CN1726439A - 重复性控制器以及包含它的驱动伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明通常涉及用于抑制具有半波对称的周期信号的重复性控制器领域，更特别地，本发明涉及一种具有存储器环(被供给以周期为NT的周期信号)的形式的重复性控制器，并且其中存储器大小包括N/2个存储元件、反馈连接是负的，且存储器环的输出处提供因数－1/2。这样一种重复性控制器例如可用到记录和再现仪器(包括用于将数据记录到记录介质的磁头)的驱动伺服系统的干扰补偿模块中。

Description

重复性控制器以及包含它的驱动伺服系统

技术领域

本发明涉及用于抑制具有半波对称(周期为T的周期信号x(t)，如果其中x(t+T/2)＝-x(t)对任意t成立，则认为该周期信号为半波对称)的周期信号的重复性控制器。

背景技术

重复性控制又被称为迭代学习控制，在众多其中输入参考信号或干扰为周期性的并且已知该周期的控制应用中，例如承受周期干扰(例如，光盘或磁盘设备，或钢铣床)或必须重复执行相同任务(机器人、选取-放置机……)的控制系统中，它是一种非常有效的控制策略。这一策略在许多文献中都有说明，例如“Repetitive control for systemswith uncertain period-time”，M.Steinbuch，Automatica，In Press，2002年9月4日，1-7页。图1所示重复性控制器的最简单实现主要包括FIFO(先进先出)存储缓冲器，其具有捕获在一个正向反馈环中的N个抽头(即，N个存储元件)，其中N乘以采样时间Ts等于周期性干扰的基本周期(实际上，重复性控制器还包括用于稳定的滤波器，但这与将予说明的本发明不相关)。

此类缓冲器处于环中的又被称为存储器环(memory loop)，它可以被认为是自治型周期信号发生器。将存储器环用作信号发生器的一个缺点是在某些情况下其要求大量存储器。依赖采样时间Ts和信号周期T，存储器位置的数目N可能变得相当大。随后提出的两种解决方案是通过要求更少存储器的周期信号发生器来取代具有N个存储元件的存储器环。第一种方案包括应用下采样，即使用一个更大的采样时间，由此降低所要求的存储元件数目，但是此方案的主要缺点是降低了控制带宽。第二种方案包括应用同处理在周期信号中出现的所有谐波分量所需要的正弦信号发生器的数目相同的串联或并联，每个发生器只需要两个步骤或存储元件。与传统存储器环相比这一方法的缺点是实现的复杂性过高。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供重复性控制器的一种更简单的实现。

为这一目的，本发明涉及一种具有存储器环(被供给以周期为NT的周期信号)的形式的重复性控制器，并且其中存储器尺寸包括N/2个存储元件，反馈连接是负的且在存储器环的输出处提供因数1/2。

但是，这一结构仅要求前一个方案的一半存储器，却具有同前一个方案相同的控制带宽并且很容易实现。

附图说明

现在将参考附图以更详尽的方式对本发明进行说明，其中：

图1示出标准存储器环的框图；

图2示出根据本发明的重复性控制器的实现的一个例子；

图3示出传统存储器环与所提出的简化的存储器环对纯正弦波的响应的比较曲线；

图4到图6示出振幅曲线，分别为传统存储器环(N＝32)、所提出的新的存储器环，以及对所述新存储器环的补充；

图7示出移动控制问题中传统参考轨迹的一个周期。

具体实施方式

根据本发明，如图2所示，传统存储器环现被一种简化的存储器环代替，其中：

-存储器大小被减半并且仅包括N/2个存储元件；

-反馈是负的而不是正的；

-为了调整输出信号的增益和相位，环的输出处包括一个因数(-1/2)，由此所提出的环匹配传统存储器环的增益和相位。

如图3所示给出(以周期数目指示的时间)传统存储器环对纯正弦波的响应(虚线)与所提出的简化的存储器环对纯正弦波的响应(实线)的比较，显然，当周期为NT_s的正弦波被供给到这个环，设备的输出以一种与传统存储器环的输出非常相似的方式做出响应(显然要求N为偶数，这在许多实际情况中是满足的)。

数学观点将有利于更好地理解本发明。传统存储器环的转移函数为：

$\frac{Z^{-N}}{1-Z^{-N}}---\left(1\right)$

转移函数(1)可做如下分解：

$\frac{Z^{-N}}{1-Z^{-N}}=\frac{1}{2}\frac{Z^{-N/2}}{1-Z^{-N/2}}-\frac{1}{2}\frac{Z^{-N/2}}{1+Z^{-N/2}}---\left(2\right)$

表达式(2)右端的右侧项表示新存储器环，而补充的左侧项表示重复性控制器的另一个实施例，其被用于处理完全没有半波对称的周期信号。当观察两项的振幅曲线(图4)时，关于弧度表达的标准化频率以dB给出，很清楚右侧项在奇次谐波频率处具有无穷大的增益峰值，而补充项在偶谐波频率处具有无穷大的增益峰值。

