專利名稱：伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)命令濾波的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)，具體地，涉及用前饋補償和反饋控制實現(xiàn)從而提高系統(tǒng)速度與準(zhǔn)確度的高性能伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
0002典型的伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)用反饋和前饋元件實現(xiàn)，這些元件合作從而對命令輸入產(chǎn)生響應(yīng)。通常，伺服機構(gòu)系統(tǒng)誤差(命令輸入與響應(yīng)命令輸入的系統(tǒng)輸出之間的差異)在典型的命令軌跡(command trajectory)期間或之后將是重要的。如果需要高準(zhǔn)確度的輸出，則分配穩(wěn)定時間(settling time)以允許系統(tǒng)輸出在指定的操作誤差公差內(nèi)穩(wěn)定于命令位置。需要額外的技術(shù)來減少或消除穩(wěn)定時間，從而增強高性能伺服機構(gòu)控制。

發(fā)明內(nèi)容
0003本發(fā)明的優(yōu)選實施例實現(xiàn)用于修改命令軌跡、伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)的架構(gòu)或者這兩者的技術(shù)，從而減少命令軌跡期間和/或命令軌跡之后的伺服誤差。
0004迭代精化過程(iterative refinement procedure)產(chǎn)生伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)使用的校正輸入du，其顯著減少期望的和實際的伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)輸出之間的差異。在一個實施例中，迭代精化過程中使用唯一識別的設(shè)備模型來計算提高精化過程的性能和可靠性的近似梯度。在另一實施例中，在迭代精化過程中使用實際的設(shè)備響應(yīng)替代所述識別的模型。這是在向設(shè)備施加來自訓(xùn)練操作的存儲的誤差信號以產(chǎn)生對校正輸入信號du的更新之前，通過對該來自訓(xùn)練操作的存儲誤差信號進行時間反轉(zhuǎn)(time-reversing)完成的。
0005迭代精化過程需要為每個特定設(shè)備使用典型的設(shè)備模型代替唯一識別的模型來簡化并加速迭代精化過程。在訓(xùn)練過程中使用特征移動軌跡的輸入流以產(chǎn)生校正信號du，該校正信號優(yōu)化伺服機構(gòu)對該特定輸入流的響應(yīng)。之后使用訓(xùn)練軌跡和結(jié)果產(chǎn)生的du校正來設(shè)計校正輸入生成器，其優(yōu)選用為任意命令軌跡生成du校正信號的FIR濾波器實現(xiàn)。
0006本發(fā)明通過解決各組硬件特有的容差與偏差來優(yōu)化伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)性能，而不必要求使用復(fù)雜的伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)模型識別。即使當(dāng)伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)是由任意命令軌跡驅(qū)動時也可應(yīng)用這個優(yōu)化。
0007通過以下參照附圖對優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將很明顯。


0008圖1示出了為獲得物理設(shè)備(physical plant)高速精確運行而設(shè)計的伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)的架構(gòu)。
0009圖2是校正輸入生成器的方塊圖，該生成器精化施加于圖1所示控制系統(tǒng)的輸入命令流。
0010圖3是適合用于圖1所示控制系統(tǒng)的校正輸入生成器特定實現(xiàn)方式的方塊圖。
0011圖4A示出了從所測的物理設(shè)備輸出至圖1所示控制系統(tǒng)的載入位置的動態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)。
0012圖4B示出了設(shè)計用來抵消圖4A的動態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)中的振幅峰值的陷波濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
具體實施例方式
