專利名稱：精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)及控制方法，屬于精密運動控制系統(tǒng)的控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
精密運動控制系統(tǒng)在工業(yè)系統(tǒng)、科學(xué)研究中廣泛應(yīng)用，例如在半導(dǎo)體制造業(yè)中，光刻機(jī)的工件臺系統(tǒng)是典型的精密運動控制系統(tǒng)，它用于保證晶圓動態(tài)曝光的精度，進(jìn)而確保芯片的品質(zhì)和產(chǎn)能，在整個半導(dǎo)體制造中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。近些年隨著科技水平的不斷提高，對精密運動控制系統(tǒng)的控制精度要求越來越高，對系統(tǒng)工作效率的要求也越來越高，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)無法滿足上述需求。問題主要表現(xiàn)在，系統(tǒng)控制精度的不斷提高使得系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)整時間加長，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的工作效率。因此系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整時間過長的 問題亟待解決。與此同時，許多精密運動控制系統(tǒng)具有重復(fù)性的工作特點，借助這一工作特點，重復(fù)控制和迭代學(xué)習(xí)控制被廣泛應(yīng)用，但在應(yīng)用過程中都有著各自的缺陷，難以直接推廣。以迭代學(xué)習(xí)控制為例，其沿迭代軸的學(xué)習(xí)性能在很多情況下無法充分反映系統(tǒng)沿時間域的動態(tài)性能，出現(xiàn)了迭代學(xué)習(xí)控制學(xué)習(xí)性能好而動態(tài)跟蹤性能差的情況。且其要求參考輸入具有高度的一致性，這也使其難以廣泛應(yīng)用。因此應(yīng)該從系統(tǒng)關(guān)鍵的性能指標(biāo)著手解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決精密運動控制系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)整時間長，使系統(tǒng)的工作效率低的問題，提供一種精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)及控制方法。本發(fā)明所述精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，它包括控制對象P，該控制對象P是精密運動控制系統(tǒng)，它包括非因果學(xué)習(xí)控制律模塊、有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊、存儲器M和反饋控制律C模塊，非因果學(xué)習(xí)控制律模塊由時間延遲因子Zd模塊、因果學(xué)習(xí)律L模塊和濾波器Q組成，d為延遲時間參數(shù)，將控制對象P的參考控制輸入量R和實際輸出量Y的誤差量ek輸入給存儲器M,存儲器M的控制量Uk輸出給濾波器Q ；存儲器M的誤差量ek輸出給時間延遲因子Zd模塊，時間延遲因子Zd模塊輸出信號給因果學(xué)習(xí)律L模塊，因果學(xué)習(xí)律L模塊輸出的學(xué)習(xí)控制的變化量與濾波器Q輸出的修正控制量相加獲得學(xué)習(xí)控制量uk+1，學(xué)習(xí)控制量uk+1反饋給存儲器M存儲，學(xué)習(xí)控制量uk+1輸入給有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊，誤差量ek輸入給有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊，有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊輸出的有效學(xué)習(xí)控制量rk+1與參考控制輸入量R相加后，再與實際輸出量Y作差后經(jīng)過反饋控制律C模塊作用于控制對象P。