一种基于干扰观测的压电定位平台降噪控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于干扰观测的压电定位平台降噪控制方法，包括以下步骤：S1：建立压电驱动器驱动的定位平台的传递函数模型；S2：结合辨识所得传递函数模型与期望模型设计干扰观测器，给出干扰观测器中嵌入的标称模型的参数表达式；S3：在主反馈回路中设计滤波器以减少主回路对高频测量噪声与建模误差的响应，基于干扰观测器设计抗干扰控制器；S4：给出系统稳定需满足的条件，结合抗干扰控制器与期望模型选择控制参数。本发明专利技术主要针对压电定位平台控制面临的高频建模误差、环境干扰以及测量噪声的影响，能够提升压电定位平台的伺服精度与鲁棒性，适合工程应用。适合工程应用。适合工程应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于干扰观测的压电定位平台降噪控制方法


[0001]本专利技术属于精密跟踪与精密运动控制领域，具体涉及一种基于干扰观测的压电定位平台降噪控制方法，主要用于高带宽、高精度要求的伺服跟踪控制。

技术介绍

[0002]压电定位平台是一种通过压电执行器的形变驱动机械部分完成精确位移的平台，近年来在微纳操控、微型机器人以及显微镜扫描等应用领域受到了广泛的关注。压电执行器具有动态响应快、力矩输出大以及超高分辨率等优点，因此常被用于驱动压电定位平台。然而，面对应用领域日益复杂的工况环境，压电定位平台很难维持自身高带宽、高精度的特性。压电执行器面临着弱阻尼导致的机械谐振问题，引发的震颤不但影响控制精度甚至会缩短系统的寿命，且压电定位平台的带宽常被限制在一阶谐振频率的0.1倍以下，无法快速、精密地跟踪高频率信号，限制了整体系统动态性能的提升。
[0003]控制系统能够协调压电定位平台驱动、传感与机械部分，是整个平台发挥性能极限的关键。已有谐振控制方法基于精确的模型设计阻尼控制器以重新配置系统极点，这极大地依赖系统建立模型的准确性，当系统动态特性发生变化时，原有控制策略无法使压电定位平台拥有期望性能。此外，压电定位平台还会受到高频建模误差、环境干扰力矩以及压电非线性动态等多源干扰的影响，降低伺服定位精度。而实际应用中的传感器的测量噪声也会对控制性能造成极大的影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术主要针对压电定位平台精密伺服控制中出现的弱阻尼、模型不确定性等干扰以及测量噪声问题，提出了一种基于干扰观测的压电定位平台降噪控制方法。为克服上述技术问题，本专利技术首先通过扫频的方法辨识系统参数，建立压电执行器驱动的定位平台的传递函数模型；此后，根据辨识所得传递函数模型与期望模型设计干扰观测器，将期望模型嵌入到干扰观测器中，从而同时抑制弱阻尼与多源干扰对控制性能的影响，提高鲁棒性；在此基础上设计自抗扰跟踪控制器，最小化压电定位平台的跟踪误差，并在主反馈回路中设计滤波器以减小系统对高频噪声与建模误差的响应；最后分析了系统稳定时需要满足的条件，同时优化期望模型与变增益控制器参数。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种基于干扰观测的压电定位平台降噪控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1：建立压电执行器驱动的定位平台的传递函数模型；
[0008]S2：结合辨识所得传递函数模型与期望模型设计干扰观测器，给出干扰观测器中嵌入的期望模型的参数表达式；
[0009]S3：在主反馈回路中设计滤波器以减少主回路对高频测量噪声与建模误差的响应，基于干扰观测器设计抗干扰控制器；
[0010]S4：给出系统稳定需满足的条件，结合抗干扰控制器与期望模型选择控制参数。
[0011](1)具体地，S1步骤的具体建模过程如下：
[0012]向压电定位平台的输入端输入0
‑
10000Hz的小幅值正弦扫描信号以激发压电定位平台，记录下压电定位平台每一时刻输入信号对应的输出位移。由于计算复杂性会随着模型阶数的增加而增大，因此可基于输入输出信号将压电定位平台辨识为如下三阶连续系统传递函数模型：
[0013][0014]其中，s为拉普拉斯算子，G(s)为压电定位平台辨识所得传递函数模型，可视为一个惯性环节与一个二阶系统的串联，Y(s)为输出位移的拉氏变换，U(s)为输入电压的拉氏变换，a为模型实极点，ζ1为二阶系统的阻尼比，ω1为二阶系统的自然频率，b0、b1、b2为系统模型中零点相关的参数。G(s)中所有参数的上下界已知，且b2的符号是确定的。压电定位平台的弱阻尼动态特性主要由二阶系统中的阻尼比ζ1极小造成。
[0015](2)进一步地，所述步骤S2的干扰观测器的具体设计如下：
[0016]干扰观测器将外界扰动、模型不确定性以及被控对象的非线性动态特性视为总干扰，并通过嵌入期望的动态模型并设计低通滤波器实现对干扰的观测和补偿。首先，根据S1步骤中辨识所得的三阶连续系统传递函数模型，干扰观测器中应嵌入的期望模型G
n
(s)应为如下形式：
[0017][0018]a
n
为期望模型的实极点，ζ
n
为期望模型二阶系统部分的阻尼比，ω
n
为期望模型二阶系统部分的自然频率，b
n0
、b
n1
、b
n2
为期望模型中零点相关的参数，其中b
n2
与b2的符号相同。在此基础上，设计具有低通特性的滤波器Q(s)，具体形式如下所示：
