基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ilc系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC系統(tǒng)和方法，系統(tǒng)包括選擇性迭代學(xué)習(xí)控制律模塊(1)和PID反饋控制模塊(3)。其中，用存儲器來存儲迭代過程中的誤差量ej(k)和學(xué)習(xí)控制量rj(k)；采用學(xué)習(xí)濾波器(12)和時變?yōu)V波器(14)實現(xiàn)重復(fù)性擾動的完全抑制。采用包含非重復(fù)性擾動濾波器(21)的非重復(fù)性擾動觀測器模塊(2)抑制頻率范圍在該非重復(fù)性擾動濾波器(21)帶寬范圍內(nèi)的非重復(fù)性擾動。通過所述時變?yōu)V波器(14)選擇性地抑制頻率范圍超出非重復(fù)性擾動濾波器(21)帶寬的非重復(fù)性擾動進入迭代過程。本發(fā)明對重復(fù)性誤差和非重復(fù)性誤差均有很好的效果，提高了定位跟蹤性能，特別適用于光柵刻劃過程中的超精密定位。
【專利說明】基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC系統(tǒng)及方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種自動控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體設(shè)及基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定 位選擇性ILC(iteration Learning Control,迭代學(xué)習(xí)控制）方法。本發(fā)明可W應(yīng)用于刻 劃光柵等精密控制技術(shù)中。

【背景技術(shù)】
[0002] 迭代學(xué)習(xí)控制（ILC，iteration Learning Control)是一種公認(rèn)的執(zhí)行重復(fù)性工 作系統(tǒng)的有效控制技術(shù)。在學(xué)習(xí)過程中，過去迭代的跟蹤誤差會合并產(chǎn)生一個新的前饋控 制信號W提高下一次迭代的性能，可W有效抑制獨立于迭代學(xué)習(xí)次數(shù)的重復(fù)性誤差。光柵 刻劃機定位系統(tǒng)的工作原理和刻劃數(shù)據(jù)都表明，該定位系統(tǒng)在重復(fù)定位過程中，有很多的 可重復(fù)性誤差。所W，該定位過程可W利用PID控制器設(shè)計ILC前饋控制器，W抑制系統(tǒng)中 存在的可重復(fù)性誤差信號。然而，實際刻劃過程中，非重復(fù)性擾動也會同時存在，并且在每 一次迭代過程中都會發(fā)生變化。標(biāo)準(zhǔn)ILC只能不斷學(xué)習(xí)并減弱重復(fù)性擾動，非重復(fù)性擾動 進入學(xué)習(xí)循環(huán)會限制甚至惡化原本可達到的ILC性能，引起誤差放大。
[0003] 為了提高ILC對非重復(fù)性擾動的抗干擾能力，各研究機構(gòu)已經(jīng)開展了大量研究工 作。一種方法是對擾動輸入的誤差信號進行前置濾波并將其分解為重復(fù)性部分和非重復(fù)性 部分。只有誤差的重復(fù)性部分才允許進入ILC的學(xué)習(xí)循環(huán)。如參考文獻（Lee, J. H.，Lee， K. S.，and Kim，W. C.，2000,Model-based iterative learning control witha quadratic criterion for time-varying linear systems，Automatica，36，pp. 641657.)所述應(yīng)用過 程，通過卡爾曼濾波器移出獨立于迭代的部分，提高了學(xué)習(xí)的有效性。而參考文獻（Merry， R. ，van de Molengraft，R. ，and Steinbuch，M. ，2008,Iterative learning control with wavelet filtering, Int.J. Robust Nonlin. Control, 18，pp. 1052-1071.)所述應(yīng)用過程則 使用小波濾波器過濾掉了非重復(fù)性擾動。其他的方法則集中于ILC方案自身的調(diào)整，增強 方案的魯椿性。此類方法包括高階ILC、分段ILCW及帶有時變魯椿濾波器怕濾波器）的 ILC。參考文獻（Chen，Y. and Moore，K. L.