CN110161843A - 一种压电驱动纳米定位平台的控制方法及相关装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种压电驱动纳米定位平台的控制方法，包括接收原始输入信号并利用非对称SI输入整形器对原始输入信号进行滤波处理后输出滤波处理后的输入信号至闭环控制系统；其中，闭环控制系统包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台；获取闭环控制系统的输入信号与闭环控制系统的输出信号，并根据输入信号与输出信号确定PD控制器的控制参数的调节值；基于调节值修改PD控制器的控制参数。该方法可有效克服迟滞非线性、低阻尼振动特性及变负载条件下系统参数发生改变对系统定位速度和精度的影响，保障压电驱动纳米定位平台的运动性能。本申请还公开了一种压电驱动纳米定位平台的控制系统、装置以及计算机可读存储介质，均具有上述技术效果。
Description
技术领域
本申请涉及精密定位技术领域，特别涉及一种压电驱动纳米定位平台的控制方法；还涉及一种压电驱动纳米定位平台的控制装置、系统以及计算机可读存储介质。
背景技术
以压电驱动纳米定位平台为代表的精密定位技术已日益成为诸如半导体超精密加工/量测、精密材料科学、生命科学显微操作、扫描显微镜技术等高科技产业及交叉学科领域的关键技术。压电驱动纳米定位平台是以压电陶瓷驱动器驱动并以柔性机构作位移导向、高性能电容传感器作位置检测的精密运动定位系统。压电陶瓷驱动器响应速度快、分辨率高、驱动力大，是精密运动定位系统的首选驱动元件。柔性机构结构紧凑、无间隙、无摩擦、无需润滑，由压电陶瓷驱动器和柔性机构组成的定位系统，能够实现普通电机伺服系统难以达到的高精度定位。然而，压电陶瓷驱动器的蠕变和磁滞非线性极大地降低了系统的定位精度，甚至导致系统的不稳定。压电驱动纳米定位平台高刚度、低阻尼的机械结构特性又会导致低阻尼谐振模态的存在。为避免高频输入信号激发压电驱动纳米定位平台产生不必要的谐振振动而影响定位精度，在实际应用中，输入信号的频率往往被限定在压电驱动纳米定位平台的最低共振频率的1/100到1/10之间，从而限制了系统的定位速度。另外，在工业现场中，系统的外部干扰等都会影响系统运行性能，特别是对于压电驱动纳米定位平台载重负载需要实时变化的应用情况，压电驱动纳米定位平台工作前调制好的控制参数在负载发生变化后不再适用，从而使系统不满足期望的运动性能。若停止系统运行再重新调整控制参数，不仅会大大降低工作效率，而且有些情况下往往不允许如此操作。
为克服迟滞非线性、低阻尼振动特性和变负载条件下系统参数发生改变等对系统定位速度和精度的影响，目前存在多种解决方案：针对压电驱动运动平台的迟滞非线性控制，现有技术包括电荷驱动控制、基于迟滞逆模型补偿的控制、闭环反馈控制。针对压电驱动运动平台低阻尼谐振振动的控制，现有技术包括陷波滤波法、振动逆模型前馈控制法。虽然在一定程度上上述现有技术方案可以缓解迟滞非线性、低阻尼振动特性等对系统定位速度和精度的影响，但是却均存在不同的技术缺陷，例如：电荷驱动控制方案中的电荷放大器设计复杂、成本高难以实现普及性应用。基于迟滞逆模型补偿的控制方案，受迟滞逆模型的精确度制约且不利于工程应用。振动逆模型前馈控制法需要被控系统的模型完全精确已知，否则会严重影响系统振动抑制的效果，并且对高频噪声和高频未建模动态具有放大作用。陷波滤波法在系统模型存在不确定性或系统运行过程中由干扰因素导致的模型参数变化都会使谐振抑制效果快速下降。
因此，如何解决上述技术缺陷是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种压电驱动纳米定位平台的控制方法，能够有效克服迟滞非线性、低阻尼振动特性和变负载条件下系统参数发生改变对系统定位速度和精度的影响，保障压电驱动纳米定位平台的运动性能；本申请的另一目的是提供一种压电驱动纳米定位平台的控制系统、装置以及计算机可读存储介质，均具有上述技术效果。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种压电驱动纳米定位平台的控制方法，包括：
接收原始输入信号并利用非对称SI输入整形器对所述原始输入信号进行滤波处理后输出滤波处理后的输入信号至闭环控制系统；其中，所述闭环控制系统包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台；
