专利摘要
本发明公开一种基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法，首先以平台刚体的速度和位移作为反馈，平台刚体的驱动单元为执行器，建立平台刚体的闭环控制系统，然后检测框架刚体的速度和位移并分别与平台刚体的速度和位移作差，然后将得到的速度差和位移差分别乘以柔性铰链的阻尼和刚度，得到该柔性铰链对平台刚体的量测扰动力，并降控制信号与量测扰动力输入到扩展观测器，得到其余扰动的估计，最终将得到的量测扰动与估计扰动之和，以控制量到驱动力的传递函数而转换为等效控制量，补偿到平台刚体的控制量中，转变为无扰动的刚体平台控制系统。相对现有技术，本发明技术方案无需切换控制且降低了控制复杂性，最终实现高速精密运动。
权利要求
1.一种基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
所述控制方法的控制对象为刚柔耦合平台，所述刚柔耦合平台包括安装于机械导轨上的框架刚体以及通过柔性铰链连接于所述框架刚体上的平台刚体；
S1：以平台刚体的速度和位移作为反馈，所述平台刚体的驱动单元为执行器，建立所述平台刚体的闭环控制系统；
S2：检测框架刚体的速度和位移并分别与所述平台刚体的速度和位移作差，得到两者之间的速度差和位移差；
S3：将所述S2得到的速度差和位移差分别乘以柔性铰链的阻尼和刚度，得到该柔性铰链对所述平台刚体的量测扰动力；
S4: 将所述S3得到的量测扰动力与控制量一起输入扩展状态观测器，估计由于刚度阻尼偏差引起的其余扰动，并与测量扰动叠加，获得系统总扰动；
S5：将所述S4得到的系统总扰动除以控制量到驱动力的传递函数而转换为等效控制量，补偿到所述平台刚体的控制量中，转变为无扰动的刚体平台控制系统。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述框架刚体和所述平台刚体分别安装有位移速度检测单元。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述平台刚体安装驱动单元。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述框架刚体安装驱动单元，所采用与所述S1相同的方法，以所述框架刚体的速度和位移为反馈，所述框架刚体上的驱动单元为执行器并建立所述框架刚体的闭环控制系统。
5.如权利要求3或4所述的控制方法，其特征在于，运用所述控制方法的控制系统由控制对象、位移速度检测单元、驱动单元以及控制器组成。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法中所需信息通过测量或模型计算得到。
7.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，采用电容传感器测量位移和速度时，所述的扩展状态观测器为二阶ESO，估计变形速度和扰动力。
8.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，采用光栅尺测量位移和速度时，扩展状态观测器为降阶ESO，只估计扰动力。
9.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当总扰动小到令量测扰动为0时，退化为基于标准ESO的自抗扰控制。
说明书
技术领域
本发明涉及高速精密运动控制技术领域，特别涉及一种基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法。
背景技术
高速精密运动控制领域中，基于机械导轨的运动平台存在摩擦死区，因此控制精度只能达到微米级别。而更高精度控制的场合中，需要使用气浮、磁悬浮或静压导轨等方式以降低甚至消除摩擦影响，然而采用上述技术的方案成本较高，并且使用的环境要求较高而不适用于量大面广的电子制造技术领域。
电子制造业中存在的摩尔定律，即当价格不改变时，集成电路上可容纳的元器件数目每隔约18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，这样对于封装装备的精度和速度提出了更为苛刻的要求。传统的摩擦力补偿方案和控制方法难以满足日益增长的高速精密运动控制需求。为解决上述问题，该领域科技人员一直在努力寻找能够克服摩擦扰动的控制方案，其中线性自抗扰控制算法(LADRC)为克服扰动的一种有效方法，该方法通过将模型误差和外界扰动进行统一考虑，这样可在一定程度上抑制扰动，但是有科研工作人员通过在电动伺服系统应用LADRC进行试验和分析中发现，LADRC并不能适用于高带宽要求和由摩擦引起的强非线性(死区等)的控制对象。与此同时，在先技术采用无摩擦的柔性铰链与机械导轨平台相结合以实现摩擦死区的补偿，但是由于高速运动和补偿过程的控制规律不一致，需要模型切换控制，但是模型切换控制使得整个控制过程变得复杂且繁琐。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法，旨在实现无需切换控制且降低了控制复杂性，最终实现高速精密运动。
