摘要
为了实现高速，高精度的位置控制半导体产品的机器和工业机器人，应用全闭环反馈控制。许多控制方法已经被提出了这样一个系统。在一般情况下，比例位置控制和比例积分速度控制或积分比例速度控制（P，PI / IP），这是一种类型的比例积分加微分控制（PID），具有广泛的应用然而，在不断变化的情况控制目标的机械特性，参数P，PI / i-pi控制也必须改变，以维持运动性能好。在本文中，我们提出了一个新的P，PI / IP控制方法，包括非线性补偿器。的非线性补偿算法基于滑模控制的抖动补偿。所提出的控制方法的有效性采用全封闭的单轴通过滑块系统评价在的情况下的点对点控制和轮廓控制负荷变化。实验结果表明提出的控制方法在改变的情况下，具有较强的鲁棒性控制参考/减速的加速度，改变负荷，低速运动轮廓。2010威利期刊，公司产品之日，174（2）：65–71，2011；出版在威利的在线图书馆在线（wileyonlinelibrary。通用域名格式。
10.1002/eej.21011
关键词：点对点控制；轮廓控制；PID控制；滑模控制。
1引言
在机床和半导体制造领域，快速响应和高精度的要求快速增长。实现定位平台的控制是非常重要的是这一目标的一部分。全闭环反馈控制系统被应用到满足这些需求，许多控制的方法已经被提出了这样的系统。在一般情况下，P，PI / i-pi 控制，这是一种类型的PID控制，是应用在许多工业应用[ 1 ]。不过，什么时候驱动条件如负载的惯性和摩擦扰动，加速/减速，和最大速度的变化，超调量，饱和，和振动有时会发生和控制参数的调整保持良好的运动性能是必要的。在另一方面，滑模控制和自适应控制已经提出的鲁棒非线性控制方法变更控制系统的机械特性2–[ 8 ]。滑模控制可以弥补基于位置的机械特性的变化误差和负载扰动最大等。我们以前提出的一种新的PID加前馈（FF）控制器采用滑模控制[ 9 ]。奇异的优势所提出的方法是不必要的确定载荷和摩擦参数。该方法可以被视为一种非线性控制方法。我们有很好的采用全闭环位置控制的实验结果利用所提出的方法的一个单轴滑块系统。当加速/减速改变，定位响应明显优于采用传统的实现控制方法。在这里，我们描述实验的实际装置考虑到定位响应和跟踪响应当表载重量，这是一个元素的机械特性，是实时改变。我们的实验结果验证了所提出的可用性控制方法。
2提出的控制方法
2.1传统的P，PI / IP + FF控制方法
大多数用日本工业的控制方法是P，PI / IP + FF现场总线控制方法。这个方法的建立通过速度前馈的参考响应补偿。同时，利用扰动扰动补偿观测器来补偿转矩参考缓解的表驱动的非线性摩擦现象系统。然而，转矩扰动补偿采用干扰观测器不能充分展示各补偿如果受控负载转动惯量值的影响系统是不知道的。此外，它有时会导致过冲而在定位台振动。此外，当姿势每时每刻都在变化，如发生在一些工业机器人，负载惯量必须确定房时间依赖的识别精度高。在这的情况下的响应必须相似，这是发生在例振动。
2.2 提出的控制方法
图1显示的PID + FF的方框图所提出的补偿控制方法，这是一个串级控制的通用伺服控制器的应用。它由P，带有速度前馈的PI / IP控制补偿器。KP是位置环增益，α是前增益，S是一个微分算子，其速度环积分增益，千伏的速度比例增益，和β变化的速度控制方法的一个恒定值。如果我们取β= 0，则速度控制方法是成比例的积分控制；另一方面，如果我们取β= 1然后，速度控制方法是一种整体比例控制。KF是力常数的值。接下来，我们提出的非线性摩擦的算法补偿器。
定位表可以描述如下：
其中J是惯性，D是粘滞摩擦系数，F是恒定的干扰力，X是位移，u是控制输入。控制目标是设计
图1.所提出的控制方法框图。
