CN108227487B - 基于预测模型切换摩擦力补偿自抗扰控制方法及运动平台 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于预测模型切换的摩擦力补偿自抗扰控制方法。在速度过零点，主要响应为弹性动力学响应，预测模型为
Figure DDA0001514862240000011
在其他阶段，主要响应为刚体运动
Figure DDA0001514862240000012
在自抗扰控制器基础上，通过构建不同阶段的扩展观测器模型，并根据运动状态进行切换控制，使得模型能够准确反应该运动阶段的控制规律，从而获得准确的扰动估计，实现对扰动偏差的准确消除。

Description

基于预测模型切换摩擦力补偿自抗扰控制方法及运动平台
技术领域
本发明涉及高速精密运动控制领域的技术领域，更具体地，涉及一种运动平台基于预测模型切换的摩擦力补偿自抗扰控制方法及运动平台。
背景技术
在高速精密运动控制领域，基于机械导轨的运动平台存在摩擦死区，精度只能达到微米级。在更高精度要求的场合，工业上需要采用气浮、磁悬浮和静压导轨等方式来降低甚至消除摩擦力的影响，成本高，试用环境要求高，不适应用与量大面广的电子制造场合。然而，电子制造业得摩尔定律(当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍)对封装装备精度和速度都提出了苛刻的要求。传统的摩擦力补偿方案和控制方法难于以满足日益增长的高速精密运动控制的要求。科技人员都在努力寻求能够克服摩擦力的控制方案，自抗扰控制算法是其中一种有效的方法，可以将模型误差与外部干扰作为统一的扰动因素进行考虑，实现对包含摩擦力在内的所有干扰信息的抑制。但是运动平台都带有一定的柔性，这意味着当驱动器带动运动平台克服最大静摩擦力时，运动平台自身必然会产生一定的弹性变形。如图1所示，如果上述弹性变形小于许用定位误差，即上述运动平台克服最大静摩擦力的临界弹性变形为小扰动情况时，这意味着基于运动平台
Figure BDA0001514862220000011
控制律的自抗扰控制算法的扩展观测器预测模型可以不考虑摩擦力对控制律的影响。但是当上述克服静摩擦的驱动力导致运动平台产生的弹性变形已经大于平台的许用定位误差，例如当实现纳米级(<0.1μm)定位精度时，实际运动平台在克服最大静摩擦力之前的实际动力学响应方程为
Figure BDA0001514862220000012
这将导致基于运动平台的动力学
Figure BDA0001514862220000013
控制律的自抗扰控制算法内部所用的扩张观测器很难有效地预测上述克服最大静摩擦力的弹性变形扰动，难于有效地抑制由摩擦力导致的干扰。
此外，自抗扰控制器的干扰抑制效果严重依赖于反馈环节中的传感器信息，而以光栅尺为代表的大行程高精密测量系统存在着高速度与高精度之间的矛盾，即测量速度提高时测量精度往往较低，进而影响高速工况下自抗扰控制算法的有效性。
发明内容
本发明为解决高定位精度要求下的基于自抗扰控制算法的摩擦力补偿问题，提供一种基于预测模型切换的摩擦力补偿自抗扰控制方法。在速度过零点，主要响应为弹性动力学响应，预测模型为
Figure BDA0001514862220000021
在其他阶段，主要响应为刚体运动
Figure BDA0001514862220000022
在自抗扰控制器基础上，通过构建不同阶段的扩展观测器模型，并根据运动状态进行切换控制，使得模型能够准确反应该运动阶段的控制规律，从而获得准确的扰动估计，实现对扰动偏差的准确消除。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是如下。
一种运动平台基于预测模型切换的摩擦力补偿自抗扰控制方法，所述控制方法包括以下步骤：S1.输入工作平台的惯性M、静摩擦力fs和动摩擦力fv，F代表驱动力，x,
Figure BDA0001514862220000023
分别代表平台位移、速度和加速度，并输入导轨支撑下的所述工作平台弹性振动响应的等效刚度k、质量m和阻尼c；S2.构建所述工作平台的运动状态检测环节，闭环系统，建立预测模型切换自抗扰控制算法：1)当驱动力小于静摩擦力，并且速度小于某一阈值v*时，此时处于摩擦死区，所述工作平台在驱动力作用下作弹性变形，控制规律为振动响应控制，所述自抗扰控制算法为第一预测模型；2)当驱动力大于静摩擦力，或者速度大于某一阈值v*时，此时工作平台处于大范围运动状态，主要运动为刚体运动，所述自抗扰控制算法为第二预测模型。
进一步，所述第一预测模型为
Figure BDA0001514862220000024
进一步，所述第二预测模型为
Figure BDA0001514862220000025
进一步，所述速度阈值为
Figure BDA0001514862220000026
进一步，所述第二预测模型不考虑摩擦力，直接取
Figure BDA0001514862220000027
一种运动平台，所述运动平台包括：导轨、导轨支撑下的工作平台，所述运动平台使用所述基于预测模型切换的摩擦力补偿自抗扰控制方法。
与现有技术相比，有益效果是：使得模型能够准确反应该运动阶段的控制规律，从而获得准确的扰动估计，实现对扰动偏差的准确消除。
附图说明
图1为传统运动平台的刚体运动模型。
图2为本发明的工作原理图。
