CN101088058B - 伺服机构控制系统的自适应命令滤波 - Google Patents

Abstract

本发明的优选实施例实现用于修改命令轨迹、伺服机构控制系统(10)的架构或这两者的技术，从而减少命令轨迹期间和/或命令轨迹之后的伺服误差。迭代精化过程产生伺服机构控制系统使用的校正输入du，其显著减少期望的(y_d)和实际(y)的伺服机构控制系统输出之间的误差(e)。在一个实施例中，迭代精化过程中使用唯一识别的设备模型来计算提高精化过程的性能和可靠性的近似梯度。在另一实施例中，在迭代精化过程中使用实际的设备响应替代所述识别的模型。这是在向设备(12)施加存储的误差信号以产生对校正输入信号du的更新之前，通过将来自训练操作的存储误差信号进行时间反转完成的。

Description

伺服机构控制系统的自适应命令滤波

技术领域

本发明涉及伺服机构控制系统，具体地，涉及用前馈补偿和反馈控制实现从而提高系统速度与准确度的高性能伺服机构控制系统和方法。

背景技术

典型的伺服机构控制系统用反馈和前馈元件实现，这些元件合作从而对命令输入产生响应。通常，伺服机构系统误差(命令输入与响应命令输入的系统输出之间的差异)在典型的命令轨迹(command trajectory)期间或之后将是重要的。如果需要高准确度的输出，则分配稳定时间(settling time)以允许系统输出在指定的操作误差公差内稳定于命令位置。需要额外的技术来减少或消除稳定时间，从而增强高性能伺服机构控制。

发明内容

本发明的优选实施例实现用于修改命令轨迹、伺服机构控制系统的架构或者这两者的技术，从而减少命令轨迹期间和/或命令轨迹之后的伺服误差。

迭代精化过程(iterative refinement procedure)产生伺服机构控制系统使用的校正输入du，其显著减少期望的和实际的伺服机构控制系统输出之间的差异。在一个实施例中，迭代精化过程中使用唯一识别的设备模型来计算提高精化过程的性能和可靠性的近似梯度。在另一实施例中，在迭代精化过程中使用实际的设备响应替代所述识别的模型。这是在向设备施加来自训练操作的存储的误差信号以产生对校正输入信号du的更新之前，通过对该来自训练操作的存储误差信号进行时间反转(time-reversing)完成的。

迭代精化过程需要为每个特定设备使用典型的设备模型代替唯一识别的模型来简化并加速迭代精化过程。在训练过程中使用特征移动轨迹的输入流以产生校正信号du，该校正信号优化伺服机构对该特定输入流的响应。之后使用训练轨迹和结果产生的du校正来设计校正输入生成器，其优选用为任意命令轨迹生成du校正信号的FIR滤波器实现。

本发明通过解决各组硬件特有的容差与偏差来优化伺服机构控制系统性能，而不必要求使用复杂的伺服机构控制系统模型识别。即使当伺服机构控制系统是由任意命令轨迹驱动时也可应用这个优化。

通过以下参照附图对优选实施例的详细说明，本发明的附加方面和优点将很明显。

附图说明

图1示出了为获得物理设备(physical plant)高速精确运行而设计的伺服机构控制系统的架构。

图2是校正输入生成器的方块图，该生成器精化施加于图1所示控制系统的输入命令流。

图3是适合用于图1所示控制系统的校正输入生成器特定实现方式的方块图。

图4A示出了从所测的物理设备输出至图1所示控制系统的载入位置的动态转移函数。

图4B示出了设计用来抵消图4A的动态转移函数中的振幅峰值的陷波滤波器的转移函数。

具体实施方式

图1示出了为获得物理设备(G)12的高速精确运行而设计的运动控制系统10的架构。在优选实施例中，物理设备12为高速扫描器，该扫描器由高性能激光微机械加工中通常使用的扫描镜和功率驱动或动力驱动电子器件(power drive electronics)组成。控制系统10被配置以提高高速扫描器的扫描镜之一的运动性能。用于闭合伺服回路的反馈信号y通过构成扫描器的一部分的联合编码器(jointencoder)测量。动态转移函数(S)13对所测(反馈)位置与实际扫描镜位置之间的耦合或联系进行建模。可为高速扫描器的另一个扫描镜或其他多个扫描镜类似地配置独立的设计控制系统10。