一个控制输入u跟踪给定的参考位置。在这研究，我们设计了一个非线性PID + FF控制器
高精度和快速响应与补偿器超调量小。
让错误的价值
以双方的第二次微分方程（3）代入式（1），我们有
现在，我们可以定义新的信号
以双方的时间导数的方程（7）和乘以J，我们有
我们定义的增强信号
然后，方程（8）可改写为
现在，我们给u作为控制输入
在 Tc以后将作。替代式（11）代入式10我们有
考虑闭环Lyapunov函数
系统
以双方的时间导数的方程（13）和代入式（12），我们有
实现负V，下列不等式必须满意的：
那么，如果我们设计的Tc如下，
在预定最大值与已知的，那么不等式（15）是令人满意的。
不过，
抖振现象可能发生，因为情商。（16）包含钢筋符号函数避免抖振现象，我们介绍的近似版本的标志功能如下：
在δ是抖振问题的参数。因此如果我们选择的足够大的值，出和在式
（17），然后对时间的微分方程（13）是总是负的和控制的目的。
3实验结果
3.1实验系统
图2显示了实验装置，包括以下部分。实现了控制系统利用数字的Pentium IV PC 模拟传输（D／A板）和一个计数器板。计算控制输入由控制器，其价值是翻译成通过D／A的电流放大器的输入电压板。测定了定位表设置一个分辨率为50 nm 的位置传感器。传感器的信号被设置为一个全封闭的反馈信号。的采样时间为0.25毫秒。表，它的重量是5公斤，被安装在一个驱动轨道。的总惯量精密定位平台的运动部分约为1.128–4下kgm2。桌子是用一个滚动导轨支承通过联轴器与电机连接，是由交流伺服电机驱动，滚珠螺杆
图2.实验系统
20mm。控制参数被设置为Kp = 75 1／s，千伏= 377弧度/秒，KI = 250弧度/秒，α= 0.55或0.60，β= 1，和5。Jmax的值，设置为五倍的dMAX和FmaxJ，D，F 值，分别为。其次，定位的反应和轮廓的结果提出了反应。
3.2实验结果
为了评估我们所提出的方法，我们进行了三种实验。第一种类型的实验测试的加速/减速的速度变化的情况，第二类型测试负荷变化的情况下，和第三型式试验的轮廓控制反应的情况。
图3显示了实验台的定位与5公斤的表结果，在实验中参考加速/减速的速度被改变了。第一的加速/减速的速度（左侧）定位基准±1克，第二个是±1.5克，第三是±2克，和第四（右侧）是±3G.在这个图中，1是位置参考信号，信号2是使用传统的位置控制的响应与前馈法增益设置为0.55，信号3使用常规的控制位置响应与前馈法增益设置为0.60，4和信号使用该控件的位置响应与前馈法增益设置为0.55。图4显示了一个扩展的图1 g，和图5显示了一个扩展的图在图3中的3克。万一一个1的加速/减速G（图4），所有的响应表现出大致相同的定位时间。然而，在3的加速/减速的情况下G（图5），这是明显的，有不希望的运动的饱和和过冲与传统形式控制方法。另一方面，没有终结或超调，提出的控制方法。这些结果表明，所提出的控制的有效性方法。图6显示了一个与转矩参考
图3.位置参考表错误。
图4.PTP控制实验结果
(acc=1.0G).
传统的控制方法，和图7显示的扭矩参考（信号1）和补偿转矩TC（信号2）所提出的控制方法。的速度转矩电机是0.637 nm，和两个数字，最大扭矩的扭矩和速度150%是相同的在传统方法中的价值和方法。我们发现，如果一个非线性补偿转矩TC很顺利产生抖动，可能不是发生，我们可能没有得到一个光滑的响应振动。
图8显示了响应时，δ在式(17)的变化。在这张图中，信号1是参考位置随着3克，加速/减速和2，3，和4采用所提出的控制表中的位置误差方法，这是δ= 500，2，3，δ= 50，δ= 5。图中的结果表明变化的影δ
图5.PTP控制实验结果
(acc=3.0G).