，2002, Harnessing the nonrepetitiveness in iterative learning control,Proc. 41 st IEEE Conference on Decision and Control， 3，pp. 3350-3355.)通過假設(shè)非重復(fù)性誤差的模式是已知的，設(shè)計了迭代域擾動觀測器（一 種特殊的高階觀測器）用于非重復(fù)性干擾過濾。參考文獻（Sandipan，M.，Joshua, C.，and Tomizuka，M.，2007，Precision Positioning of Wafer Scanners Segmented Iterative Learning Control for Nonrepetitive Disturbances，IEEE Control Syst. Mag.，27(4)， pp. 20-25.)將時域分段ILC策略用于晶圓掃描機的精密運動控制，其學(xué)習(xí)過程的開啟和關(guān) 閉是基于每一次迭代重復(fù)性和非重復(fù)性擾動的幅值。進一步的推廣是在ILC中加入一個截 止頻率根據(jù)定位誤差時頻分析在線迭代調(diào)整的時變Q濾波器。當(dāng)重復(fù)性擾動主要集中在 低頻段時，時變Q濾波器帶寬降低W減少非重復(fù)性擾動的影響；否則時變Q濾波器的帶寬 增加W獲得最大的學(xué)習(xí)能力和更好的性能。諸多研究構(gòu)建了該樣的ILC方案，如參考文獻 狂hang，B. ，Wang，D. ，and Ye，Y. ，2005,Wavelet transform-based frequency tuning ILC， IE邸 Trans.Syst.Man 切b.Part B，35(l)，pp. 107-114.)使用了小波變換用于時頻域分 析，參考文獻（R〇tariu，I.，Steinbuch，M.，and Ellenbroek，R. ,2008,Adaptive Iterative Learning Control for High Precision Motion Systems，IEEE Trans. Control Syst. Techn，16巧），1075-1082.)采用了維格納分布算法。上述的增強魯椿性ILC算法能夠有效 避免由非重復(fù)性擾動引起的誤差放大，但是非重復(fù)性擾動本身的抑制并沒有得到根本性解 決。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一）要解決的技術(shù)問題
[0005] 本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有的ILC方法不能對刻劃光柵等精密定位過程中的重復(fù)性擾 動和非重復(fù)性擾動同時具備優(yōu)良的抑制能力的問題。
[0006] (二）技術(shù)方案
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇 性ILC系統(tǒng)，用于對控制對象進行控制，系統(tǒng)包括選擇性迭代學(xué)習(xí)控制律模塊（1)和PID 反饋控制模塊（3)，所述選擇性迭代學(xué)習(xí)控制律模塊（1)包括第一存儲器（11)、學(xué)習(xí)濾波 器（12)、第二存儲器（13)和時變?yōu)V波器（14)，其中，所述控制對象的定位參考控制輸入量 Yd(k)和實際前次定位輸出量yj.(k)的誤差量6j.(k)輸入給所述第一存儲器（11);所述第一 存儲器（11)的定位誤差量6j.(k)輸出給所述學(xué)習(xí)濾波器（12)，所述學(xué)習(xí)濾波器（12)輸出 的學(xué)習(xí)控制變化量與所述第二存儲器（13)存儲的前次學(xué)習(xí)控制量rj.(k)相加一起輸出給 所述時變?yōu)V波器（14)，所述時變?yōu)V波器（14)輸出新的學(xué)習(xí)控制量化)，該新的學(xué)習(xí)控制 量化）反饋給所述第二存儲器（1如進行存儲；新的學(xué)習(xí)控制量ivi化）和前次定位誤差 量6j.(k)相加輸入給所述PID反饋控制模塊（3)，該PID反饋控制模塊3輸出初始控制信號 cw化）；所述j為0或自然數(shù)，表示迭代循環(huán)次數(shù)，k是每次迭代的時間指數(shù)。含下標(biāo)j的 變量表示第j個精密定位的運動周期的信息量，含下標(biāo)j+1的變量表示第j+1個運動周期 的信息量。
