红外与激光工程
2023, 52(5): 20220665
宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
为了降低压电微动平台的动态迟滞误差对平台定位精度的影响, 该文设计了基于率相关迟滞逆模型的前馈控制器对其进行迟滞补偿。首先, 在对平台受力分析和运动分析的基础上建立平台的动力学模型; 其次, 在经典Prandtl-Ishilinskii(PI）模型的基础上加以改造, 得到Modified Prandtl-Ishilinskii(MPI)模型, 并将MPI模型与平台的线性动力学模型串联, 得到分离式率相关MPI模型, 进而基于率相关MPI逆模型建立平台的前馈控制器; 最后, 对所设计的控制器进行阶跃响应和正弦轨迹跟踪实验。实验结果表明, 所设计的控制器具有较好的定位精度与跟踪性能, 可以有效地补偿压电微动平台的动态迟滞误差。
微动平台 迟滞建模 率相关 前馈控制 micro-positioning stage hysteresis model rate dependence feedforward control
强激光与粒子束
2022, 34(7): 075013
宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
以压电陶瓷驱动器作为动力输入的快速伺服刀架具有输出力大和高频率响应的优点。压电陶瓷驱动器固有的迟滞现象严重影响了快速伺服刀架的输出定位精度。为解决此问题，通过引入归一化Bouc-Wen模型建立前馈控制补偿器，归一化Bouc-Wen模型解决了经典Bouc-Wen模型中存在的参数冗余问题。获得模型参数后，基于其逆模型搭建了前馈补偿器，并在搭建的实验平台上进行了单/双自由度轨迹跟踪性能测试。实验结果表明，对于等幅正弦波信号，经前馈控制环节补偿下快速伺服刀架的最大轨迹跟踪误差为1, 18%，最大轨迹跟踪偏差为2, 61%，证明该文所提出的前馈控制补偿器能提高快速伺服刀架的定位精度。
快速伺服刀架 Bouc-Wen模型 迟滞特性 前馈控制 压电陶瓷驱动器 fast servo tool post Bouc-Wen model hysteresis characteristics feedforward control piezoelectric ceramic driver
1 复旦大学工程与应用技术研究院上海市超精密运动控制与检测工程研究中心，上海 200433
2 复旦大学微电子学院专用集成电路与系统国家重点实验室，上海 200433
光刻机是支撑集成电路芯片制程不断减小的关键设备，而高性能的光刻机需要高加速度和高精度的运动台作为支撑。为了达到光刻机的各项工作指标，高性能的运动台控制方法必不可少。本文针对光刻机运动台的主流控制方法进行了梳理和介绍，首先介绍了运动台的工作原理及基本控制架构，然后从前馈控制、反馈控制、冗余驱动/冗余测量等方面对运动台控制方法进行具体介绍，旨在为光刻机运动台控制方法的进一步发展提供参考。
激光与光电子学进展
2022, 59(9): 0922003
1 中国科学院 上海应用物理研究所,上海 201800
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院 上海高等研究院,上海 201210
针对压电陶瓷固有的迟滞非线性，设计了一种基于深度神经网络(DNN)的前馈补偿控制系统。该系统包含1个输入层、7个隐藏层和1个输出层。实验结果表明，开环情况下压电陶瓷的位移线性误差达8.91 μm。施加神经网络前馈补偿后，压电陶瓷的最大位移误差降低到80 nm，稳态误差为±20 nm。进一步测试表明，在10~100 Hz输入频率下系统最大误差小于100 nm，均方根误差为0.01 μm，验证了深度神经网络能够准确补偿压电陶瓷动态迟滞非线性，具有较好的频率泛化能力。
压电陶瓷 迟滞非线性 深度神经网络 前馈控制 piezoelectric ceramics hysteresis nonlinearity deep neural network feedforward control
1 宁波大学 机械工程与力学学院,浙江 宁波 315211
2 浙江大学 机械工程学院浙江省先进制造技术重点实验室, 浙江 杭州 310027