本發(fā)明所述基于上述精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的控制方法，它采用存儲器M來存儲迭代過程的誤差量ek和控制量uk，k = 1、2、3……，k為運動周期，存儲器M中的誤差量ek經(jīng)過時間延遲因子Zd模塊得到t+d時刻的誤差量，t+d時刻的誤差量再通過因果學(xué)習(xí)律L模塊得到學(xué)習(xí)控制的變化量，t為第k個運動周期中參考控制輸入量R和實際輸出量Y做差獲得ek的時刻，同時存儲器M中的控制量Uk經(jīng)過濾波器Q得到第k個運動周期的修正控制量，該修正控制量與因果學(xué)習(xí)律L模塊輸出的學(xué)習(xí)控制的變化量相加得到學(xué)習(xí)控制量uk+1，將該學(xué)習(xí)控制量uk+1存入存儲器M中；當(dāng)?shù)趉個運動周期結(jié)束后，有效學(xué)習(xí)函數(shù)f (t，e)模塊根據(jù)第k個運動周期的誤差量ek來對學(xué)習(xí)控制量uk+1進(jìn)行修正，得到修正后的有效學(xué)習(xí)控制量rk+1，然后進(jìn)入第k+Ι個運動周期；在第k+Ι個運動周期，有效學(xué)習(xí)控制量rk+1與第k+Ι個運動周期的參考控制輸入量R相加，并與第k+Ι個運動周期的實際輸出量Y做差后作用于反饋控制器C，然后再作用 于控制對象P，得到k+Ι個運動周期的實際輸出量Y ;按照上述過程依次往復(fù)進(jìn)行，直到控制對象P運動結(jié)束。在k = I的運動周期時,控制量Uk = O,誤差量ek = O。延遲時間參數(shù)d根據(jù)控制對象P和反饋控制律C模塊構(gòu)成的反饋系統(tǒng)的帶寬調(diào)整確定。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明采用時間延遲因子對學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)進(jìn)行初步整形，并根據(jù)由P、c組成的反饋系統(tǒng)的帶寬確定d，進(jìn)而確定滿足收斂要求的低頻段范圍。通過因果學(xué)習(xí)律L模塊和濾波器Q進(jìn)行高頻部分的整形，使其滿足收斂性要求。根據(jù)精密運動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求進(jìn)行有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊的設(shè)計，這樣有針對性的設(shè)計可以有效減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，并保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作階段的性能指標(biāo)，有利于提高系統(tǒng)的工作效率。本發(fā)明提高了系統(tǒng)的跟蹤性能，增強(qiáng)了對參考輸入的適用性。它從性能指標(biāo)入手，引入一個有效學(xué)習(xí)函數(shù)，結(jié)合時間延遲因子Zd模塊、因果學(xué)習(xí)律L模塊和濾波器Q構(gòu)成了一種非因果有效學(xué)習(xí)控制方法。它針對性能指標(biāo)提出的，可以減小不必要的性能衰減。本發(fā)明的實施簡單易行，在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上容易進(jìn)行改造，而且對于機(jī)電控制系統(tǒng)而言，不需要對被控制對象有充分的了解，就可以通過調(diào)整時間延遲因子、因果學(xué)習(xí)律模塊和濾波器得到收斂的學(xué)習(xí)控制作用。有效學(xué)習(xí)函數(shù)模塊的作用既增加了學(xué)習(xí)控制的針對性，又增強(qiáng)了它的適用性。針對性是指系統(tǒng)可以通過有效學(xué)習(xí)確保用戶所需的性能指標(biāo)滿足要求，而對其它次要的性能不做過分要求。適用性是指有效學(xué)習(xí)使系統(tǒng)對具有部分相同特性的可變參考輸入仍然具有可適用性。