获取所述闭环控制系统的输入信号与所述闭环控制系统的输出信号，并根据所述输入信号与所述输出信号确定所述PD控制器的控制参数的调节值；
基于所述调节值修改所述PD控制器的所述控制参数。
可选的，所述根据所述输入信号与所述输出信号确定所述PD控制器的控制参数的调节值，包括：
根据所述输入信号与所述输出信号通过自适应代数辨识算法确定所述PD控制器的所述控制参数的调节值。
可选的，所述非对称SI输入整形器的创建过程包括：
根据预设不敏感系数确定所述非对称SI输入整形器的鲁棒频率范围；
重复执行约束方程组直至在所述鲁棒频率范围内残余振动小于或等于最大容许残余振动；
根据在所述鲁棒频率范围内残余振动小于或等于最大容许残余振动时得到的非对称自然频率、脉冲振幅以及脉冲时间得到所述非对称SI输入整形器。
可选的，还包括：
调整所述非对称SI输入整形器的所述鲁棒频率范围。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种压电驱动纳米定位平台的控制系统，包括：
信号滤波模块，用于接收原始输入信号并利用非对称SI输入整形器对所述原始输入信号进行滤波处理后输出滤波处理后的输入信号至闭环控制系统；其中，所述闭环控制系统包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台；
确定模块，用于获取所述闭环控制系统的输入信号与所述闭环控制系统的输出信号，并根据所述输入信号与所述输出信号确定所述PD控制器的控制参数的调节值；
参数修改模块，用于基于所述调节值修改所述PD控制器的所述控制参数。
可选的，所述确定模块具体用于根据所述输入信号与所述输出信号通过自适应代数辨识算法确定所述PD控制器的所述控制参数的调节值。
可选的，还包括：
频率调整模块，用于根据设置输入调整所述非对称SI输入整形器的鲁棒频率范围。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种压电驱动纳米定位平台的控制装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的压电驱动纳米定位平台的控制方法的步骤。
为解决上述技术问题，本申请还提供给了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的压电驱动纳米定位平台的控制方法的步骤。
本申请所提供的压电驱动纳米定位平台的控制方法，包括：接收原始输入信号并利用非对称SI输入整形器对所述原始输入信号进行滤波处理后输出滤波处理后的输入信号至闭环控制系统；其中，所述闭环控制系统包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台；获取所述闭环控制系统的输入信号与所述闭环控制系统的输出信号，并根据所述输入信号与所述输出信号确定所述PD控制器的控制参数的调节值；基于所述调节值修改所述PD控制器的所述控制参数。
可见，本申请所提供的压电驱动纳米定位平台的控制方法，利用非对称SI输入整形器对原始输入信号进行滤波处理，滤除原始输入信号中激发系统谐振的频率成分，从而有效解决了低阻尼振动特性对压电驱动纳米定位平台速度和精度的影响。另外，采用PD控制器对迟滞非线性进行直接补偿，并在线实时调节PD控制器的控制参数，从而能够有效解决迟滞非线性对压电驱动纳米定位平台精度的影响，保障压电驱动纳米定位平台的运动性能。
本申请所提供的压电驱动纳米定位平台的控制系统、装置以及计算机可读存储介质，均具有上述技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种压电驱动纳米定位平台的控制方法的流程示意图；
图2为本申请实施例所提供的一种压电驱动纳米定位平台的控制框图；
图3为本申请实施例所提供的一种频率残余振动敏感度曲线；
图4为本申请实施例所提供的一种压电驱动纳米定位平台的控制系统的示意图。
具体实施方式
本申请的核心是提供一种压电驱动纳米定位平台的控制方法，能够有效克服迟滞非线性、低阻尼振动特性和变负载条件下系统参数发生改变对系统定位速度和精度的影响，保障压电驱动纳米定位平台的运动性能；本申请的另一核心是提供一种压电驱动纳米定位平台的控制系统、装置以及计算机可读存储介质，均具有上述技术效果。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种压电驱动纳米定位平台的控制方法的流程示意图；参考图1，该控制方法包括：