控制系统10接收施加于前馈控制器(F)14和校正输入生成器(P)16的移动命令输入流。移动命令输入流可包括位置、速度和加速度分量，或者可实现前馈控制器14以扩展或展开移动命令来计算这些分量。前馈控制器14和校正输入生成器16的输出通过相关联的求和点分别施加于伺服机构回路20的设备12和反馈控制器(H)18。前馈控制器14被设计成与设备12的动态特性的反面在有限频率范围内匹配，以提高设备在更高频率的跟踪性能。校正输入生成器16剖析移动命令输入流u，以产生补偿剩余闭环的缺陷从而进一步提高伺服机构的性能的精化输入流u*。以下将详细完整的说明校正输入生成器16的设计、结构及运行。

在所述优选实施例中，物理设备12是由马萨诸塞州、剑桥的Cambridge Technology，Inc.公司制造的6220H型基于动磁闭环检流计的光学扫描器以及合适的功率驱动器。前馈控制器14和反馈控制器18优选组合于数字检流计控制器中，技术人员能够轻松设计这个控制器，从而在使用6220H型检流计的实现或实施方式中提供5kHz闭环系统带宽。

图2示出了优选实施方式中校正输入生成器16的方块图，其包括有限脉冲响应(FIR)滤波器28，滤波器28校正输出信号y与理想行为的偏离。参照图2，校正输入生成器16接收移动命令输入流u并将其施加于延迟模块30和FIR滤波器28，以借助移动命令输入流u的直接信号通道推进其输出32。模块30的输出34以及FIR滤波器28的输出32在求和点36结合，从而在输出38产生精化输入流u*，对于通过延迟模块30引入的零延迟，输入流u*可被表示为：

u*＝u+du，

其中du为施加于移动命令输入的递增校正因子。延迟不为零时的一般情况可被表示为

u*(n)＝u(n-m)+du(n)，

其中n为时间指数，m为命令输入相对于FIR滤波器28的输出32被延迟的时间步数。

目标是构造具有一个滤波器系数集的FIR滤波器28，其为所有可能的移动命令输入提供du值的一般解，所述移动命令输入能够表示不同长度(如短、中和长途)的电子束位置移动和不同的移动长度顺序(如，短途移动，之后为另一短途移动，随后为长途移动)的。构造FIR滤波器28的方法需要首先为命令输入u的有限集确定递增校正因子du，之后计算FIR滤波器28的系数。该方法通过以迭代方式修改命令输入来提高期望的系统输出与实际系统输出的匹配度的过程实施。逐步迭代精化过程如下：

步骤1需要初始设定du＝0。

步骤2需要传递u*＝u+du经过控制系统10并测量误差流e，如图1所示。因此，对于du＝0，则u*＝u，e＝u-y。

步骤3需要将e与操作公差进行比较，如果e在操作公差内，则结束迭代过程。操作公差由代价函数(cost function)

$J\left(u\right)=\underset{k=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{[y_d-y\left(k\right)]}^2$