[000引根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，系統(tǒng)還包括非重復(fù)性擾動觀測器模塊（2)，所述 非重復(fù)性擾動觀測器模塊（2)包括非重復(fù)性擾動濾波器（21)、時間因子模塊（22)和辨識 的系統(tǒng)名義模型逆模型模塊（23)，其中，前次有效控制信號Uj.(k)輸入給所述時間因子模塊 (22)，該時間因子模塊22輸出k-m時刻有效控制信號Uj.化-m)，m為精密定位閉環(huán)系統(tǒng)互補 靈敏度函數(shù)的延遲步數(shù)；所述控制對象的前次輸出信號y^k)進入辨識的系統(tǒng)名義模型逆 模型模塊（23)，所述系統(tǒng)名義模型逆模型模塊（23)輸出的信號與所述時間因子模塊（22) 輸出的信號Uj.化-m)作差后進入所述非重復(fù)性擾動濾波器（21);所述初始控制信號cw化） 減去所述非重復(fù)性擾動濾波器（21)輸出的信號得到有效控制信號Uw化)，該有效控制信 號與擾動信號dw(k)相加一起輸出給所述控制對象。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，所述控制對象是刻劃光柵精密定位平臺。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，對所述控制對象的結(jié)束判據(jù)為：
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC系統(tǒng)，用于對控制對象進行控 制，其特征在于，包括選擇性迭代學(xué)習(xí)控制律模塊（1)和PID反饋控制模塊（3)，所述選擇性 迭代學(xué)習(xí)控制律模塊（1)包括第一存儲器（11)、學(xué)習(xí)濾波器（12)、第二存儲器（13)和時變 濾波器（14)，其中， 所述控制對象的定位參考控制輸入量yd(k)和實際前次定位輸出量t(k)的誤差量ej(k)輸入給所述第一存儲器（11); 所述第一存儲器（11)的定位誤差量ej(k)輸出給所述學(xué)習(xí)濾波器（12)，所述學(xué)習(xí)濾波 器（12)輸出的學(xué)習(xí)控制變化量與所述第二存儲器（13)存儲的前次學(xué)習(xí)控制量1^(1〇相加 一起輸出給所述時變?yōu)V波器（14)，所述時變?yōu)V波器（14)輸出新的學(xué)習(xí)控制量rj+1(k)，該新 的學(xué)習(xí)控制量rj+1(k)反饋給所述第二存儲器（13)進行存儲； 新的學(xué)習(xí)控制量IV1GO和前次定位誤差量4(k)相加輸入給所述PID反饋控制模塊 (3)，該PID反饋控制模塊3輸出初始控制信號Cp1 (k); 所述j為〇或自然數(shù)，表示迭代循環(huán)次數(shù)，k是每次迭代的時間指數(shù)。含下標(biāo)j的變量 表示第j個精密定位的運動周期的信息量，含下標(biāo)j+1的變量表示第j+1個運動周期的信 息量。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC系統(tǒng)，其特征 在于，還包括非重復(fù)性擾動觀測器模塊（2)，所述非重復(fù)性擾動觀測器模塊（2)包括非重復(fù) 性擾動濾波器（21)、時間因子模塊（22)和辨識的系統(tǒng)名義模型逆模型模塊（23)，其中， 前次有效控制信號+ (k)輸入給所述時間因子模塊（22)，該時間因子模塊22輸出k-m時刻有效控制信號+ (k-m)，m為精密定位閉環(huán)系統(tǒng)互補靈敏度函數(shù)的延遲步數(shù)； 所述控制對象的前次輸出信號L(k)進入辨識的系統(tǒng)名義模型逆模型模塊（23)，所述 系統(tǒng)名義模型逆模型模塊（23)輸出的信號與所述時間因子模塊（22)輸出的信號+(k-m) 作差后進入所述非重復(fù)性擾動濾波器（21); 所述初始控制信號(V1GO減去所述非重復(fù)性擾動濾波器（21)輸出的信號得到有效控 制信號(k)，該有效控制信號與擾動信號C^1 (k)相加一起輸出給所述控制對象。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC系統(tǒng)，其 特征在于，所述控制對象是刻劃光柵精密定位平臺。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC系統(tǒng)，其 特征在于，對所述控制對象的結(jié)束判據(jù)為：