为实现上述目的，本发明提出的一种基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法，具体包括以下步骤：
S1：以平台刚体的速度和位移作为反馈，所述平台刚体的驱动单元为执行器，建立所述平台刚体的闭环控制系统；
S2：检测框架刚体的速度和位移并分别与所述平台刚体的速度和位移作差，得到两者之间的速度差和位移差；
S3：将所述S2得到的速度差和位移差分别乘以柔性铰链的阻尼和刚度，得到该柔性铰链对所述平台刚体的量测扰动力；
S4:将所述S3得到的量测扰动力与控制量一起输入扩展状态观测器，估计由于刚度阻尼等偏差引起的其余扰动，并与测量扰动叠加，获得系统总扰动；
S5：将所述S4得到的系统总扰动除以控制量到驱动力的传递函数而转换为等效控制量，补偿到所述平台刚体的控制量中，转变为无扰动的刚体平台控制系统。
优选地，所述控制方法的控制对象为刚柔耦合平台，所述刚柔耦合平台包括安装于机械导轨上的所述框架刚体以及通过柔性铰链连接于所述框架刚体上的平台刚体。
优选地，所述框架刚体和所述平台刚体分别安装有位移速度检测单元。
优选地，所述平台刚体安装驱动单元。
优选地，所述框架刚体安装驱动单元，所采用与所述S1相同的方法，以所述框架刚体的速度和位移为反馈，所述框架刚体上的驱动单元为执行器并建立所述框架刚体的闭环控制系统。
优选地，运用所述控制方法的控制系统由控制对象、位移速度检测单元、驱动单元以及控制器组成。
优选地，所述控制方法中所需信息通过测量或模型计算得到。
优选地，当弹簧变形采用电容传感器时，所述的扩展状态观测器为二阶ESO，估计变形速度和扰动力。
优选地，当采用光栅尺等可以获得位移和速度的传感器时，扩展状态观测器为降阶ESO，只估计扰动力。
优选地，当总扰动比较小时，可以令量测扰动为0，退化为基于标准ESO的自抗扰控制。
本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：
本发明技术方案基于刚柔耦合平台的设计，将机械导轨摩擦力的扰动转变为柔性铰链的动态变形，通过本发明技术方案的柔性铰链弹性力和阻尼力的补偿控制，使平台刚体等效为一个无摩擦的理想平台，这样可以实现高速精密运动，无需切换控制且降低了控制复杂性。另外，本发明将扰动量测与估计混合使用，避免了高频信号量测带来的噪声，又避免弹簧阻尼等参数误差带来的扰动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1单驱动运动控制的工作原理图；
图2为本发明实施例1中PID方法和扰动力补偿方法的位置跟踪误差曲线图；
图3为本发明实施例1中PID方法的刚度变化对跟踪误差影响结果图；
图4为本发明实施例1中扰动力补偿方法的刚度变化对跟踪误差影响结果图；
图5为本发明实施例1中扩散状态观测器准确估计模型参数偏差导致的扰动结果图；
图6为本发明实施例1中量测扰动加上估计扰动得到的总扰动结果图；
图7为本发明实施例1中ESO估计扰动结果图；
图8为本发明实施例2双驱动运动控制的工作原理图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法。
本发明提出的基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法的控制对象为刚柔耦合平台，主要包括框架刚体和平台刚体，其中框架刚体安装在机械导轨上，平台刚体则通过柔性铰链安装在框架刚体上。
其中框架刚体和平台刚体分别安装有位移速度检测单元，平台刚体上安装有驱动单元，框架刚体可选装驱动单元。而整个控制系统由控制对象、位移速度检测单元、驱动单元以及控制器组成。
本发明的基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法，具体包括以下控制步骤：
S1：以平台刚体的速度和位移作为反馈，平台刚体的驱动单元为执行器，建立平台刚体的闭环控制系统；
S2：检测框架刚体的速度和位移并分别与平台刚体的速度和位移作差，得到两者之间的速度差和位移差；
S3：将上述步骤S2得到的速度差和位移差分别乘以柔性铰链的阻尼和刚度，得到柔性铰链对平台刚体的扰动力；
S4：将上述S3得到的量测扰动力与控制量一起输入扩展状态观测器，估计由于刚度阻尼等偏差引起的其余扰动，并与测量扰动叠加，获得系统总扰动；
S5：将上述S4得到的系统总扰动除以控制量到驱动力的传递函数而转换为等效控制量，补偿到平台刚体的控制量中，转变为无扰动的刚体平台控制系统。
本发明技术方案中，框架刚体可以安装驱动单元，所采用与上述S1相同的方法，以框架刚体的速度和位移为反馈，框架刚体上的驱动单元为执行器并建立框架刚体的闭环控制系统，这样可提高平台的速度以及降低柔性铰链的扰动。
其中本发明技术方案中的上述步骤S4的比例增益用于调节测量误差，比例增益无误差时为1。上述控制方法中所需信息可以通过测量或模型计算得到。本发明技术方案中，当弹簧变形采用电容传感器时，扩展状态观测器为二阶ESO，估计变形速度和扰动力。本发明技术方案中，当采用光栅尺等可以获得位移和速度的传感器时，扩展状态观测器为降阶ESO，只估计扰动力。当总扰动比较小时，可以令量测扰动为0，退化为基于标准ESO的自抗扰控制。