定义，其中y_d为期望的输出，y为响应输入流u的测量的输出。因此，提高匹配度被定义为减少代价J(u)。

当误差流e不充分小时，步骤4需要在时间上反转e，并作为命令(即使它是误差测量值)传递时间反转的误差流e^*经过控制系统10；收集所测量的响应e^*时产生的输出流

时间反转输出流以形成y_e；设定du_next＝du+α·y_e，其中α为动态调整的校正增益或比例因子；并重复步骤2至4进行多次迭代，直至e满足操作公差限制。

步骤4中定义的α的值应充分小，使得第一级近似适用于表达式

$J(u+\mathrm{du})=J\left(u\right)+\▿J\left(u\right)\·\mathrm{du},$

使得设定du在α＞0时为

将因此产生

$j(u+\mathrm{du})=J\left(u\right)-\mathrm{\α}{(\▿J\left(u\right))}^2,$

这将确保代价函数J的减小。在迭代精化期间，α的值可动态调整，在优选实施例中开始时α₀＝0.3。如果在一次迭代期间代价提高，下一次迭代中α增加0.05直至最大值0.6。如果在一次迭代期间代价减小，α减小1/2，并用α的减小精化值重复当前迭代。持续减小α直至实现提高。

替换的步骤4需要通过数学模拟将误差流e作为命令传递通过伴随矩阵闭环系统，该系统是包括设备(G)12、反馈控制器(H)18和前馈控制器(F)14的物理闭环系统的线性时间不变量(LTI)模型的计算机建模伴随矩阵；计算输出流y；并设定du_next＝du+α·y_e。替换步骤4使用通过数学建模产生的模拟伴随矩阵系统。步骤4需要使用实际的物理系统来实验地收集所测量的输出。由于替换步骤4不仅要求建立模型，还要求可用计算机来建模，因而替换的步骤4较差。

迭代精化过程的结束产生精化流du^*，以使复合输入u^*＝u+du产生与期望输出流y_d相当匹配的结果。然而，精化流du^*仅对于一特定输入流u起作用，从而匹配特定的期望输出流y_d。校正输入生成器16将精化特定输入流转换为令人满意地对于任意输入起作用的一般解。为此，当其输入为原始输入流u时，校正输入生成器16执行校正映射来产生相似的精化流du^*。在校正输入生成器16的实现或实施方式中优选使用FIR滤波器，因为FIR滤波器提供有保证的稳定性、范围有限且其系数可通过应用标准最小二乘方算法直接计算。

以下说明了包括各种移动长度的训练概况(trainingprofile)，从中能够立即获得全局FIR系数，而不必从不同输入流收集各种数据。对于教导过程中使用的N个实验命令移动长度，以上所述的迭代精化可表达为：

u₁，u₂，...，u_N→du₁，du₂，...，du_N    N＜∞。

目的是设计将每个u值映射到相应du值的校正滤波器。乘积之和函数内含的FIR算法可表达为：

Δ(z)＝a₀z^m+a₁z^m-1+...+a_nz^n-m

其中a₀，a₁，...，a_n表示滤波器系数，m表示FIR预期；即，m是FIR信号通道先于直接信号通道的时间步数。根据试验和误差过程选择数字m和n，并通过最小二乘方算法计算a₀，a₁，...，a_n。结果所得最小二乘方拟合的质量通过观测残留误差评估。如果残留误差小，那么控制系统10与FIR滤波器28一起运行来确定其性能有多好。如果控制系统性能是不可接受的，则对n、m或对两者都进行修改，并计算新的系数重新开始该过程。

配有Cambridge Technology，Inc.公司6220H型检流计的控制系统10的最终配置校正输入生成器16构成了320抽头滤波器，其具有160kHz更新率和80抽头的预期，以在直接移动命令通道而不是FIR滤波器28的通道中插入0.5毫秒延迟(示为延迟模块30)。这使得产生有效的非临时滤波器(n＝0之前具有320抽头中的80抽头)。为确保FIR滤波器28为零DC增益滤波器，所有其系数之和为零。实现该结果的一种方法是解出最前的319个系数，之后设定最后的系数为最前的319个FIR系数之和的负数。最前的319个FIR系数为问题