0013圖1示出了為獲得物理設(shè)備(G)12的高速精確運行而設(shè)計的運動控制系統(tǒng)10的架構(gòu)。在優(yōu)選實施例中，物理設(shè)備12為高速掃描器，該掃描器由高性能激光微機械加工中通常使用的掃描鏡和功率驅(qū)動或動力驅(qū)動電子器件(power drive electronics)組成?？刂葡到y(tǒng)10被配置以提高高速掃描器的掃描鏡之一的運動性能。用于閉合伺服回路的反饋信號y通過構(gòu)成掃描器的一部分的聯(lián)合編碼器(jointencoder)測量。動態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)(S)13對所測(反饋)位置與實際掃描鏡位置之間的耦合或聯(lián)系進行建模?？蔀楦咚賿呙杵鞯牧硪粋€掃描鏡或其他多個掃描鏡類似地配置獨立的設(shè)計控制系統(tǒng)10。
0014控制系統(tǒng)10接收施加于前饋控制器(F)14和校正輸入生成器(P)16的移動命令輸入流。移動命令輸入流可包括位置、速度和加速度分量，或者可實現(xiàn)前饋控制器14以擴展或展開移動命令來計算這些分量。前饋控制器14和校正輸入生成器16的輸出通過相關(guān)聯(lián)的求和點分別施加于伺服機構(gòu)回路20的設(shè)備12和反饋控制器(H)18。前饋控制器14被設(shè)計成與設(shè)備12的動態(tài)特性的反面在有限頻率范圍內(nèi)匹配，以提高設(shè)備在更高頻率的跟蹤性能。校正輸入生成器16剖析移動命令輸入流u，以產(chǎn)生補償剩余閉環(huán)的缺陷從而進一步提高伺服機構(gòu)的性能的精化輸入流u*。以下將詳細(xì)完整的說明校正輸入生成器16的設(shè)計、結(jié)構(gòu)及運行。
0015在所述優(yōu)選實施例中，物理設(shè)備12是由馬薩諸塞州、劍橋的Cambridge Technology，Inc.公司制造的6220H型基于動磁閉環(huán)檢流計的光學(xué)掃描器以及合適的功率驅(qū)動器。前饋控制器14和反饋控制器18優(yōu)選組合于數(shù)字檢流計控制器中，技術(shù)人員能夠輕松設(shè)計這個控制器，從而在使用6220H型檢流計的實現(xiàn)或?qū)嵤┓绞街刑峁?kHz閉環(huán)系統(tǒng)帶寬。
0016圖2示出了優(yōu)選實施方式中校正輸入生成器16的方塊圖，其包括有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器28，濾波器28校正輸出信號y與理想行為的偏離。參照圖2，校正輸入生成器16接收移動命令輸入流u并將其施加于延遲模塊30和FIR濾波器28，以借助移動命令輸入流u的直接信號通道推進其輸出32。模塊30的輸出34以及FIR濾波器28的輸出32在求和點36結(jié)合，從而在輸出38產(chǎn)生精化輸入流u*，對于通過延遲模塊30引入的零延遲，輸入流u*可被表示為u*＝u+du，其中du為施加于移動命令輸入的遞增校正因子。延遲不為零時的一般情況可被表示為u*(n)＝u(n-m)+du(n)，
其中n為時間指數(shù)，m為命令輸入相對于FIR濾波器28的輸出32被延遲的時間步數(shù)。
0017目標(biāo)是構(gòu)造具有一個濾波器系數(shù)集的FIR濾波器28，其為所有可能的移動命令輸入提供du值的一般解，所述移動命令輸入能夠表示不同長度(如短、中和長途)的電子束位置移動和不同的移動長度順序(如，短途移動，之后為另一短途移動，隨后為長途移動)的。構(gòu)造FIR濾波器28的方法需要首先為命令輸入u的有限集確定遞增校正因子du，之后計算FIR濾波器28的系數(shù)。該方法通過以迭代方式修改命令輸入來提高期望的系統(tǒng)輸出與實際系統(tǒng)輸出的匹配度的過程實施。逐步迭代精化過程如下0018步驟1需要初始設(shè)定du＝0。
0019步驟2需要傳遞u*＝u+du經(jīng)過控制系統(tǒng)10并測量誤差流e，如圖1所示。因此，對于du＝0，則u*＝u，e＝u-y。
0020步驟3需要將e與操作公差進行比較，如果e在操作公差內(nèi)，則結(jié)束迭代過程。操作公差由代價函數(shù)(cost function)J(u)=Σk=0∞[yd(k)-y(k)]2]]>定義，其中yd為期望的輸出，y為響應(yīng)輸入流u的測量的輸出。因此，提高匹配度被定義為減少代價J(u)。
0021當(dāng)誤差流e不充分小時，步驟4需要在時間上反轉(zhuǎn)e，并作為命令(即使它是誤差測量值)傳遞時間反轉(zhuǎn)的誤差流e*經(jīng)過控制系統(tǒng)10；收集所測量的響應(yīng)e*時產(chǎn)生的輸出流ye*；時間反轉(zhuǎn)輸出流ye*以形成ye；設(shè)定dunext＝du+α·ye，其中α為動態(tài)調(diào)整的校正增益或比例因子；并重復(fù)步驟2至4進行多次迭代，直至e滿足操作公差限制。
0022步驟4中定義的α的值應(yīng)充分小，使得第一級近似適用于表達(dá)式J(u+du)＝J(u)+J(u)·du，使得設(shè)定du在α＞0時為du＝-αJ(u)，將因此產(chǎn)生J(u+du)＝J(u)-α(J(u))2，
這將確保代價函數(shù)J的減小。在迭代精化期間，α的值可動態(tài)調(diào)整，在優(yōu)選實施例中開始時α0＝0.3。如果在一次迭代期間代價提高，下一次迭代中α增加0.05直至最大值0.6。如果在一次迭代期間代價減小，α減小1/2，并用α的減小精化值重復(fù)當(dāng)前迭代。持續(xù)減小α直至實現(xiàn)提高。