S101：接收原始输入信号并利用非对称SI输入整形器对原始输入信号进行滤波处理后输出滤波处理后的输入信号至闭环控制系统；其中，闭环控制系统包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台；
具体的，参考图2所示，相较于现有振动逆模型前馈控制方案以及陷波滤波法，为克服低阻尼振动特性对压电驱动纳米定位平台速度与精度的影响，本申请采用输入整形技术抑制压电驱动纳米定位平台的谐振振动。具体而言，原始输入信号输入非对称SI输入整形器后，非对称SI输入整形器的预设的脉冲序列与原始输入信号进行卷积运算，从而滤除原始输入信号中激发系统谐振的频率成分，并进一步将滤波处理后的输入信号输出值闭环控制系统。
非对称SI(指定不敏感度)输入整形器的非对称是指鲁棒频率范围的非对称，存在频率残余振动敏感曲线：ωf＝fωn且f∈(0,1)，其中，ωf为非对称自然频率，f为非对称系数，ωn为闭环控制系统的自然频率；与最大容许残余振动Vtol且Vtol＞0。在高于非对称自然频率的上边界频率ωm处有V(ζ，ωm)≤Vtol，在低于非对称自然频率的下边界频率ωl处有V(ζ，ωl)≤Vtol，其中，ωm＝(1+k/2)ωf，ωl＝(1-k/2)ωf，k为不敏感系数且k∈[0,2]，ζ为闭环控制系统的阻尼系数，Vtol为最大容许残余振动。
在鲁棒频率范围((1-k/2)ωf,(1+k/2)ωf)内，频率残余振动敏感度曲线有H个达到振动驼峰的峰值频率点满足且j＝1,...,H。有H+1个峰值频率点满足p＝1,...,H+1，H为零或为正整数，
由此，在一种具体的实施方式中，上述非对称SI输入整形器的创建过程可以包括：根据预设不敏感系数确定非对称SI输入整形器的鲁棒频率范围；重复执行约束方程组直至在鲁棒频率范围内残余振动小于或等于最大容许残余振动；根据在鲁棒频率范围内残余振动小于或等于最大容许残余振动时得到的非对称自然频率、脉冲振幅以及脉冲时间得到非对称SI输入整形器。
具体的，获取压电驱动纳米定位平台的传递函数，具体可通过正弦扫频实验测得。具体而言，向压电驱动纳米定位平台输入正弦变频信号，并采样压电驱动纳米定位平台的输出数据，进而进行输出数据分析以及模型参数辨识得到压电驱动纳米平台的传递函数，形式如下：进而，结合PD控制器的传递函数，得到包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台的闭环控制系统的传递函数：其中，式中的Kp、Kd分别为PD控制器的比例控制参数与微分控制参数，且Kp＞0Kd＞0，Y(s)为闭环控制系统的输入，Uc(s)为闭环控制系统的输出。从而基于此闭环传递函数可得闭环控制系统的自然频率：阻尼系数：
进一步，利用频率采样的方法构建一系列脉冲序列：其中，n为脉冲数，Ai为第i个脉冲幅值，ti为第i个脉冲时间。从而得脉冲响应方程为：
根据预设的不敏感系数k确定鲁棒频率范围((1-k/2)ωf,(1+k/2)ωf)，设H＝0，根据闭环控制系统的阻尼系数ζ、非对称自然频率ωf以及最大容许残余振动Vtol，重复约束方程组(每次H增加1)直至在鲁棒频率范围内满足V≤Vtol，从而得到非对称自然频率ωf、脉冲振幅Ai以及脉冲时间ti，进而依据非对称自然频率ωf、脉冲振幅Ai以及脉冲时间ti得到非对称SI输入整形器。其中，上述约束方程组如下：
其中，ωj为第j个峰值频率点，j＝1,...,H。
另外，参考表1所示的在最大容许残余振动为5％时，不敏感系数k、驼峰个数H以及闭环控制系统阻尼比间的关系，在H＝2的情况下，如k＝0.8，f＝0.8，H＝2时(此时对应的频率残余振动敏感度曲线如图3所示)还可采用双峰值EI输入整形器公式得到非对称SI输入整形器，其中：
表1不敏感系数、驼峰个数以及闭环控制系统阻尼比关系表
此外，在压电驱动纳米定位平台运行过程中，若负载发生变化且振动抑制效果不明显，还可重新调整非对称SI输入整形器的鲁棒频率范围，以达到期望的振动抑制效果。
进一步，为避免现有技术中迟滞逆模型难以精确辨识以及工程应用困难的问题，本申请采用比例微分控制器即PD控制器对迟滞非线性直接进行补偿，因此，闭环控制系统包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台。