圖I為本發(fā)明控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖；圖2為實施方式四中以晶圓掃描光刻系統(tǒng)的掃描方向運動為例時,微動臺P的頻率特性圖；圖3為實施方式四中以晶圓掃描光刻系統(tǒng)的掃描方向運動為例時，反饋控制系統(tǒng)T的伯德曲線圖；圖4為時間延遲因子的奈奎斯特曲線圖5為晶圓掃描光刻系統(tǒng)經(jīng)本發(fā)明方法整形后的系統(tǒng)特性圖；圖6為晶圓掃描光刻系統(tǒng)采用本發(fā)明方法控制后的收斂特性圖；圖7為晶圓掃描光刻系統(tǒng)參考軌跡的加速度曲線圖；圖8為晶圓掃描光刻系統(tǒng)采用本發(fā)明方法控制后的跟蹤誤差曲線圖；圖9為圖8中標(biāo)示I處的局部放大圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖I說明本實施方式，本實施方式所述精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，它包括控制對象P，該控制對象P是精密運動控制系統(tǒng)，它包括非因果學(xué)習(xí)控制律模塊、有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊、存儲器M和反饋控制律C模塊，
非因果學(xué)習(xí)控制律模塊由時間延遲因子Zd模塊、因果學(xué)習(xí)律L模塊和濾波器Q組成，d為延遲時間參數(shù)，將控制對象P的參考控制輸入量R和實際輸出量Y的誤差量ek輸入給存儲器M,存儲器M的控制量Uk輸出給濾波器Q ；存儲器M的誤差量ek出給時間延遲因子Zd模塊，時間延遲因子Zd模塊輸出信號給因果學(xué)習(xí)律L模塊，因果學(xué)習(xí)律L模塊輸出的學(xué)習(xí)控制的變化量與濾波器Q輸出的修正控制量相加獲得學(xué)習(xí)控制量uk+1，學(xué)習(xí)控制量uk+1反饋給存儲器M存儲，學(xué)習(xí)控制量uk+1輸入給有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊，誤差量ek輸入給有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊，有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊輸出的有效學(xué)習(xí)控制量rk+1與參考控制輸入量R相加后，再與實際輸出量Y作差后經(jīng)過反饋控制律C模塊作用于控制對象P。本實施方式中，有效學(xué)習(xí)函數(shù)為f (t，e)模塊可以根據(jù)誤差情況修正有效學(xué)習(xí)區(qū)間，rk表示有效學(xué)習(xí)控制量。含下標(biāo)k的變量表示第k個運動周期的信息量，含下標(biāo)k+Ι的變量表示第k+Ι個運動周期的信息量。本實施方式的迭代過程伴隨著整個控制對象P的重復(fù)性運動過程，只要精密系統(tǒng)持續(xù)運動，則一直施加學(xué)習(xí)控制作用。其學(xué)習(xí)的過程是精密運動控制系統(tǒng)性能提高和改善的過程，隨著運動的進(jìn)行，誤差量ek逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。調(diào)整延遲時間參數(shù)d、因果學(xué)習(xí)律L模塊和濾波器Q可以保證學(xué)習(xí)的性能。時間延遲因子Zd模塊起到初始整定作用，d可以根據(jù)反饋系統(tǒng)的帶寬來確定，它可以對包含P、C的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行整定。
具體實施方式
二 下面結(jié)合圖I至圖9說明本實施方式，本實施方式為基于實施方式一所述精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的控制方法，它采用存儲器M來存儲迭代過程的誤差量ek和控制量uk，k = 1、2、3……，k為運動周期，存儲器M中的誤差量ek經(jīng)過時間延遲因子Zd模塊得到t+d時刻的誤差量，t+d時刻的誤差量再通過因果學(xué)習(xí)律L模塊得到學(xué)習(xí)控制的變化量，t為第k個運動周期中參考控制輸入量R和實際輸出量Y做差獲得ek的時刻，同時存儲器M中的控制量Uk經(jīng)過濾波器Q得到第k個運動周期的修正控制量，該修正控制量與因果學(xué)習(xí)律L模塊輸出的學(xué)習(xí)控制的變化量相加得到學(xué)習(xí)控制量uk+1，將該學(xué)習(xí)控制量uk+1存入存儲器M中； 當(dāng)?shù)趉個運動周期結(jié)束后，有效學(xué)習(xí)函數(shù)f (t，e)模塊根據(jù)第k個運動周期的誤差量ek來對學(xué)習(xí)控制量uk+1進(jìn)行修正，得到修正后的有效學(xué)習(xí)控制量rk+1，然后進(jìn)入第k+Ι個運動周期；在第k+Ι個運動周期，有效學(xué)習(xí)控制量A+1與第k+Ι個運動周期的參考控制輸入量R相加，并與第k+Ι個運動周期的實際輸出量Y做差后作用于反饋控制器C，然后再作用于控制對象P，得到k+Ι個運動周期的實際輸出量Y ；按照上述過程依次往復(fù)進(jìn)行，直到控制對象P運動結(jié)束。