其中，e表示刻劃光柵定位系統(tǒng)閉環(huán)定位誤差，Q1表示時變?yōu)V波器，z-表示時間延遲因 子倒數(shù)，T表示補充敏感度函數(shù)，Yd表示參考控制輸入量z域表達形式，P表示刻劃光柵定 位系統(tǒng)，S表示敏感度函數(shù)，&表示重復(fù)性擾動的z域表達形式，D表示第j次迭代的非重 復(fù)性擾動z域表達形式，DnM表示第j+1次迭代的非重復(fù)性擾動z域表達形式。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC系統(tǒng)，其 特征在于，所述學(xué)習(xí)濾波器（12)為閉環(huán)補充敏感度函數(shù)的倒數(shù)。
6. 如權(quán)利要求1或2所述的基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC系統(tǒng)，其 特征在于，所述時變?yōu)V波器（14)是一個在加速階段具有寬帶寬，常速階段包含多個限波的 時變?yōu)V波器。
7. 如權(quán)利要求2所述的基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC系統(tǒng)，其特征 在于，所述非重復(fù)性擾動濾波器（21)滿足以下約束條件：
其中，TT(eJU)是乘法不確定項，《nJ是非重復(fù)性擾動頻率，z_m表示時間延遲因子，Qd表 示非重復(fù)性擾動濾波器，是該非重復(fù)性擾動濾波器（21)的截止頻率。
8. -種基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC方法，用于對控制對象進行控 制，其特征在于，包括如下步驟： 采用存儲器來存儲迭代過程中的誤差量ej(k)和學(xué)習(xí)控制量rj(k); 將擾動4 (k)分解為重復(fù)性擾動djk)和非重復(fù)性擾動Clly. (k); 采用學(xué)習(xí)濾波器（12)和時變?yōu)V波器（14)實現(xiàn)重復(fù)性擾動的完全抑制。
9. 如權(quán)利要求8所述的非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC方法，其特征在于， 還包括如下步驟： 采用包含非重復(fù)性擾動濾波器（21)的非重復(fù)性擾動觀測器模塊（2)抑制頻率范圍在 該非重復(fù)性擾動濾波器（21)帶寬范圍內(nèi)的非重復(fù)性擾動。
10. 如權(quán)利要求8所述的非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC方法，其特征在 于，通過所述時變?yōu)V波器（14)選擇性地抑制頻率范圍超出非重復(fù)性擾動濾波器（21)帶寬 的非重復(fù)性擾動進入迭代過程。
11. 如權(quán)利要求9或10所述的基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC方法， 其特征在于，對所述控制對象的結(jié)束判據(jù)為：
其中，e表示刻劃光柵定位系統(tǒng)閉環(huán)定位誤差，Q1表示時變?yōu)V波器，z-表示時間延遲因 子倒數(shù)，T表示補充敏感度函數(shù)，Yd表示參考控制輸入量z域表達形式，P表示刻劃光柵定 位系統(tǒng)，S表示敏感度函數(shù)，&表示重復(fù)性擾動的z域表達形式，D表示第j次迭代的非重 復(fù)性擾動z域表達形式，DnM表示第j+1次迭代的非重復(fù)性擾動z域表達形式。
12. 如權(quán)利要求9或10所述的基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC方法， 其特征在于，所述學(xué)習(xí)濾波器（12)為閉環(huán)補充敏感度函數(shù)的倒數(shù)。
13. 如權(quán)利要求9或10所述的基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC方法， 其特征在于，所述時變?yōu)V波器（14)是一個在加速階段具有寬帶寬，常速階段包含多個限波 的時變?yōu)V波器。
14. 如權(quán)利要求9或10所述的基于非重復(fù)性擾動觀測器的精密定位選擇性ILC方法， 其特征在于，所述非重復(fù)性擾動濾波器（21)滿足以下約束條件：
其中，At(W)是乘法不確定項，《nj是非重復(fù)性擾動頻率，z 1表示時間延遲因子，Qd 表示非重復(fù)性擾動濾波器，是該非重復(fù)性擾動濾波器（21)的截止頻率。
【文檔編號】G05B13/04GK104503244SQ201410840825
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】金 一, 孫立婷, 竺長安 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)