S102：获取闭环控制系统的输入信号与闭环控制系统的输出信号，并根据输入信号与输出信号确定PD控制器的控制参数的调节值；
S103：基于调节值修改PD控制器的控制参数。
具体的，本步骤旨在实现PD控制器的控制参数的在线调节，以克服在压电驱动纳米定位平台的负载发生的情况下PD控制器的控制参数不适应的问题。具体而言，可在压电驱动纳米定位平台的运行过程中，实时获取闭环控制系统的输入信号与闭环控制系统的输出信号，进而根据输入信号与输出信号确定PD控制器的控制参数的调节值，包括比例控制参数的调节值与微分控制参数的调节值。并进一步基于调节值修改PD控制器的控制参数，实现对PD控制器的控制参数的实时整定，使压电驱动纳米定位平台在负载变化的情况下依然能够维持高精度的运动性能。
其中，上述根据闭环控制系统的输入信号与输出信号确定PD控制器的控制参数的调节值可以通过遗忘因子递推最小二乘法实现，也可以采用递推最大似然法、自适应代数辨识算法等实现。具体可根据实际应用需要进行差异性设置，本申请对此不做唯一限定。
在一种具体的实施方式中，上述根据闭环控制系统的输入信号与输出信号确定PD控制器的控制参数的调节值包括根据输入信号与输出信号通过自适应代数辨识算法确定PD控制器的控制参数的调节值。
具体的，本实施例具体通过自适应代数识别算法确定PD控制器的控制参数的调节值。具体而言，将闭环控制系统的传递函数写为微分方程式，得：
在非零初始条件下对式(1)做拉氏变换，得：
s2Y(s)+(b+aKd)sY(s)+(aKp+c)Y(s)-aKpUc(s)-akdsUc(s)＝0 (2)
设a1＝aKp，a2＝aKd，得：
s2Y(s)+bsY(s)+a1(sY(s)-Uc(s))+a2(Y(s)-sUc(s))＝0 (3)
对式(3)进行两次微分并整理，得：
为抑制时间求导对噪声的放大，对式(4)的各项乘以s-2，得：
将式(5)转化为时域形式，得：
η1(t)+bη2(t)+a1η3(t)+a2η4(t)＝0(6)
其中，
令：
将式(6)两边积分，得：
进一步，根据式(6)与(7)得：
进而得比例控制参数的调整值微分控制参数的调整值Kd，est：
综上所述，本申请所提供的压电驱动纳米定位平台的控制方法，利用非对称SI输入整形器对原始输入信号进行滤波处理，滤除原始输入信号中激发系统谐振的频率成分，从而有效解决了低阻尼振动特性对压电驱动纳米定位平台速度和精度的影响。另外，采用PD控制器对迟滞非线性进行直接补偿，并在线实时调节PD控制器的控制参数，从而能够有效解决迟滞非线性对压电驱动纳米定位平台精度的影响，保障压电驱动纳米定位平台的运动性能。
本申请还提供了一种压电驱动纳米定位平台的控制系统，下文描述的该系统可以与上文描述的方法相互对应参照。参考图4所示，该控制系统包括：
信号滤波模块10，用于接收原始输入信号并利用非对称SI输入整形器对原始输入信号进行滤波处理后输出滤波处理后的输入信号至闭环控制系统；其中，闭环控制系统包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台；
确定模块20，用于获取闭环控制系统的输入信号与闭环控制系统的输出信号，并根据输入信号与输出信号确定PD控制器的控制参数的调节值；
参数修改模块30，用于基于调节值修改PD控制器的控制参数。
在上述实施例的基础上，可选的，确定模块20具体用于根据输入信号与输出信号通过自适应代数辨识算法确定PD控制器的控制参数的调节值。
在上述实施例的基础上，可选的，还包括：
频率调整模块，用于根据设置输入调整非对称SI输入整形器的鲁棒频率范围。
本申请还提供了一种压电驱动纳米定位平台的控制装置，包括：存储器与处理器；其中，存储器用于存储计算机程序，处理器用于执行该计算机程序时实现如下的步骤：
接收原始输入信号并利用非对称SI输入整形器对原始输入信号进行滤波处理后输出滤波处理后的输入信号至闭环控制系统；其中，闭环控制系统包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台；获取闭环控制系统的输入信号与闭环控制系统的输出信号，并根据输入信号与输出信号确定PD控制器的控制参数的调节值；基于调节值修改PD控制器的控制参数。
对于本申请所提供的控制装置的介绍请参照上述方法的实施例，本申请在此不做赘述。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如下的步骤：
