[发明专利]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

说明书

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，预测模型为在其他阶段，主要响应为刚体运动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。

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这将导致基于运动平台的动力学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，预测模型为在其他阶段，主要响应为刚体运动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f_s和动摩擦力f_v，F代表驱动力，x,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

进一步，所述第二预测模型为

进一步，所述速度阈值为

进一步，所述第二预测模型不考虑摩擦力，直接取