本发明技术方案基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法将机械导轨摩擦力的扰动转变为柔性铰链的动态变形，通过柔性铰链弹性力和阻尼力的补偿控制，使平台刚体等效为一个无摩擦的理想平台以实现高速精密的运动且无需进行切换控制。
实施例1
如图1所示，在本发明实施例中，刚柔耦合平台主要包括机械导轨、框架刚体、柔性铰链、平台刚体组成，设定XM,Xm分别为框架刚体和平台刚体的位移， 分别为框架刚体和平台刚体的速度，M,m分别为框架刚体和平台刚体的质量，k,c分别为柔性铰链的刚度和阻尼，FM,Fm分别为驱动单元作用在框架刚体和平台刚体上的驱动力，fμ为框架刚体与机械导轨之间的摩擦力。
本实施例的基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法为单驱动运动控制，其中平台刚体运动力学响应方程为：
框架刚体运动力学响应方程为：
柔性铰链的受力为：
进行扰动补偿后，平台刚体的动力学响应方程为：
将柔性铰链受力公式(3)代入至平台刚性的动力学响应方程，即公式(4)，得到平台刚体的等效动力学响应方程为：
本实施例中，公式(5)得到的平台刚体的等效动力学响应方程为无摩擦的理想平台，在本实施例中，框架刚体是在柔性铰链的作用力Δf作用下克服摩擦运动，摩擦的扰动引起框架平台加速度的变化和柔性铰链的变形，因此本实施例将无法测量的摩擦力扰动转换为可以测量的柔性铰链作用。
当刚度阻尼偏有差时，令b＝1/m通过扩张状态观测器估计并补偿。若速度信号存在噪声，可以采用二阶ESO(估计速度和扰动):
由于光栅尺能够输出速度信息，采用降阶ESO，一阶ESO(只估计扰动z2)；
本实施例的平台参数为：
参见图2至图4，当采用传统PID方法和采用弹簧阻尼力补偿的扰动力补偿控制方法，位置跟踪误差曲线比较如图2所示，最大误差从9e-8降到9e-9，降低一个数量级。
采用PID控制时，若模型参数发生了变化，跟踪误差随着变化，如图3所示，然而采用弹簧阻尼力补偿的本发明技术方案的扰动力补偿控制方法，跟踪误差几乎不随模型变化而变化，显示了良好的抗扰性能，如图4所示。
本实施例中，当刚度阻尼参数有偏差时(-0.1k,-0.1c)，实际的刚度阻尼参数只有设计值得0.9倍，此时扩张状态观测器准确估计出由于模型参数偏差导致的扰动如图5所示。根据本发明方法技术方案中，本实施例的量测扰动(1k,1c计算值)加上估计扰动(-0.1k,-0.1c偏差导致)，等于总扰动(0.9k,0.9c实际值)如图6所示。当参数无变化时，ESO估计的扰动接近于0，如图7所示，随着wo增大，噪声增大，因此本发明实施例中采用量测先补偿掉主要的扰动，避免了观测器对高频扰动观测带来的噪声。
实施例2
如图8所示，在本发明实施例中，刚柔耦合平台主要包括机械导轨、框架刚体、柔性铰链、平台刚体组成，设定XM,Xm分别为框架刚体和平台刚体的位移， 分别为框架刚体和平台刚体的速度，M,m分别为框架刚体和平台刚体的质量，k,c分别为柔性铰链的刚度和阻尼，FM,Fm分别为驱动单元作用在框架刚体和平台刚体上的驱动力，fμ为框架刚体与机械导轨之间的摩擦力。
本实施例的基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法为双驱动运动控制，其中平台刚体运动力学响应方程为：
框架刚体运动力学响应方程为：
其中FM为平台刚体的运动目标与框架刚体速度位移偏差，并根据控制规律计算得到。
柔性铰链的受力为：
进行扰动补偿后，平台刚体的动力学响应方程为：
将柔性铰链受力公式(8)代入至平台刚性的动力学响应方程，即公式(9)，得到平台刚体的等效动力学响应方程为：
本实施例采用的是双驱动运动控制方案，如图8所示，框架刚体上的驱动力使得框架刚体产生运动，两者的驱动力叠加后，可实现更高速度的运动。另外，框架刚体的运动使得与平台刚体之间的速度位移偏差变小，可有效减小柔性铰链的动态变形扰动，使得性能更好。
当刚度阻尼偏有差时，通过扩张状态观测器估计并补偿。若速度信号存在噪声，可以采用二阶ESO(估计速度和扰动):
由于光栅尺能够输出速度信息，采用降阶ESO，一阶ESO(只估计扰动z2)：
需要说明的是，本发明技术方案的框图与本发明实施例的公式表达相对应，如果测量信号的方向变化，扩展观测器中的公式表达，是否将观测器的估计进行标准化(除于最高阶次表达式的系数an，用乘于因子b＝1/an表示)，会引起框图中的符号变化，和比例因子关系(b或1/b)，取决于公示表达，但是可以通过公式表达完全等价。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
一种基于扰动力补偿的刚柔耦合运动平台控制方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
动态评分
0.0