專利名稱：一種兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)的高階非奇異終端滑模控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于控制工程領(lǐng)域，具體是一種針對(duì)硬盤驅(qū)動(dòng)器柔性的兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)的高階非奇異終端滑模控制方法，用于實(shí)現(xiàn)高速、高精度的跟蹤定位。
背景技術(shù)：
隨著硬盤驅(qū)動(dòng)器磁道密度的不斷增加，對(duì)磁頭定位系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性提出了更高的要求，而兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)更高伺服帶寬和更高定位精度的一種有效方式。在該系統(tǒng)中，第一級(jí)音圈電機(jī)作為粗調(diào)電機(jī)，有較大的行程范圍；第二級(jí)壓電陶瓷材料制成的微作動(dòng)器位于懸臂梁的彈性區(qū)和滑塊之間，可快速實(shí)現(xiàn)磁頭的高精度定位。兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)的出現(xiàn)使得控制器的設(shè)計(jì)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)此做出大量研究，通過(guò)改進(jìn)兩級(jí)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，盡可能的提高系統(tǒng)的控制性能。同時(shí)提出了多種控制算法，基本上可以分成兩類:一類是基于單輸入單輸出的控制算法。其原理是將系統(tǒng)分解為兩個(gè)單輸入單輸出的子系統(tǒng)，針對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)控制器，Jinchuan Zheng, Minyue Fu, YouyiWang, Chunl ing Du 在《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》，2008 年 5 月第 13 期發(fā)表的論文“Nonlinear Tracking Control for a Hard Disk Drive Dual-Stage ActuatorSystem” 中提出一種非線性控制方法，Yazdi, E.A., Sepasi, M., Sassani, F., Nagamune, R.Automated在〈〈IEEE Transactions on Control Systems Technology〉〉, 2011 年4月第 19期發(fā)表的論文“Multiple Robust Track-Following Control System Design in Hard DiskDrives”中提出一種魯棒跟蹤控制方法。這類方法將系統(tǒng)模型進(jìn)行了解耦，簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)，雖然在一定的參數(shù)攝動(dòng)下，可以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是其忽略兩級(jí)作動(dòng)器之間的耦合，無(wú)法抑制由此導(dǎo)致的振動(dòng)。另一類是基于多輸入多輸出(MMO)的控制算法。其設(shè)計(jì)原理是將兩級(jí)系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮，此時(shí)的被控對(duì)象是一個(gè)MMO的模型，也有很多的控制算法用于硬盤領(lǐng)域,Guido Herrmann,Guo G 在《Control Engineering Practice》，2004 年 3 月第 12 期發(fā)表的論文“HDD Dual-stage Servo-controller Design Using aU -analysis Tool”中提出一種 U 綜合控制方法，Jianbin Nie;Horowitz, R.在《IEEE Transactions on Magnetics)),2011 年 7 月第 47 期發(fā)表的論文 “Control Design of Hard Disk Drive ConcentricSelf-Servo Track Writ ing via H2and H00 Synthesis”中提出一種 H2Al00控制。這類方法考慮到了兩級(jí)作動(dòng)器間的耦合，但控制器的階次比較高。同時(shí)H00控制方法采用H00范數(shù)來(lái)刻劃，只考慮了最壞的情形，使得魯棒性保守，并且在控制器設(shè)計(jì)中用到的Riccati方程只存在理論解,從而系統(tǒng)會(huì)存在一定的誤差。同時(shí)，以上兩類現(xiàn)有的方法都將系統(tǒng)看做剛性模型來(lái)設(shè)計(jì)控制器，未考慮取數(shù)臂的柔性模態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響，HLi , C Du, Y Wang.在《IEEE/ASME Transactions Transactionson Mechatronics》，2011 年 3 月第 16 期發(fā)表的論文 “Optimal Reset Control for aDual-Stage Actuator System in HDDs”中研究結(jié)果表明采用剛性模型作為被控對(duì)象時(shí),雖然仿真結(jié)果顯示可以很好的跟蹤尋道，但實(shí)驗(yàn)測(cè)試中會(huì)有很大的振動(dòng)出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有控制方法的不足，提供一種兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)的高階非奇異終端滑?？刂品椒ǎ钥s短定位時(shí)間、減小跟蹤誤差、抑制抖振現(xiàn)象的。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方法的特征是:它至少包括如下步驟:(I)建立柔性取數(shù)臂兩級(jí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和參數(shù)不確定的兩級(jí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；(2)根據(jù)(I)中得出的參數(shù)不確定的系統(tǒng)模型，采用輸出重定義的方法，將柔性兩級(jí)系統(tǒng)模型分解為輸入輸出子系統(tǒng)和內(nèi)部子系統(tǒng)；(3)將(2)中得到的內(nèi)部子系統(tǒng)變?yōu)榱銊?dòng)態(tài)子系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的控制器參數(shù)，使模型參數(shù)不確定系統(tǒng)末端位移收斂到零附近的較小區(qū)域內(nèi)；(4)針對(duì)(2)中得到的輸入輸出子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)三階非奇異終端滑?？刂破鳌Ｋ龅慕⑷嵝匀?shù)臂兩級(jí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是對(duì)兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)，假設(shè)其大臂為剛性的，由音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，臂長(zhǎng)為L(zhǎng)1,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J1 ;小臂假設(shè)為柔性的，由壓電作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，臂長(zhǎng)為L(zhǎng)2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J2 ;同時(shí)設(shè)兩臂質(zhì)量為均勻分布的，其線密度分別為P1, P2，兩臂間連接處的彈性系數(shù)為k2、阻尼系數(shù)為C2，柔性小臂的均勻柔性剛度為EI，其中E為彈性模量為材料橫截面的慣性矩；僅考慮柔性小臂的撓曲變形，WX2, t為小臂在時(shí)刻t和空間坐標(biāo)x2(0 ^ X2 ^ L2)點(diǎn)處的橫向變形，通常近似為有限項(xiàng)模態(tài)函數(shù)和柔性模態(tài)乘積之和的形式，則有