接收原始输入信号并利用非对称SI输入整形器对原始输入信号进行滤波处理后输出滤波处理后的输入信号至闭环控制系统；其中，闭环控制系统包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台；获取闭环控制系统的输入信号与闭环控制系统的输出信号，并根据输入信号与输出信号确定PD控制器的控制参数的调节值；基于调节值修改PD控制器的控制参数。
该计算机可读存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
对于本发明所提供的计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不做赘述。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置、装置以及计算机可读存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦写可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本申请所提供的压电驱动纳米定位平台的控制方法、系统、装置以及计算机可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种压电驱动纳米定位平台的控制方法，其特征在于，包括：
接收原始输入信号并利用非对称SI输入整形器对所述原始输入信号进行滤波处理后输出滤波处理后的输入信号至闭环控制系统；其中，所述闭环控制系统包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台；
获取所述闭环控制系统的输入信号与所述闭环控制系统的输出信号，并根据所述输入信号与所述输出信号确定所述PD控制器的控制参数的调节值；
基于所述调节值修改所述PD控制器的所述控制参数。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述输入信号与所述输出信号确定所述PD控制器的控制参数的调节值，包括：
根据所述输入信号与所述输出信号通过自适应代数辨识算法确定所述PD控制器的所述控制参数的调节值。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述非对称SI输入整形器的创建过程包括：
根据预设不敏感系数确定所述非对称SI输入整形器的鲁棒频率范围；
重复执行约束方程组直至在所述鲁棒频率范围内残余振动小于或等于最大容许残余振动；
根据在所述鲁棒频率范围内残余振动小于或等于最大容许残余振动时得到的非对称自然频率、脉冲振幅以及脉冲时间得到所述非对称SI输入整形器。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括：
调整所述非对称SI输入整形器的所述鲁棒频率范围。
5.一种压电驱动纳米定位平台的控制系统，其特征在于，包括：
信号滤波模块，用于接收原始输入信号并利用非对称SI输入整形器对所述原始输入信号进行滤波处理后输出滤波处理后的输入信号至闭环控制系统；其中，所述闭环控制系统包括PD控制器与压电驱动纳米定位平台；
确定模块，用于获取所述闭环控制系统的输入信号与所述闭环控制系统的输出信号，并根据所述输入信号与所述输出信号确定所述PD控制器的控制参数的调节值；
参数修改模块，用于基于所述调节值修改所述PD控制器的所述控制参数。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述确定模块具体用于根据所述输入信号与所述输出信号通过自适应代数辨识算法确定所述PD控制器的所述控制参数的调节值。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，还包括：
频率调整模块，用于调整所述非对称SI输入整形器的鲁棒频率范围。
8.一种压电驱动纳米定位平台的控制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述的压电驱动纳米定位平台的控制方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的压电驱动纳米定位平台的控制方法的步骤。
Priority Applications (1)
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