，实现高精度控制，经实验验证，采用本专利技术的方法控制气动光学变形镜系统，在〇. Is内 可以使位移调整稳态误差小于SOnm ; 2、本专利技术的的前馈控制器、PID控制器和陷波滤 波器实现较为简单，稳定性能良好。【附图说明】 图1为本专利技术的的原理框图； 图2为采用本专利技术的控制方法控制气动光学变形镜的效果图。【具体实施方式】 下面结合附图进一步说明本专利技术。 如图1所述，本专利技术的是针对气动光学变形镜系 统进行的，该系统主要由气压伺服阀、气体管路、波纹管、机械结构、透镜元件和位移传感器 组成。控制器输出的模拟电压进入气压伺服阀，气压伺服阀输出对应气压的气体。气体经气 体管路进入波纹管，不同气压的气体会使波纹管发生不同的伸缩运动量。波纹管驱动机械 结构做相应的位移运动，从而使机械结构上的光学透镜元件发生相应的面形变化。机械结 构的实际位移由位移传感器获得。本专利技术所使用的控制器主要由前馈控制器、PID控制器、 陷波滤波器、A/D模数转换器和D/A数模转换器组成，具体可由数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP)实现，伺服周期！^为 lms。 本专利技术的，步骤如下： 步骤一、在气动光学变形镜系统允许输入的模拟电压范围内，输入不同的模拟电 压，获取该系统开环情况下稳定时的输入模拟电压和输出位移数据，然后以输入模拟电压 为横坐标，以输出位移数据为纵坐标，借助MTLAB R2009b软件使用最小二乘法拟合所获得 的输出位移与输入模拟电压的线性关系，对拟合得到的线性系数取倒数，得到用于前馈控 制器的前馈系数k f; 在上过程中，为降低输入模拟电压和输出位移数据的线性关系的误差，所以获取 得开环情况下稳定时的输入模拟电压和输出位移数据一般至少为三组； 步骤二、根据气动光学变形镜系统的期望位移yd和步骤一所获得的前馈控制器的 前馈系数k f，计算前馈控制器的输出量Uf= k fXyd; 步骤三、采用A/D模数转换器定时采集获取气动光学变当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
气动光学变形镜系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、在气动光学变形镜系统允许输入的模拟电压范围内，获取该系统开环下稳定时的输入模拟电压和输出位移数据，以输入模拟电压为横坐标，以输出位移数据为纵坐标，拟合所获得的输入模拟电压和输出位移数据的线性关系，对拟合得到的线性系数取倒数，得到前馈控制器的前馈系数kf；步骤二、根据气动光学变形镜系统的期望位移yd和步骤一所获得的前馈控制器的前馈系数kf，计算前馈控制器的输出量uf＝kf×yd；步骤三、获取气动光学变形镜系统中位移传感器的实际位移y，得到位移误差量e＝yd‑y；步骤四、采用试错法确定气动光学变形镜系统中的PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd；步骤五、根据步骤三得到的位移误差量和步骤四得到的PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd，计算PID控制器的输出量up；步骤六、根据气动光学变形镜系统的振动特性，选定需要进行陷波处理的外部干扰频率f0，并确定气动光学变形镜系统对该外部干扰频率f0的衰减幅度，再根据衰减幅度确定陷波滤波器的系数kn，然后根据公式(2)计算陷波滤波器的脉冲传递函数F(z)；F(z)=z2-2cos(2πf0/1000)z+1z2-2kncos(2πf0/1000)z+kn2---(2)]]>式中，z表示复变量；步骤七、将前馈控制器的输出量uf和PID控制器的输出量up叠加，并通过陷波滤波器的脉冲传递函数对叠加量进行滤波，再使用差分方程法计算得到控制输出量u；步骤八、将控制输出量u转换为相同数值的模拟电压，输入气动光学变形镜系统的气压伺服阀，从而实现气动光学变形镜的控制。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李朋志，李佩玥，赵磊，东立剑，葛川，隋永新，杨怀江，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22