權(quán)利要求
1.一種兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)的高階非奇異終端滑?？刂品椒?，其特征是:它至少包括如下步驟: (1)建立柔性取數(shù)臂兩級(jí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和參數(shù)不確定的兩級(jí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型； (2)根據(jù)(I)中得出的參數(shù)不確定的系統(tǒng)模型，采用輸出重定義的方法，將柔性兩級(jí)系統(tǒng)模型分解為輸入輸出子系統(tǒng)和內(nèi)部子系統(tǒng)； (3)將(2)中得到的內(nèi)部子系統(tǒng)變?yōu)榱銊?dòng)態(tài)子系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的控制器參數(shù)，使模型參數(shù)不確定系統(tǒng)末端位移收斂到零附近的較小區(qū)域內(nèi)； (4)針對(duì)(2)中得到的輸入輸出子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)三階非奇異終端滑?？刂破鳌?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)的高階非奇異終端滑?？刂品椒ǎ涮卣魇?所述的建立柔性取數(shù)臂兩級(jí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是對(duì)兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)，假設(shè)其大臂為剛性的，由音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，臂長(zhǎng)為L(zhǎng)1,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J1 ;小臂假設(shè)為柔性的，由壓電作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，臂長(zhǎng)為L(zhǎng)2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J2 ;同時(shí)設(shè)兩臂質(zhì)量為均勻分布的，其線密度分別為P1, P2，兩臂間連接處的彈性系數(shù)為k2、阻尼系數(shù)為C2，柔性小臂的均勻柔性剛度為EI，其中E為彈性模量為材料橫截面的慣性矩； 僅考慮柔性小臂的撓曲變形，《x2，t為小臂在時(shí)刻t和空間坐標(biāo)X2 (0 ≤ x2 ≤L2)點(diǎn)處的橫向變形，通常近似為有限項(xiàng)模態(tài)函數(shù)和柔性模態(tài)乘積之和的形式，則有
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)的高階非奇異終端滑?？刂品椒?，其特征是:所述的兩級(jí)系統(tǒng)被分解為輸入輸出子系統(tǒng)和內(nèi)部子系統(tǒng)是通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)的:重新定義系統(tǒng)的輸出為各臂轉(zhuǎn)角和柔性模態(tài)的線性組合，如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)的高階非奇異終端滑?？刂品椒ǎ涮卣魇?所述的步驟(3)將內(nèi)部子系統(tǒng)變?yōu)榱銊?dòng)態(tài)子系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的控制器參數(shù)，使模型參數(shù)不確定系統(tǒng)末端位移收斂到零附近的較小區(qū)域內(nèi)是通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn):由零動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)的定義，可知當(dāng)輸出為零時(shí)的內(nèi)部子系統(tǒng)即為零動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)，當(dāng)輸入輸出子系統(tǒng)的輸出z (t) =0時(shí)，此時(shí)z⑴的各階導(dǎo)數(shù)也為零，即由IW = O，可得到此時(shí)的控制輸入u⑴為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)的高階非奇異終端滑?？刂品椒ǎ涮卣魇?所述的針對(duì)輸入輸出子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)三階非奇異終端滑?？刂破靼? I)滑模面及控制律的選取 對(duì)于輸入輸出子系統(tǒng)(14)，采用三階非奇異終端滑?？刂品椒?，滑模面設(shè)計(jì)為:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的兩級(jí)磁頭定位系統(tǒng)的高階非奇異終端滑?？刂品椒ǎ紫?，考慮了柔性模態(tài)以及模型參數(shù)的不確定性，建立了柔性取數(shù)臂系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型；其次，提出了一種三階非奇異終端滑?？刂品椒ǎ瑢?duì)控制信號(hào)進(jìn)行一次低通濾波，有效地削弱了抖振現(xiàn)象。該方法利用Lagrange方法和假設(shè)模態(tài)法，推導(dǎo)出柔性取數(shù)臂兩級(jí)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，采用輸出重定義的方法，將柔性兩級(jí)系統(tǒng)模型分解為輸入輸出子系統(tǒng)和內(nèi)部子系統(tǒng)。針對(duì)輸入輸出子系統(tǒng)結(jié)合二階非奇異終端滑?？刂坪途€性滑模控制，設(shè)計(jì)了三階非奇異終端滑?？刂破?，并通過(guò)Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)收斂的特性，最后利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證方法的有效性。
文檔編號(hào)G11B5/58GK103077729SQ201310045969
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者黃進(jìn), 劉明君, 白誠(chéng), 范健宇, 張潔 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)