因此，从数学观点出发，可以将所提出的存储器环看作传统存储器环的一半：用于处理干扰信号的奇谐波的那一半。如果N为2的乘方，则可以进一步执行将存储器环划分为更小环的这一特征，由此存储器环被划分为更小的存储器环。

例如，这样一种划分的下一个步骤如下：

$\frac{Z^{-N}}{1-Z^{-N}}=\frac{1}{2}(\frac{1}{2}\frac{Z^{-N/4}}{1-Z^{-N/4}}-\frac{1}{2}\frac{Z^{-N/4}}{1+Z^{-N/4}})-\frac{1}{2}\frac{Z^{-N/2}}{1+Z^{-N/2}}---\left(3\right)$

传统存储器循环例如可以被近似为：

$-\frac{1}{4}\frac{Z^{-N/4}}{1+Z^{-N/4}}-\frac{1}{2}\frac{Z^{-N/2}}{1+Z^{-N/2}}---\left(4\right)$

或

$\frac{1}{4}\frac{Z^{-N/4}}{1-Z^{-N/4}}-\frac{1}{2}\frac{Z^{-N/2}}{1+Z^{-N/2}}---\left(5\right)$

两者都要求具有总数3N/4个存储元件的存储器环，而不是完整的N个(左侧近似抑制奇数谐波加上第二、第六、第十…，而右侧近似抑制奇数谐波加上第零、第四、第八…)。

但是根据本发明的结构有一个限制：它仅仅抑制具有半波对称的周期信号(换句话说，它仅仅抑制周期信号的奇数谐波)。但是这一限制并不那么大，因为在许多应用中所要抑制的周期信号确实具有半波对称。例如，在光盘和磁盘存储中，主要的干扰是由记录介质磁道的偏心导致的纯正弦波，并且如果使用了根据本发明的技术方案就可以完全滤去这些干扰。同样在例如选取-放置机的情况下，所要求的任务通常具有半波对称。

显然，根据本发明的存储器环可以被用作记录和再现仪器(包括用于将数据记录到记录介质或从所述记录介质再现记录数据的磁头，且包括用于所述记录介质的驱动伺服系统)中的重复性控制器。为了补偿记录介质的偏心，所述系统包括一种使用迭代学习控制的干扰补偿模块且其自身包括形式为存储器环(被供给以周期为NT的周期信号)的重复性控制器。如上所述，在这一存储器环中，存储器大小包括N/2个存储元件，反馈连接为负的并且在存储器环的输出处提供因数-1/2。

从上述可以看出所提出的控制器优选地对具有半波对称的周期信号起作用。但是，如果干扰信号还包括偶谐波频率(例如第二个)处的主要分量，则为了处理这一特定频率分量所述控制器可增加一个适当的正弦信号发生器。这仅对控制器增加了两个步骤或存储器元件，并且同传统重复性控制器相比所要求存储器的减少仍是显著的，特别是当N较大时。

所提出控制器的另一个重要好处是可将控制增益增大到传统重复性控制器增益的两倍，而保持相同水平的稳健性。更精确地，所述增益对于传统控制器保持在0到2之间而对新控制器保持在0到4之间，这意味着新控制器的收敛速度可以达到传统控制器的两倍(不牺牲稳健性)。例如在光盘或磁盘记录中，这意味着可以在原则上减少开始读取/记录之前的等待时间，这增强了驱动的性能。

在迭代学习控制应用中(诸如选取-放置机或其它必须重复执行任务的运动控制系统，例如用在集成电路制造中的晶片步进系统)，这同样意味着可以降低所要求的学习循环的数目。在那些控制问题中，参考信号几乎总是半波对称的，原因如下。一个方向的运动通常跟随着相反方向的同等运动，并且这些运动常为彼此的精确的镜像。通常，除了DC或斜坡分量之外，都跟随有某些滤波后的砰然脉冲(bang-bang)轮廓，显然为半波对称的。这一特征从未被使用。附图7为移动控制问题示出传统参考跟踪轮廓的一个周期的图片的理想位置，其是半波对称的。

Claims (2)

1.一种重复性控制器，具有供给以周期为NT的周期信号的存储器环的形式，并且其中存储器大小包括N/2个存储元件，反馈连接是负的且在存储器环的输出端处提供因数-1/2。

2.在包括用于将数据记录到记录介质上或从所述记录介质再现记录数据的磁头的记录和再现设备中的、一种用于所述记录介质的驱动伺服系统，所述系统包括用于补偿所述记录介质的偏心的干扰补偿模块，所述模块使用迭代学习控制并且其自身包括重复性控制器，其形式为被供给以周期为NT的周期信号的存储器环，并且其中存储器大小包括N/2个存储元件，反馈连接为负的且在存储器环的输出端处提供因数-1/2。

Images