[发明专利]基于模型预测的纳米级精密运动台前馈控制方法

说明书

本发明公开了一种基于模型预测的纳米级精密运动台前馈控制方法，所述方法包括系统扫频数据获取、系统模型辨识、虚拟系统构建以及模型预测前馈四部分。本发明通过设计虚拟系统，采用虚拟状态反馈的模型预测方法对系统进行精准前馈控制量补偿，既可以发挥模型预测控制强大的轨迹跟踪能力，又能利用虚拟系统屏蔽外界扰动的影响，保证前馈补偿输入的准确性。此外，使用系统虚拟系统避免了复杂的状态观测器设计问题，降低了前馈控制器设计难度，提高了纳米级精密运动台的估计跟踪性能。

技术领域

本发明属于超精密运动控制技术领域，涉及一种精密运动台前馈控制方法，具体涉及一种基于模型预测的纳米级精密运动台前馈控制(MPFC)方法。

背景技术

反馈与前馈相结合的控制在精密运动系统中得到了广泛的应用。一般情况下，反馈控制用于增强系统的稳定性，增强系统抗扰能力，而前馈控制对于缩短系统的稳定时间，提高系统参考跟踪能力性能非常重要。基于模型的前馈方法对模型类型有较高的要求。CN114117815B公开了一种非最小相位运动系统逆模型前馈频域计算方法，该方法需要根据人工经验选取关键参数，前馈效果难以保证。传统前馈方法通常使用参考轨迹的N阶导数作为前馈信号，获得准确的前馈系数成为关键。CN108983703A公开了一种超精密运动系统前馈控制器参数整定方法，该方法需要通过大量重复实验以求获得准确的前馈系数，参数整定效率较低，比较费时费力。而以上问题可以通过模型预测控制(MPC)很好的解决。

MPC出色的跟踪参考信号的能力是大量研究者使用它的一个重要原因。然而，当系统存在不确定性、外部扰动或非线性时，MPC的鲁棒性无法保证，因为精确的轨迹跟踪需要较高的MPC输出增益。虽然MPC具有一定的阻尼作用，但当输出增益较大时，系统的固有频率并没有被完全抑制。在精密运动阶段，扰动不可避免，导致一般的MPC模型存在残差，积分MPC模型在谐振复杂系统中容易失稳。尚未有基于模型预测的前馈控制方法。

发明内容

本发明针对纳米级精密运动平台，结合MPC和前馈控制方法，提供了一种基于模型预测的纳米级精密运动台前馈控制方法，该方法既保证了精密运动阶段的参考跟踪性能，又减小了扰动和建模误差对系统性能的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于模型预测的纳米级精密运动台前馈控制方法，包括如下步骤：

步骤一、系统扫频数据获取

步骤一一、粉红噪声信号和Chirp信号注入：将频率分布在1～2000Hz的粉红噪声和Chirp信号注入系统；

步骤一二、采集系统传感器输出和控制器输出：系统传感器输出表示为Y_s＝[y_s1,y_s2…y_sk]，控制器输出表示为C＝[c₁,c₂…c_k]，其中y_sk和c_k分别表示传感器和控制器在第k次采样内的输出，k表示采样个数且T表示采样总时间，fs表示系统的采样频率；

步骤二、系统模型辨识

步骤二一、系统频率响应分析：使用快速傅里叶变换对获得的扫频信号进行处理，得到系统的频率响应关系，可表示为f(jω)＝Y_s(jω)/C(jω)；

步骤二二、确定系统传递函数阶数：通过构建一个n阶系统得到f(jω)的最优拟合传递函数其中{n|n＝2i,i∈Z且i≠0}，Z为整数集；

步骤二三、拟合系统传递函数模型：通过复数变换将转到s域下表示为拟合系统传递函数模型如下：