一种适用于光程扫描系统的自适应前馈补偿方法

本发明涉及精密运动控制，尤其涉及一种适用于光程扫描系统的自适应前馈补偿方法。

背景技术：

1、在便携式傅里叶变换红外光谱仪的光程扫描系统中，为了提高光程扫描系统的性能，许多控制器被提出并应用以提高扫描的稳定性。比如采用cpld(complex programmablelogic device，复杂可编程逻辑器件)实现全数字增量pid(proportion integrationdifferentiation，比例-积分-微分)控制器的光路扫描控制系统，模糊pid控制器及其改进算法，双闭环pi算法及自抗扰控制等。前述各算法多为采用反馈控制的方式实现，因而其未能充分利用系统的前馈信息，导致控制效果欠佳。

2、当控制器利用系统的前馈信息时，采用固定前馈系数的前馈控制便难以适应控制对象在运行过程中的变化，为此提出了自适应前馈补偿方法。现有技术中的自适应前馈补偿方法常采用渐消记忆递推最小二乘法更新前馈增益，但是应用固定遗忘因子的渐消记忆递推最小二乘法的自适应前馈补偿方法中难以同时保证快速性和鲁棒性，从而影响了自适应前馈补偿器的性能。

3、在现有技术中，还包括以下其他几种自适应前馈控制方案，但每种方案在应用过程中均存在不同的局限性，下面将分别进行说明。

4、现有技术一

5、现有技术一为专利文献cn 105093859 a公开的一种带有推力波动补偿的工件台自适应前馈控制方法，属于超精密运动控制领域，其目的是解决光刻机工件台宏动直线电机控制中逆模型参数波动和推力波动影响传统固定参数逆模型前馈性能的问题。如图1所示，现有技术一的具体的实现过程包括：获得工件台直线电机推力波动等效电压与电机动子位置的周期性关系；建立带有推力波动的等效控制模型；定义参数向量和回归向量；计算自适应增益；计算估计参数向量；计算自适应前馈控制律；根据步骤六获得的自适应前馈控制律，对工件台进行带有推力波动补偿的自适应前馈控制。

6、上述现有技术一主要存在的缺点包括：难以建立精确的带有推力波动的等效控制模型，模型参数易受扰动而不准确；且计算自适应增益量的待定系数较多且难以确定。

7、现有技术二

8、现有技术二为专利文献cn 113867155 a公开的一种适用于光电跟踪系统的扰动辨识和自适应补偿方法，该方法如图2所示，包括：利用ar参数模型辨识法对q滤波器前的扰动估计值进行频域辨识，可以获得窄带扰动的峰值频率；采用改进型陷波滤波器结构来构造和调节q滤波器，以实现对扰动的自适应前馈补偿。

9、现有技术二的缺点包括：其使用了控制对象的逆模型，逆模型的获取较为困难；另外现有技术二难以克服宽带扰动对系统的影响。

10、现有技术三

11、现有技术三为专利文献cn 110011332 a公开的一种基于自适应前馈补偿的虚拟同步电机控制方法及装置，如图3所示，其主要为获取转动惯量与阻尼系数生成自适应前馈量。

12、现有技术三的缺点包括：实际应用中电机的转动惯量与阻尼系数较难精确获取。

13、现有技术四

14、现有技术四为专利文献cn 115800848 a公开r一种带有超调控制的电机自适应位置前馈补偿方法，其经带有超调控制的自适应位置前馈补偿算法实时更新调整自适应速度前馈增益和自适应加速度前馈增益，如图4所示，包括：计算跟踪误差，依据所述跟踪误差建立动态遗忘因子函数；判断电机的状态；在加/减速阶段调整自适应前馈增益；在加/减速阶段：采用超调控制。

15、现有技术四的缺点包括：其采用的递推最小二乘法存在参数易随着协方差矩阵的减小而产生爆发现象，算法稳定性较差；另外，现有技术四采用的动态遗忘因子函数变化速率较慢，遗忘因子的动态响应较差。

16、现有技术五

17、现有技术五为专利文献cn 117075482 a公开的一种伺服自适应前馈控制系统，其根据所述位置闭环给定信号、所述力矩前馈信号以及所述速度前馈信号控制伺服电机。如图5所示，包括：位置处理模块，用于根据输入的位置信号生成位置闭环给定信号，并输入所述pid控制器的位置环；力矩前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成力矩前馈信号，并输入所述pid控制器的力矩环；速度前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成速度前馈信号，并输入所述pid控制器的速度环。

18、现有技术五的缺点包括：将生成的力矩前馈信号与速度前馈信号直接输入控制器的速度环，未经系数调节，系统不能达到最佳的控制精度。

19、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供了一种适用于光程扫描系统的自适应前馈补偿方法，以解决现有技术中存在的采用固定遗忘因子的渐消记忆递推最小二乘法的自适应前馈补偿方法存在的难以同时保证快速性和鲁棒性的问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种适用于光程扫描系统的自适应前馈补偿方法，包括：

4、基于规划的速度曲线和加速度曲线获取前馈信息，所述前馈信息包括速度前馈信息和加速度前馈信息；

5、根据所述前馈信息计算光程扫描系统的输出误差，并基于所述光程扫描系统的输出误差计算动态遗忘因子；

6、根据所述动态遗忘因子实现前馈系数的自适应调整，以实现针对光程扫描系统的前馈系数的自适应前馈补偿。

7、所述输出误差的计算公式包括：

8、

9、其中，自适应前馈后系统输出u(t)＝u0(t)+uf(t)，u0(t)为pd控制器的输出，自适应前馈补偿器的输出uf(t)＝h(t)θ(t)；h(t)＝[v(t),a(t)]t是系统输入矩阵；θ(t)＝[kv,ka]t是自适应前馈系数矩阵，kv是速度前馈增益，ka是加速度前馈增益。

10、所述的态遗忘因子的计算公式为：

11、λ(t)＝γ+2*(1-γ)(1-sig(βε(t)))；

12、其中，γ和β是可变参数，γ取值在0.9-1之间，β为正数；sig(·)为sigmoid函数。

13、该方法还包括根据所述动态遗忘因子，采用渐消记忆的阻尼递归最小二乘法实现前馈系数的自适应调整的。

14、所述实现前馈系数的自适应调整的步骤包括：

15、构造目标函数并引入所述动态遗忘因子和阻尼因子，所述目标函数公式如下：

16、

17、其中，λ是遗忘因子，μ是阻尼因子；

18、引入所述动态遗忘因子和阻尼因子后的阻尼递归最小二乘法公式为：

19、

20、其中，p(t)是估计误差的协方差，i是单位矩阵；

21、基于所述目标函数和阻尼递归最小二乘法公式实现前馈系数的自适应调整。

22、所述以实现针对光程扫描系统的前馈系数的自适应前馈补偿的过程包括：

23、基于所述目标函数和阻尼递归最小二乘法公式构造自适应前馈补偿器，并将其引入到线性自抗扰控制器中实现前馈系数的自适应前馈补。

24、与现有技术相比，本发明所提供的适用于光程扫描系统的自适应前馈补偿方法，其在线性自抗扰控制器中引入自适应前馈补偿方法，保证系统具有良好抗扰能力的同时改善了系统的跟随性能；另外还引入阻尼因子使得算法更加稳定，防止前馈系数更新过程中产生爆发现象；再者，本发明实还可以根据系统的输出误差动态调整遗忘因子，以平衡自适应前馈算法的稳态抗干扰能力和动态快速收敛能力之间的矛盾；而且动态遗忘因子的变化速率呈非线性，其动态响应良好。