0023替換的步驟4需要通過數(shù)學(xué)模擬將誤差流e作為命令傳遞通過伴隨矩陣閉環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是包括設(shè)備(G)12、反饋控制器(H)18和前饋控制器(F)14的物理閉環(huán)系統(tǒng)的線性時間不變量(LTI)模型的計算機建模伴隨矩陣；計算輸出流y；并設(shè)定dunext＝du+α·ye。替換步驟4使用通過數(shù)學(xué)建模產(chǎn)生的模擬伴隨矩陣系統(tǒng)。步驟4需要使用實際的物理系統(tǒng)來實驗地收集所測量的輸出。由于替換步驟4不僅要求建立模型，還要求可用計算機來建模，因而替換的步驟4較差。
0024迭代精化過程的結(jié)束產(chǎn)生精化流du*，以使復(fù)合輸入u*＝u+du產(chǎn)生與期望輸出流yd相當(dāng)匹配的結(jié)果。然而，精化流du*僅對于一特定輸入流u起作用，從而匹配特定的期望輸出流yd。校正輸入生成器16將精化特定輸入流轉(zhuǎn)換為令人滿意地對于任意輸入起作用的一般解。為此，當(dāng)其輸入為原始輸入流u時，校正輸入生成器16執(zhí)行校正映射來產(chǎn)生相似的精化流du*。在校正輸入生成器16的實現(xiàn)或?qū)嵤┓绞街袃?yōu)選使用FIR濾波器，因為FIR濾波器提供有保證的穩(wěn)定性、范圍有限且其系數(shù)可通過應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘方算法直接計算。
0025以下說明了包括各種移動長度的訓(xùn)練概況(trainingprofile)，從中能夠立即獲得全局FIR系數(shù)，而不必從不同輸入流收集各種數(shù)據(jù)。對于教導(dǎo)過程中使用的N個實驗命令移動長度，以上所述的迭代精化可表達(dá)為u1，u2，...，uN→du1，du2，...，duNN＜∞。
目的是設(shè)計將每個u值映射到相應(yīng)du值的校正濾波器。乘積之和函數(shù)內(nèi)含的FIR算法可表達(dá)為Δ(z)＝a0zm+a1zm-1+...+anzn-m其中a0，a1，...，an表示濾波器系數(shù)，m表示FIR預(yù)期；即，m是FIR信號通道先于直接信號通道的時間步數(shù)。根據(jù)試驗和誤差過程選擇數(shù)字m和n，并通過最小二乘方算法計算a0，a1，...，an。結(jié)果所得最小二乘方擬合的質(zhì)量通過觀測殘留誤差評估。如果殘留誤差小，那么控制系統(tǒng)10與FIR濾波器28一起運行來確定其性能有多好。如果控制系統(tǒng)性能是不可接受的，則對n、m或?qū)烧叨歼M行修改，并計算新的系數(shù)重新開始該過程。
0026配有Cambridge Technology，Inc.公司6220H型檢流計的控制系統(tǒng)10的最終配置校正輸入生成器16構(gòu)成了320抽頭濾波器，其具有160kHz更新率和80抽頭的預(yù)期，以在直接移動命令通道而不是FIR濾波器28的通道中插入0.5毫秒延遲(示為延遲模塊30)。這使得產(chǎn)生有效的非臨時濾波器(n＝0之前具有320抽頭中的80抽頭)。為確保FIR濾波器28為零DC增益濾波器，所有其系數(shù)之和為零。實現(xiàn)該結(jié)果的一種方法是解出最前的319個系數(shù)，之后設(shè)定最后的系數(shù)為最前的319個FIR系數(shù)之和的負(fù)數(shù)。最前的319個FIR系數(shù)為問題Uh＝du的最小二乘方解，其中h＝[h1h2...h319]T為獨立FIR系數(shù)，du＝[du1du2...duM]T為從單個訓(xùn)練概況獲得的或從多輪精化集合的校正序列。
0027具有319列和M行的U矩陣包括循環(huán)排列的初始(理想)輸入序列，即umum-1...um+1um.......uMuM-1.u1uM.u2u1......um-1um-2...]]>標(biāo)準(zhǔn)最小二乘方解可從h＝(UT*U)-1*UT*du獲得?？蓮钠浍@得FIR濾波器系數(shù)的實驗命令移動長度數(shù)為N＝2，一個實驗表示較短長度移動命令，另一實驗表示較長長度移動命令。
0028確保FIR濾波器28為零DC增益濾波器的替代方法是認(rèn)識到要滿足條件Δ(1)＝0，z＝1必須是方程的一個根。Δ(z)的表達(dá)式是Δ(z)＝(1-z-1)·Δ′，其中Δ′的所有系數(shù)被確定。圖3示出了以上述重新配置的FIR濾波器28 ′實現(xiàn)的替代校正輸入生成器16′的方塊圖。
0029檢流計12的掃描鏡將激光光束指向期望的目標(biāo)位置。理想的是，實際鏡位置z與所測掃描器位置y成正比，或z＝cy，其中c為已知或所測量的常數(shù)值。由于掃描器位置通過聯(lián)合編碼器測定，當(dāng)其在高加速度位置交換條件期間經(jīng)受偏移時，設(shè)在掃描器軸自由端的鏡的實際位置與掃描器軸的測量位置不匹配。這個差異的原因之一在于掃描器軸與鏡之間的機械連接的有限剛度。因而，實際中，z＝Sy，其中S表示表征Cambridge Technology，Inc.公司6220H型檢流計上測量的掃描器位置和實際的鏡位置之間的耦合特征的動態(tài)濾波器。
