[发明专利]刚柔耦合运动平台的扩张状态观测器-模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种刚柔耦合运动平台的扩张状态观测器‑模型预测控制方法，包括：建立刚柔耦合运动平台的动力学模型，并基于此提出适用于刚柔耦合运动平台的预测模型；利用所述预测模型，设计适用于刚柔耦合运动平台高精密控制过程中的滚动优化，其中，将预测输出与运动规划输入之间的累计误差定义为优化目标函数；将扩张观测器应用于预测模型的反馈技术中，形成闭环的控制算法。本发明针对高精度控制，结合柔性铰链的特点，提出了一种基于ESO反馈的MPC控制方法，利用ESO的反馈，使模型预测可以实时获取刚柔耦合运动平台受到的扰动，从而得到控制优化的最优解，以提高控制效果。

技术领域

本发明涉及刚柔耦合运动平台控制领域，具体涉及一种刚柔耦合运动平台的扩张观测器-模型预测控制方法。

背景技术

电子制造装备在电子工业中，尤其在现代化制造技术，占有非常重要的地位。而精密运动平台是电子制造装备的关键构件，摩擦又将是限制精密运动平台精度的主要原因，刚柔耦合运动平台利用柔性铰链的变形补偿摩擦这一问题，从而提高精密运动平台的精度。

目前，高精密运动平台大多数采用经典PID控制算法，即靠控制目标与实际行为之间的误差来确定消除此误差的控制策略，但是基于误差的控制方式无法确定其控制信号为最优控制信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种刚柔耦合运动平台扩张观测器的模型预测控制方法，使得刚柔耦合运动平台在低成本下实现更快速度和更高精度。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种刚柔耦合运动平台的扩张状态观测器-模型预测控制方法，包括：

建立刚柔耦合运动平台的动力学模型，并基于此提出适用于刚柔耦合运动平台的预测模型；

利用所述预测模型，设计适用于刚柔耦合运动平台高精密控制过程中的滚动优化，其中，将预测输出与运动规划输入之间的累计误差定义为优化目标函数；

将扩张观测器应用于预测模型的反馈技术中，形成闭环的控制算法。

进一步地，所述刚柔耦合运动平台为单自由度直线运动平台，包括中间平台、外部框架、柔性铰链、机械导轨、光栅尺、直线电机定子和直线电机动子，所述中间平台通过使用柔性铰链与外部框架连接，直线电机动子与中间平台采用螺栓连接固定在中间平台的下部。

进一步地，所述刚柔耦合运动平台的预测模型表示为：

其中，α为可调参数，m_s表示中间平台的质量，m_b表示外部框架的质量，y₁＝d_s,y₂＝d_b,d_s表示中间平台的位移，d_b表示外部框架的位移，k表示柔性铰链的刚度系数，c表示柔性铰链的阻尼系数，Δt表示采样周期，b为刚柔耦合运动平台控制系统的电力转换系数，u为控制系统的信号，f_b表示刚柔耦合运动平台受到的摩擦力，上标t表示t时刻。

进一步地，所述优化目标函数表示为：

其中，y₁(i|t)为当前时刻t预测i时刻的y₁，sⁱ为中间平台在i时刻的目标位移，vⁱ为i时刻的目标速度；

U_t为滚动优化需要求解优化的变量为控制输入信号，表示为：

U_t＝{u(t|t),u(t+1|t),…,u(t+p-1|t)}

其中，u(t|t)为在当前时刻t预测t时刻的控制信号，p表示预测模型的预测时域；