针对压电微操作器的迟滞非线性补偿问题, 采用Prandtl-Ishlinskii(PI)法建立了描述微操作器迟滞非线性特性的迟滞模型, 并设计其前馈控制器。首先通过将系统逆补偿输出线性化, 设计混合灵敏度H∞控制器, 使系统具有较好的动静态特性。其次搭建了由多自由度微动平台和末端柔性操作臂构成的压电微操作器系统, 并进行一系列测控实验。结果表明,基于PI逆模型的前馈控制可以较好地补偿压电微操作器的迟滞非线性, 在最大输出位移125 μm的情况下, 最大迟滞非线性率由21.7%降低至7.4%。同时混合灵敏度H∞控制能以较小的相对控制误差实现对不同类型和频率的参考轨迹跟踪, 甚至微操作器动力学参数发生变化时, 仍然具有较好的控制效果, 证实了所提出控制器的可行性。
微操作器 压电驱动 H∞控制 迟滞模型 前馈控制 micromanipulator piezoelectric actuation H∞ control hysteresis model feedforward control
上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海 201620
纳米级精度微位移驱动与控制通常使用压电陶瓷驱动器驱动柔性机构来实现。但是压电陶瓷驱动器行程较小，需要使用柔性放大机构对其位移进行放大，并且压电陶瓷驱动器存在蠕变和迟滞等非线性特性，而这些非线性特性极大影响了其输出位移经放大机构放大后的运动精度。针对以上两点，将传统桥式机构的4条桥臂用Scott-Russell机构代替，设计了一种新型柔性放大机构。同时,采用基于动力学逆模型前馈控制与PID反馈控制相结合的复合控制策略，提升放大机构的控制带宽和运动精度。实验结果表明，复合控制策略在1 Hz输入频率下的均方根跟踪误差相较传统PID反馈控制降低了33%，在10 Hz下降低了73%，说明了基于动力学逆模型前馈控制同PID反馈控制相结合的复合控制能够大幅度提高放大机构的跟踪精度。
压电陶瓷驱动器 柔性放大机构 逆模型前馈控制 piezoelectric ceramic driver flexible amplification mechanism feedforward control based on inverse model
1 中国科学院光束控制重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
对于光电跟踪系统来说，图像传感器例如电荷耦合器件(CCD)只能够探测脱靶量即偏差信息，而无法得到目标运动轨迹，所以，大多数情况下在目标跟踪回路不能直接实现前馈控制，这限制了系统的闭环跟踪性能。本文采用了一种基于误差观测器的等效前馈控制方法来提高运动平台光电跟踪系统的跟踪性能。该方法是在原有的反馈控制回路的基础上加入一个观测前馈通路，通过优化前馈滤波器提高闭环性能。由于是基于最终的视觉误差的观测，该方法对目标跟踪和扰动抑制同时起作用，既可以应用到地基跟踪也可以应用于运动平台上。前馈滤波器没有采用简单的一阶低通滤波器而是选择Q31滤波器。仿真和实验表明，与传统控制方法相比，这种基于误差观测器的控制方法能够有效提高系统的低频跟踪性能。
视轴偏差 运动平台 前馈控制 光电跟踪系统 line of sight error moving platforms feedforward control optic-electro tracking systems
1 中国科学院光电技术研究所, 成都 610209
2 光束控制重点实验室, 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100039
目标快速运动及舰载平台姿态变化使得舰载光电跟踪系统形成较大的跟踪误差。为了减小该误差, 提出了一种基于前馈控制的补偿方案。该方案利用坐标变换给出了由船摇和目标运动引起的跟踪扰动量, 并通过滤波求取该扰动量的一阶导数, 以此作为跟踪系统的前馈量加入系统中, 达到对扰动进行补偿的效果。仿真结果显示, 系统的跟踪精度提高了一个数量级。
前馈控制 光电跟踪 姿态控制 运动平台 视轴稳定 feedforward control electro-optical tracking attitude control motional platform line of sight stabilization
