[發明專利]超精密運動系統前饋控制器參數整定方法

有效

• 申請號: 201810737596.1
• 申請日: 2018-07-06
• 公開（公告）號: CN108983703B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 朱煜;李鑫;戴淥爻;成榮;楊開明;王磊杰;張鳴
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京華卓精科科技股份有限公司
• 主分類號: G05B19/404
• 分類號: G05B19/404
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 董永輝;曹素云

一種超精密運動系統前饋控制器參數整定方法，若反饋控制器直流增益為有限值，跟蹤誤差與參考軌跡N階導數成正比，即跟蹤誤差與參考軌跡N階導數有相同形狀，則判定N階導數前饋系數不準確，用二分法整定N階導數前饋系數，直至跟蹤誤差形狀與參考軌跡的N+1階導數相同，即得準確的N階導數前饋系數；若反饋控制器直流增益為無窮大并只含有一階積分，跟蹤誤差與參考軌跡的N+1階導數成正比，判定N階導數前饋系數不準確，用二分法整定N階導數前饋系數，直至跟蹤誤差形狀與參考軌跡N+2階導數相同，即得準確的N階導數前饋系數，N從2逐漸以步長1增加，直至跟蹤性能滿足要求。可大幅減小加減速域跟蹤誤差，減小建立時間，提升系統產率。

技術領域

本專利涉及一種超精密運動系統前饋控制器參數整定方法，屬于超精密運動控制領域。

背景技術

超精密運動系統廣泛應用于光刻機工件臺，原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡等高端制造裝備和儀器設備中。該類運動系統單個工作周期會先后經歷加速域、勻速域和減速域三個區間，加速域或減速域結束后誤差收斂到指定精度范圍內所需時間為建立時間，誤差收斂后方能進行后續的工作，建立時間的長短直接影響系統產率，減小建立時間因而有重要的理論和應用價值。建立時間屬于系統的動態性能，減小建立時間的主要手段是在反饋控制的基礎上采用前饋控制來減小加減速域誤差，進而減小建立時間提升系統動態性能。

前饋控制器設計的指導思想是逆模型原理，即用前饋控制器去逼近被控對象模型的逆。前饋控制器一般根據系統辨識所得模型進行設計，系統辨識不可避免的存在誤差，因此真實的模型參數難以獲得，這將導致前饋控制器難以滿足超精密運動控制的需求，在工程實踐中需要對前饋控制器參數進行整定。以加速度前饋為例，工程上常將運動系統簡化為一個質量塊，該模型對應的前饋控制器即是運動控制中廣泛應用的加速度前饋，理想的加速度前饋系數即是系統的總質量，系統的總質量一般通過系統辨識得到，與真實質量存在偏差，前饋控制器參數微小的偏差也會對超精密運動系統造成顯著影響，因此前饋控制器參數整定不可或缺。參考軌跡的三階到五階導數分別稱為jerk，snap，crackle。除加速度前饋外，實際的運動系統常需進一步采用三階導數前饋(又叫jerk前饋)、四階導數前饋(又叫snap前饋)等高階前饋。各階前饋系數的高效整定是一個技術難點，開發高性能的前饋控制器參數整定算法具有重要的理論和工程價值。

發明內容

針對前文所述問題，本發明公開了一種超精密運動系統前饋控制器參數整定方法，采用前饋控制加反饋控制的兩自由度控制策略，前饋控制器和反饋控制器并聯連接，將參考軌跡各階導數作為前饋控制器輸入信號，利用跟蹤誤差與前饋控制器、反饋控制器和參考軌跡的關系進行如下整定：

若反饋控制器直流增益為有限值，跟蹤誤差與參考軌跡N階導數成正比，即跟蹤誤差與參考軌跡N階導數具有相同的形狀，則判定N階導數前饋系數不準確，利用二分法整定N階導數前饋系數，直至跟蹤誤差形狀與參考軌跡的N+1階導數相同，即得準確的N階導數前饋系數；

若反饋控制器直流增益為無窮大并只含有一階積分，跟蹤誤差與參考軌跡的N+1階導數成正比，則判定N階導數前饋系數不準確，利用二分法整定N階導數前饋系數，直至跟蹤誤差形狀與參考軌跡的N+2階導數相同，即得準確的N階導數前饋系數，

其中，N從2逐漸以步長1增加，直至跟蹤性能滿足要求。

優選地，通過軌跡規劃或者在線實時差分得到參考軌跡各階導數作為前饋控制器輸入信號。

優選地，所述超精密運動系統是具有一個剛體模態和多個振動模態的多質量塊模型。

優選地，被控對象模型，即用于對超精密運動系統進行建模的多質量塊模型的傳遞函數為

其中，G_p(s)是被控對象模型傳遞函數；

m是系統總質量；