本實施方式中，在第k個運動周期時，存儲器M中已經(jīng)存放了第k個運動周期的控制量uk，它經(jīng)過有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊可以得到rk，此時起作用的是經(jīng)過有效整形后的有效學(xué)習(xí)控制量是rk。參考控制輸入量R和實際輸出量Y做差得到第k個運動周期在t時刻的誤差，將其存入存儲器M中。存儲器M中的ek經(jīng)過時間延遲因子Zd模塊得到t+d時刻的誤差量，再通過因果學(xué)習(xí)律L模塊得到學(xué)習(xí)控制的變化量；同時存儲器M中的Uk經(jīng)過濾波 器Q得到第k個運動周期的修正控制量，與控制變化量相加得到uk+1，它是未經(jīng)過處理的學(xué)習(xí)控制量，將它存入M中。隨著t的不斷增加，前面的過程會一直持續(xù)到第k個周期結(jié)束，也即是離線學(xué)習(xí)結(jié)束。第k個運動周期結(jié)束后，有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊可以根據(jù)第k個周期的誤差信息來對學(xué)習(xí)量％+1進(jìn)行修正，得到修正后的有效學(xué)習(xí)控制量rk+1。此時進(jìn)入第k+Ι個運動周期，rk+1開始起作用，它與第k+Ι個周期的參考控制輸入量R相加，并與實際輸出量Y做差作用于反饋控制器C，然后作用于被控制對象，就得到k+Ι個運動周期的實際輸出。按照上述過程依次往復(fù)進(jìn)行，直到運動結(jié)束。有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊在施加控制的過程中，可以提取有效學(xué)習(xí)段，進(jìn)而調(diào)整學(xué)習(xí)控制作用，減小調(diào)節(jié)時間，確保穩(wěn)定工作段的性能。本實施方式可以被應(yīng)用于具有相同加減速動態(tài)過程的可變參考控制輸入量R。
具體實施方式
三本實施方式為對實施方式二的進(jìn)一步說明，在k = I的運動周期時，控制量Uk = O,誤差量ek = O。本實施方式表示，有效學(xué)習(xí)控制的過程是首先設(shè)定初始條件，即在第一個運動周期時，存儲器M中的初始控制量U1和誤差量θι都為O。若一個運動周期包含的時間范圍為t0 tf，采樣周期為ts，則控制量和誤差量的維數(shù)為l+(tf-t0)/ts。
具體實施方式
四本實施方式為對實施方式二或三的進(jìn)一步說明，延遲時間參數(shù)d根據(jù)控制對象P和反饋控制律C模塊構(gòu)成的反饋系統(tǒng)的帶寬調(diào)整確定。本實施方式是需要根據(jù)P、C構(gòu)成的反饋系統(tǒng)的帶寬來初步調(diào)整延遲時間參數(shù)d，確定系統(tǒng)低頻段滿足收斂要求的具體范圍，然后通過因果學(xué)習(xí)律L模塊和濾波器Q來整形高頻部分，確保學(xué)習(xí)控制的收斂性。根據(jù)性能指標(biāo)要求確定有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊，它可以調(diào)整有效學(xué)習(xí)控制作用，提高系統(tǒng)的跟蹤性能，并可以適用于滿足一定條件的可變參考控制輸入量R。本發(fā)明適用于包括掃描光刻系統(tǒng)在內(nèi)的精密運動系統(tǒng)，屬于精密運動控制與掃描光刻技術(shù)領(lǐng)域。晶圓掃描光刻系統(tǒng)是一種典型的精密運動控制系統(tǒng)，下面以晶圓掃描光刻系統(tǒng)的掃描方向運動為例對本發(fā)明進(jìn)行說明圖I作為施加的控制框架，P為微動臺的動態(tài)特性，它包含了電機(jī)和臺體，P的表達(dá)形式為
權(quán)利要求