Uh＝du

的最小二乘方解，其中h＝[h₁h₂...h₃₁₉]^T为独立FIR系数，du＝[du₁du₂...du_M]^T为从单个训练概况获得的或从多轮精化集合的校正序列。

具有319列和M行的U矩阵包括循环排列的初始(理想)输入序列，即

标准最小二乘方解可从

h＝(U^T*U)^-1*U^T*du

获得。可从其获得FIR滤波器系数的实验命令移动长度数为N＝2，一个实验表示较短长度移动命令，另一实验表示较长长度移动命令。

确保FIR滤波器28为零DC增益滤波器的替代方法是认识到要满足条件Δ(1)＝0，z＝1必须是方程的一个根。Δ(z)的表达式是

Δ(z)＝(1-z^-1)·Δ′，

其中Δ′的所有系数被确定。图3示出了以上述重新配置的FIR滤波器28′实现的替代校正输入生成器16′的方块图。

检流计12的扫描镜将激光光束指向期望的目标位置。理想的是，实际镜位置z与所测扫描器位置y成正比，或z＝cy，其中c为已知或所测量的常数值。由于扫描器位置通过联合编码器测定，当其在高加速度位置交换条件期间经受偏移时，设在扫描器轴自由端的镜的实际位置与扫描器轴的测量位置不匹配。这个差异的原因之一在于扫描器轴与镜之间的机械连接的有限刚度。因而，实际中，z＝Sy，其中S表示表征Cambridge Technology，Inc.公司6220H型检流计上测量的扫描器位置和实际的镜位置之间的耦合特征的动态滤波器。

图4A示出了展示约10kHz的最高振幅值或峰值的动态滤波器转移函数S。为补偿动态滤波效应，在迭代精化过程的步骤2中实现逆转或倒置(invert)陷波滤波器以抵消10kHz峰值的系统，该陷波滤波器具有如图4B所示的转移函数，其中最初e＝u-y。陷波滤波器实施方式有助于确定FIR28时，e＝Nu-y，其中Nu为u的陷波滤波形式。由于示出的扫描器所测位置与实际的镜位置在这一频率范围差异较大，进行陷波滤波器补偿的一部分是FIR滤波器28的计算，以阻止迭代精化过程补偿有关陷波频率的跟踪误差。

使用如上所述实现的并安装于激光光束定位系统的校正输入生成器16使得与之前用来定位激光光束的那些系统相比，能够以更高的加速度与更宽的带宽操作检流计。结果是目标样本伺服机构性能提高约25％。

对上述实施例的细节做出多种变动而不背离本发明的根本原则，对于本领域技术人员是显而易见的。例如，校正输入生成器的可替换实施方式可尤其包括无限脉冲响应(IIR)滤波器、组合IIR和FIR滤波器或诸如神经网络的非线性滤波方法。因此，本发明的范围应仅由以下权利要求确定。

Claims (16)

1.一种高速精确伺服机构控制系统，其包括：

闭环控制伺服机构，其用反馈控制和前馈补偿实现从而控制响应施加于所述控制系统的命令输入流的物理设备的输出状态；以及

校正输入生成器，其响应所述命令输入流而提供精化输入流，所述精化输入流补偿闭环的伺服机构缺陷，所述物理设备响应所述精化输入流，以获得操作公差内的、对应于所述命令输入流的期望输出状态，所述校正输入生成器用校正输入映射实现，该映射为任意命令输入流提供匹配解，所述匹配解使所述物理设备获得对应于所述任意命令输入流的所述期望输出状态。

2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述校正输入生成器包括FIR滤波器，其用被计算而提供所述匹配解的滤波系数实现。

3.如权利要求2所述的控制系统，其中所述FIR滤波器有输出，且其中所述校正输入生成器对与所述FIR滤波器的输出结合的所述任意命令输入流实施输入延迟，以产生所述精化输入流。