图3为考虑平台弹性变形的运动模型。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
传统PID控制直接取参考给定与输出反馈之差作为控制信号，导致出现响应快速性与超调性的矛盾出现。自抗扰控制器自PID控制器演变过来，采取了PID误差反馈控制的核心理念。
自抗扰控制器主要由三部分组成：跟踪微分器(tracking differentiator)，扩展状态观测器(extended state observer)和非线性状态误差反馈控制律(nonlinear stateerror feedback law)。
跟踪微分器的作用是安排过渡过程，给出合理的控制信号，解决了响应速度与超调性之间的矛盾。扩展状态观测器用来解决模型未知部分和外部未知扰动综合对控制对象的影响。虽然叫做扩展状态观测器，但与普通的状态观测器不同。扩展状态观测器设计了一个扩展的状态量来跟踪模型未知部分和外部未知扰动的影响。然后给出控制量补偿这些扰动。将控制对象变为普通的积分串联型控制对象。设计扩展状态观测器的目的就是观测扩展出来的状态变量，用来估计未知扰动和控制对象未建模部分，实现动态系统的反馈线性化，将控制对象变为积分串联型。非线性误差反馈控制律给出被控对象的控制策略。
如图2、3所示，本发明所述的基于降低扰动带宽的摩擦力补偿自抗扰控制方法步骤包括：
输入运动平台的惯性M、静摩擦力fs和动摩擦力fv，并输入导轨支撑下的平台弹性振动响应的等效刚度k、质量m和阻尼c。
构建运动状态检测环节，闭环系统，建立预测模型切换自抗扰控制算法：
1)当驱动力小于静摩擦力，并且速度小于某一阈值v*时，此时处于摩擦死区，平台在驱动力作用下作弹性变形，控制规律为振动响应控制，扩展状态观测器的预测模型为
Figure BDA0001514862220000041
2)当驱动力大于静摩擦力，或者速度大于某一阈值v*时，此时运动平台处于大范围运动状态，主要运动为刚体运动，扩展状态观测器为
Figure BDA0001514862220000042
优选地，上述速度阈值为
Figure BDA0001514862220000043
优选地，当控制器的带宽足够大时，刚体运动部分的预测模型可以不考虑摩擦力，直接取
Figure BDA0001514862220000044
本发明所述的基于预测模型切换的摩擦力补偿自抗扰控制方法的工作原理如下：
在运动平台启动和结束阶段，驱动力小于导轨静摩擦力时，导轨处于摩擦死区的静止状态。驱动力作用下，平台产生弹性变形，此时的系统响应为弹性振动响应
Figure BDA0001514862220000045
若振动幅值大于运动状态反馈测量的分辨率，则将自抗扰控制器的扩展状态观测器的预测模型设置为
Figure BDA0001514862220000046
在自抗扰控制器的扰动消除机制下，通过驱动力与弹性力的平衡实现精密位移输出，避免了滞-滑现象。
当驱动力足于克服静摩擦力时，系统主要响应为牛顿第二定律
Figure BDA0001514862220000047
为了更加精确估计系统的响应，预扩展状态观测器的预测模型设为
Figure BDA0001514862220000048
自抗扰控制器可以轻松消除摩擦力波动带来的扰动。当然，由于自抗扰控制器的误差消除能力非常强大，预测模型不考虑摩擦力，设置为
Figure BDA0001514862220000049
也能达到很好的效果。当控制器的带宽足够大时，刚体运动部分的预测模型可以不考虑摩擦力，直接取
Figure BDA00015148622200000410
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于预测模型切换的摩擦力补偿自抗扰控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
S1.输入工作平台的惯性M、静摩擦力fs和动摩擦力fv，F代表驱动力，x,
Figure FDA0002739201640000011
分别代表平台位移、速度和加速度，并输入导轨支撑下的所述工作平台弹性振动响应的等效刚度k、质量m和阻尼c；
S2.构建所述工作平台的运动状态检测环节，闭环系统，建立预测模型切换自抗扰控制算法：
1)当驱动力小于静摩擦力，并且速度小于速度阈值v*时，此时处于摩擦死区，所述工作平台在驱动力作用下作弹性变形，控制规律为振动响应控制，所述自抗扰控制算法为第一预测模型；
2)当驱动力大于静摩擦力，或者速度大于速度阈值v*时，此时工作平台处于大范围运动状态，主要运动为刚体运动，所述自抗扰控制算法为第二预测模型；
其中，所述第一预测模型为
Figure FDA0002739201640000012
所述第二预测模型为
Figure FDA0002739201640000013
2.根据权利要求1中所述的基于预测模型切换的摩擦力补偿自抗扰控制方法，其特征在于，所述速度阈值为
Figure FDA0002739201640000014
3.根据权利要求1或2所述的基于预测模型切换的摩擦力补偿自抗扰控制方法，其特征在于，所述第二预测模型不考虑摩擦力，直接取
Figure FDA0002739201640000015
4.一种运动平台，所述运动平台包括：导轨、导轨支撑下的工作平台，其特征在于，所述运动平台使用如权利要求1-3中任一项所述的控制方法。
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