1.一種精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，它包括控制對象P，該控制對象P是精密運動控制系統(tǒng)，其特征在于它包括非因果學(xué)習(xí)控制律模塊、有效學(xué)習(xí)函數(shù)f (t，e)模塊、存儲器M和反饋控制律C模塊， 非因果學(xué)習(xí)控制律模塊由時間延遲因子Zd模塊、因果學(xué)習(xí)律L模塊和濾波器Q組成，d為延遲時間參數(shù)， 將控制對象P的參考控制輸入量R和實際輸出量Y的誤差量ek輸入給存儲器M，存儲器M的控制量Uk輸出給濾波器Q ； 存儲器M的誤差量ek輸出給時間延遲因子Zd模塊，時間延遲因子Zd模塊輸出信號給因果學(xué)習(xí)律L模塊，因果學(xué)習(xí)律L模塊輸出的學(xué)習(xí)控制的變化量與濾波器Q輸出的修正控制量相加獲得學(xué)習(xí)控制量uk+1，學(xué)習(xí)控制量uk+1反饋給存儲器M存儲， 學(xué)習(xí)控制量uk+1輸入給有效學(xué)習(xí)函數(shù)f (t，e)模塊，誤差量ek輸入給有效學(xué)習(xí)函數(shù)f (t，e)模塊，有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊輸出的有效學(xué)習(xí)控制量rk+1與參考控制輸入量R相加后，再與實際輸出量Y作差后經(jīng)過反饋控制律C模塊作用于控制對象P。
2.基于權(quán)利要求I所述精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于它采用存儲器M來存儲迭代過程的誤差量ek和控制量uk，k = 1、2、3……，k為運動周期， 存儲器M中的誤差量ek經(jīng)過時間延遲因子Zd模塊得到t+d時刻的誤差量，t+d時刻的誤差量再通過因果學(xué)習(xí)律L模塊得到學(xué)習(xí)控制的變化量，t為第k個運動周期中參考控制輸入量R和實際輸出量Y做差獲得ek的時刻， 同時存儲器M中的控制量Uk經(jīng)過濾波器Q得到第k個運動周期的修正控制量，該修正控制量與因果學(xué)習(xí)律L模塊輸出的學(xué)習(xí)控制的變化量相加得到學(xué)習(xí)控制量uk+1，將該學(xué)習(xí)控制量uk+1存入存儲器M中； 當(dāng)?shù)趉個運動周期結(jié)束后，有效學(xué)習(xí)函數(shù)f (t，e)模塊根據(jù)第k個運動周期的誤差量ek來對學(xué)習(xí)控制量uk+1進(jìn)行修正，得到修正后的有效學(xué)習(xí)控制量rk+1，然后進(jìn)入第k+Ι個運動周期； 在第k+Ι個運動周期，有效學(xué)習(xí)控制量rk+1與第k+Ι個運動周期的參考控制輸入量R相力口，并與第k+Ι個運動周期的實際輸出量Y做差后作用于反饋控制器C，然后再作用于控制對象P，得到k+Ι個運動周期的實際輸出量Y ; 按照上述過程依次往復(fù)進(jìn)行，直到控制對象P運動結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制方法，其特征在于在k = I的運動周期時,控制量Uk = O,誤差量ek = O。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制方法，其特征在于延遲時間參數(shù)d根據(jù)控制對象P和反饋控制律C模塊構(gòu)成的反饋系統(tǒng)的帶寬調(diào)整確定。
全文摘要
精密運動控制系統(tǒng)的非因果有效學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)及控制方法，屬于精密運動控制系統(tǒng)的控制技術(shù)領(lǐng)域。它解決了精密運動控制系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)整時間長，使系統(tǒng)的工作效率低的問題。控制系統(tǒng)包括控制對象P、非因果學(xué)習(xí)控制律模塊、有效學(xué)習(xí)函數(shù)f(t，e)模塊、存儲器M和反饋控制律C模塊，非因果學(xué)習(xí)控制律模塊由時間延遲因子zd模塊、因果學(xué)習(xí)律L模塊和濾波器Q組成；控制方法采用時間延遲因子對學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)進(jìn)行初步整形，并根據(jù)由P、C組成的反饋系統(tǒng)的帶寬確定d，進(jìn)而確定滿足收斂要求的低頻段范圍；通過因果學(xué)習(xí)律L模塊和濾波器Q進(jìn)行高頻部分的整形，使其滿足收斂性要求。本發(fā)明適用于精密運動控制系統(tǒng)的控制。
文檔編號G05B19/414GK102929213SQ201210490730
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者陳興林, 姜曉明, 劉楊 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)