4.如权利要求1所述的控制系统，其中所述输出状态表示运动，且所述物理设备表示作为激光光束定位系统的一部分运行的检流计和功率驱动电子器件。

5.如权利要求4所述的控制系统，其中所述命令输入流表示期望的激光光束位置位移。

6.如权利要求4所述的控制系统，其中在特定频率处示出峰值的动态滤波器转移函数表征所述检流计的运行特征，且其中在所述校正输入生成器中实现的所述校正输入映射包括陷波滤波器，所述陷波滤波器具有抵消在所述特定频率处的峰值的转移函数。

7.如权利要求6所述的控制系统，其中所述校正输入生成器包括用滤波系数实现的FIR滤波器，所述滤波系数被计算从而提供包括所述陷波滤波器的匹配解。

8.一种建立高速精确伺服机构控制系统的方法，所述系统包括用反馈控制和前馈补偿实现从而控制响应命令输入流的物理设备的输出状态的闭环控制伺服机构，所述方法包括：

提供校正输入生成器，所述校正输入生成器响应所述命令输入流而产生所述物理设备响应的精化输入流，所述精化输入流补偿闭环的伺服机构缺陷；以及

执行以迭代方式修改命令输入流的迭代命令输入精化过程以实现校正输入映射，其为任意命令输入流提供匹配解，该匹配解使所述物理设备获得在操作公差内的对应于所述任意命令输入流的期望输出状态。

9.如权利要求8所述的方法，其中执行迭代命令输入精化过程包括：

(a)将精化输入命令施加于所述伺服机构控制系统并测量其输出流，所述精化输入命令包括移动命令输入和递增校正因子；

(b)测量表示所述移动命令输入和所测输出流之间差异的误差流；

(c)将所述误差流与操作公差相比较，只要所述误差流超出所述操作公差，就在时间上反转误差流以形成时间反转的误差流，将所述时间反转的误差流作为命令施加于所述伺服机构控制系统并测量其输出流，时间反转所测输出流以形成所测输出流的时间反转形式，并确定表示所述递增校正因子与动态调整的校正增益和所述所测输出流的时间反转形式乘积之和的下一个精化输入命令；以及

(d)重复前述步骤(a)、(b)和(c)，直至所述误差流处于所述操作公差内。

10.如权利要求8所述的方法，其中执行迭代命令输入精化过程包括：

(a)将精化输入命令施加于所述伺服机构控制系统并测量其输出流，所述精化输入命令包括移动命令输入和递增校正因子；

(b)测量表示所述移动命令输入和计算的输出流之差的误差流；

(c)将所测误差流与操作公差相比较，并且只要所述误差流超出所述操作公差，就通过数学模拟将所述所测误差流作为命令施加于所述闭环控制伺服机构的建模伴随矩阵并计算输出流，以及确定表示所述递增校正因子与动态调整的校正增益和所计算的输出流乘积之和的下一个精化输入命令；以及

(d)重复前述步骤(a)、(b)和(c)，直至所述所测误差流处于所述操作公差内。

11.如权利要求8所述的方法，其中所述校正输入生成器包括用滤波系数实现的FIR滤波器，所述滤波系数被计算从而提供匹配解。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述FIR滤波器有输出，且其中所述校正输入生成器对与所述FIR滤波器输出结合的所述任意命令输入流实施输入延迟，以产生所述精化输入流。

13.如权利要求8所述的方法，其中所述输出状态表示运动，且所述物理设备表示作为激光光束定位系统的一部分运行的检流计和功率驱动电子器件。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述命令输入流表示期望的激光光束位置位移。

15.如权利要求13所述的方法，其中在特定频率处示出峰值的动态滤波器转移函数表征检流计的运行特征，且其中在所述校正输入生成器中实现的校正输入映射包括陷波滤波器，其具有抵消在所述特定频率处峰值的转移函数。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述校正输入生成器包括用滤波系数实现的FIR滤波器，所述滤波系数被计算以提供包括所述陷波滤波器的匹配解。

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