0030圖4A示出了展示約10kHz的最高振幅值或峰值的動態(tài)濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)S。為補償動態(tài)濾波效應(yīng)，在迭代精化過程的步驟2中實現(xiàn)逆轉(zhuǎn)或倒置(invert)陷波濾波器以抵消10kHz峰值的系統(tǒng)，該陷波濾波器具有如圖4B所示的轉(zhuǎn)移函數(shù)，其中最初e＝u-y。陷波濾波器實施方式有助于確定FIR28時，e＝Nu-y，其中Nu為u的陷波濾波形式。由于示出的掃描器所測位置與實際的鏡位置在這一頻率范圍差異較大，進行陷波濾波器補償?shù)囊徊糠质荈IR濾波器28的計算，以阻止迭代精化過程補償有關(guān)陷波頻率的跟蹤誤差。
0031使用如上所述實現(xiàn)的并安裝于激光光束定位系統(tǒng)的校正輸入生成器16使得與之前用來定位激光光束的那些系統(tǒng)相比，能夠以更高的加速度與更寬的帶寬操作檢流計。結(jié)果是目標(biāo)樣本伺服機構(gòu)性能提高約25％。
0032對上述實施例的細(xì)節(jié)做出多種變動而不背離本發(fā)明的根本原則，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。例如，校正輸入生成器的可替換實施方式可尤其包括無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器、組合IIR和FIR濾波器或諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性濾波方法。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)僅由以下權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1.一種高速精確伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)，其包括閉環(huán)控制伺服機構(gòu)，其用反饋控制和前饋補償實現(xiàn)從而控制響應(yīng)施加于所述控制系統(tǒng)的命令輸入流的物理設(shè)備的輸出狀態(tài)；以及校正輸入生成器，其響應(yīng)所述命令輸入流而提供精化輸入流，所述物理設(shè)備響應(yīng)所述精化輸入流，以獲得操作公差內(nèi)的、對應(yīng)于所述輸入命令流的期望輸出狀態(tài)，所述校正輸入生成器用校正輸入映射實現(xiàn)，該映射為任意命令輸入流提供匹配解，所述匹配解使所述物理設(shè)備獲得對應(yīng)于所述任意命令輸入流的所述期望輸出狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述校正輸入生成器包括FIR濾波器，其用被計算而提供所述匹配解的濾波系數(shù)實現(xiàn)。
3.如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其中所述FIR濾波器有輸出，且其中所述校正輸入生成器對與所述FIR濾波器的輸出結(jié)合的所述任意命令輸入流實施輸入延遲，以產(chǎn)生所述精化輸入流。
4.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述輸出狀態(tài)表示運動，且所述物理設(shè)備表示作為激光光束定位系統(tǒng)的一部分運行的檢流計和功率驅(qū)動電子器件。
5.如權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其中所述命令輸入流表示期望的激光光束位置位移。
6.如權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其中在特定頻率處示出峰值的動態(tài)濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)表征所述檢流計的運行特征，且其中在所述校正輸入生成器中實現(xiàn)的所述校正輸入映射包括陷波濾波器，所述陷波濾波器具有抵消在所述特定頻率處的峰值的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，其中所述校正輸入生成器包括用濾波系數(shù)實現(xiàn)的FIR濾波器，所述濾波系數(shù)被計算從而提供包括所述陷波濾波器的匹配解。