[0019][0020]其中，τ代表此低通滤波器的滤波器常数，N
Q
(s,τ)为Q(s)的分子，D
Q
(s,τ)为Q(s)的分母。Q(s)的相对阶不小于G
n
(s)的相对阶。则总干扰的观测可以表示为：
[0021][0022]其中，为嵌入干扰观测器中期望模型G
n
(s)的倒数，y代表传感器测量的位移输出，u代表压电定位平台的输入。因此，补偿定位平台的输入可进一步表示为：
[0023][0024]其中，u0为抗干扰控制器输出的控制量。
[0025](3)所述步骤S3的主反馈回路滤波器与抗干扰控制器的具体设计如下：
[0026]传感器测量的位移输出y是通过传感器测量获取的，其中必然包含着高频的测量噪声n，两者间的关系可以表示为如下形式：
[0027]y＝y
r
+n
[0028]其中，y
r
为实际系统的位移输出。除此之外，系统高频未建模动态也会对控制性能造成影响，为了避免主回路控制器对测量输出与期望模型输出误差中高频部分的激发，设
计滤波器以去除反馈信号中的高频部分。因此，反馈通路中处理后的位移输出信号y
l
可以表示为：
[0029]y
l
＝y
‑
(1
‑
Q(s))(y
‑
uG
n
(s))
[0030]在上述处理的基础上，抗干扰控制器C(s)的输入为跟踪误差e可表示为：
[0031]e＝r
‑
y
l
[0032]其中，r为参考输入信号。抗干扰控制器应使误差具有以下期望动态：
[0033][0034]e
(i)
代表e的i阶导数。将系统中偏离以上期望动态的部分视为干扰，则可通过扩张状态观测器实时估计此干扰，应将上述动态嵌入观测器中，首先可将上述动态表示为以下扩张状态空间的形式：
[0035][0036]其中，ω
c
为待确定的控制器参数，z1代表e，z2代表e
(1)
，z3代表e
(2)
，z4代表g，代表g，依次为z1、z2、z3、z4、g的导数，g为跟踪误差e实际动态与期望动态之间的差异，具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于干扰观测的压电定位平台降噪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立压电执行器驱动的定位平台的传递函数模型；S2：结合辨识所得传递函数模型与期望模型设计干扰观测器，给出干扰观测器中嵌入的期望模型的参数表达式；S3：在主反馈回路中设计滤波器以减少主回路对高频测量噪声与建模误差的响应，基于干扰观测器设计抗干扰控制器；S4：给出系统稳定需满足的条件，结合抗干扰控制器与期望模型选择控制参数。2.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测的压电定位平台降噪控制方法，其特征在于，所述S1步骤的具体建模过程如下：向压电定位平台的输入端输入0
‑
10000Hz的小幅值正弦扫描信号以激发压电定位平台，记录下压电定位平台每一时刻输入信号对应的输出位移，由于计算复杂性会随着模型阶数的增加而增大，因此可基于输入输出信号将压电定位平台辨识为如下三阶连续系统传递函数模型：其中，s为拉普拉斯算子，G(s)为压电定位平台辨识所得传递函数模型，可视为一个惯性环节与一个二阶系统的串联，Y(s)为输出位移的拉氏变换，U(s)为输入电压的拉氏变换，a为模型实极点，ζ1为二阶系统的阻尼比，ω1为二阶系统的自然频率，b0、b1、b2为系统模型中零点相关的参数，G(s)中所有参数的上下界已知，且b2的符号是确定的，压电定位平台的弱阻尼动态特性由二阶系统中的阻尼比ζ1极小造成。3.根据权利要求2所述的一种基于干扰观测的压电定位平台降噪控制方法，其特征在于，所述步骤S2的干扰观测器的具体设计如下：干扰观测器将外界扰动、模型不确定性以及被控对象的非线性动态特性视为总干扰，并通过嵌入期望的动态模型并设计低通滤波器实现对总干扰的观测和补偿，首先，根据S1步骤中辨识所得的三阶连续系统传递函数模型，干扰观测器中应嵌入的期望模型G
n
(s)应为如下形式：a
n
为期望模型的实极点，ζ
n
为期望模型二阶系统部分的阻尼比，ω
n
为期望模型二阶系统部分的自然频率，b
n0
、b
n1
、b
n2
为期望模型中零点相关的参数，其中b
n2
与b2的符号相同，在此基础上，设计具有低通特性的滤波器Q(s)，具体形式如下所示：其中，τ代表此低通滤波器的滤波器常数，N
Q
(s,τ)为Q(s)的分子，D
Q
(s,τ)为Q(s)的分母。Q(s)的相对阶不小于G
n
(s)的相对阶，则总干扰的观测可以表示为：其中，为嵌入干扰观测器中期望模型G
n
(s)的倒数，y代表传感器测量的位移输
出，u代表压电定位平台的输入，因此，补偿定位平台的输入可进一步表示为：其中，u0为抗干扰控制器输出的控制量。4.根据权利要求3所述的一种基于干扰观测的压电定位平台降噪控制方法，其特征在于，所述步骤S3的主反馈回路滤波器与抗干扰控制器的具体设计如下：传感器测量的位移输出y是通过传感器测量获取的，其中必然包含着高频的测量噪声n，两者间的关系可以表示为如下形式：y＝y
r
+n其中，y
r
为实际系统的位移输出，除此之外，系统高频未建模动态也会对控制性能造成影响，为了...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡庆雷，王薪宇，李东禹，兰云龙，钟建朋，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：