8.一種建立高速精確伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)的方法，所述系統(tǒng)包括用反饋控制和前饋補償實現(xiàn)從而控制響應(yīng)命令輸入流的物理設(shè)備的輸出狀態(tài)的閉環(huán)控制伺服機構(gòu)，所述方法包括提供校正輸入生成器，所述校正輸入生成器響應(yīng)所述命令輸入流而產(chǎn)生所述物理設(shè)備響應(yīng)的精化輸入流；以及執(zhí)行迭代命令輸入精化過程以實現(xiàn)校正輸入映射，其為任意命令輸入流提供匹配解，該匹配解使所述物理設(shè)備獲得在操作公差內(nèi)的對應(yīng)于所述任意命令輸入流的期望輸出狀態(tài)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中執(zhí)行迭代命令輸入精化過程包括(a)將精化輸入命令施加于所述伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)并測量其輸出流，所述精化輸入命令包括標(biāo)稱命令輸入和遞增校正因子；(b)測量表示所述標(biāo)稱命令輸入和所測輸出流之間差異的誤差流；(c)將所述誤差流與操作公差相比較，只要所述誤差流超出所述操作公差，就在時間上反轉(zhuǎn)誤差流以形成時間反轉(zhuǎn)的誤差流，將所述時間反轉(zhuǎn)的誤差流作為命令施加于所述伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)并測量其輸出流，時間反轉(zhuǎn)所測輸出流以形成所測輸出流的時間反轉(zhuǎn)形式，并確定表示所述遞增校正因子與動態(tài)調(diào)整的校正增益和所述所測輸出流的時間反轉(zhuǎn)形式乘積之和的下一個精化輸入命令；以及(d)重復(fù)前述步驟(a)、(b)和(c)，直至所述誤差流處于所述操作公差內(nèi)。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中執(zhí)行迭代命令輸入精化過程包括(a)將精化輸入命令施加于所述伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)并測量其輸出流，所述精化輸入命令包括標(biāo)稱命令輸入和遞增校正因子；(b)測量表示所述標(biāo)稱命令輸入和計算的輸出流之差的誤差流；(c)將所測誤差流與操作公差相比較，并且只要所述誤差流超出所述操作公差，就通過數(shù)學(xué)模擬將所述所測誤差流作為命令施加于所述閉環(huán)控制伺服機構(gòu)的建模伴隨矩陣并計算輸出流，以及確定表示所述遞增校正因子與動態(tài)調(diào)整的校正增益和所計算的輸出流乘積之和的下一個精化輸入命令；以及(d)重復(fù)前述步驟(a)、(b)和(c)，直至所述所測誤差流處于所述操作公差內(nèi)。
11.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其中所述校正輸入生成器包括用濾波系數(shù)實現(xiàn)的FIR濾波器，所述濾波系數(shù)被計算從而提供匹配解。
12.如權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，其中所述FIR濾波器有輸出，且其中所述校正輸入生成器對與所述FIR濾波器輸出結(jié)合的所述任意命令輸入流實施輸入延遲，以產(chǎn)生所述精化輸入流。
13.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其中所述輸出狀態(tài)表示運動，且所述物理設(shè)備表示作為激光光束定位系統(tǒng)的一部分運行的檢流計和功率驅(qū)動電子器件。
14.如權(quán)利要求13所述的控制系統(tǒng)，其中所述命令輸入流表示期望的激光光束位置位移。
15.如權(quán)利要求13所述的控制系統(tǒng)，其中在特定頻率處示出峰值的動態(tài)濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)表征檢流計的運行特征，且其中在所述校正輸入生成器中實現(xiàn)的校正輸入映射包括陷波濾波器，其具有抵消在所述特定頻率處峰值的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
16.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其中所述校正輸入生成器包括用濾波系數(shù)實現(xiàn)的FIR濾波器，所述濾波系數(shù)被計算以提供包括所述陷波濾波器的匹配解。
全文摘要
本發(fā)明的優(yōu)選實施例實現(xiàn)用于修改命令軌跡、伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)(10)的架構(gòu)或這兩者的技術(shù)，從而減少命令軌跡期間和/或命令軌跡之后的伺服誤差。迭代精化過程產(chǎn)生伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)使用的校正輸入du，其顯著減少期望的(y
文檔編號G05B13/04GK101088058SQ200580015464
公開日2007年12月12日 申請日期2005年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月14日
發(fā)明者D·沃特, M·阿爾佩, M·尤饒思, J·溫, B·波瑟得 申請人:電子科學(xué)工業(yè)公司