图6.与传统的控制力矩参考方法1。
实验处理的第二类职位在负荷变化的情况。在这里，我们描述的结果实验验证了该算法的鲁棒性在实时负载惯量变化的情况下，控制系统。可以实时改变负载惯量，我们准备了两套定位表，每个由一个单一的轴滑块，联轴器，电机，伺服放大器，和一个线性表，作为图9所示。D / A的转矩参考通道（电压）输出通过D /从PC板和表的位置信号，计数器的通道（脉冲）是从计数器板进入会通过软件同时改变。因此，增加或删除的重量可能是模仿的，它是可能的执行基于实际的移动状态的实验的生产机。在这个实验中的梯形速度从零加速到0.4米/秒的速度13.5ms，在一个恒定的移动到0.4米/秒的最大速度在26.75毫秒的价值，和减速到零速度13.5MS如图10和11。现在的位置实验中使用的参考XD是这样的价值梯形速度模式集成随着时间的推移，XD是同图5位置参考。定位利用常规方法响应
如图3所示10，响应和定位方法如图11所示。在这些数字，d_xd是位置引用微分值，这是一个梯形速度模式，d_x是表速度，E是表误差
图7.参考转矩和转矩补偿提出的控制方法1。
图8.PTP控制实验结果（δ改变）
的位置，和U是转矩参考。同时，在0–200毫秒，我们得到的响应与channel_1环（重量= 0公斤），和200毫秒后，与回路的响应channel_2（体重5公斤）。顺便说一句，α= 0.60控制参数是速度前馈增益设定值在第3.1节。结果使用传统的方法如图10所示，饱和的和一个大的在定位发生超调。这是类似于不稳定，发生在速度环的响应对位置环时的稳定性的影响小速度环增益值发生。另一方面，利用所提出的方法示于图中的结果11，不饱和或超调量时增加。此外，转矩参考顺利产生无振动发生。因此，如在人物，高速定位反应负荷变化时确认所提出的控制方法采用。
在第三种类型的实验观察轮廓控制特性当梯形速度恒定在13或6.5毫米/秒，采用单轴滚动导轨滑块，如第3.2节所描述的一二周期
图9.实验系统。
图10.实验结果的PTP控制使用传统的控制方法。
期。在第一期上没有重量，和桌子上有第二期5公斤的重量。在第一期驾驶时，与传统的结果控制方法，如图12所示，和结果第二期是在图13所示。在第一个结果当驱动周期中所提出的方法图14，和第二阶段的结果显示在图中15。在这些数字，d_xd是位置参考微分值，它是梯形速度模式，d_x是表的速度，和E位置表错误。的控制参数被设置为相同的值列3.1部分，和速度前馈增益变化对α= 1从设定值提高轮廓控当评估定位响应。在所有的无花果。12–15，操作时发生的最大误差由最初的最大静摩擦力的影响，和一个大的速度反转时发生错误相当于表的行程结束。同时，有一个涉及以恒定的速度脉动误差。结果的轮廓误差的比较如表1所示
图11.实验结果的PTP控制使用提出的控制方法。
图12.实验结果的轮廓控制中的应用传统的控制方法不表量。
图13.实验结果的轮廓控制中的应用表量的常规控制方法。
图14.实验结果的轮廓控制中的应用该控制方法不表量。
图15.实验结果的轮廓控制中的应用所提出的控制方法与表的重量。
表1.轮廓误差的比较结果
使用该方法时，我们获得了良好的可控性有或没有在低速情况的重量轮廓的性能。很明显提出的方法是稳健的变化的负载条件下。
4结论
我们提出了一种新的P，PI / IP控制方法一个非线性补偿器。的非线性算法补偿器是基于抖振滑模控制补偿。所提出的控制的有效性采用全封闭的单轴的评价
方法滑块系统通过点对点控制和轮廓控制在变化的负载下。从实验结果，我们得出结论，所提出的控制方法在不断变化的加速/减速的情况下的鲁棒性控制参考，变负荷，低速的轮廓运动。
答谢
这项研究部分由2007科学支持研究基金资助（基础研究：19560244）。
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作者（从左至右）
弘鹤田（成员）从国防学院获得电气工程学士学位在1988和 d.eng 2001从九州大学的学位。
他是属于安川电机从19882004。自2004以来，他一直在九州产业大学工程学院的成员，他现在在哪里一个教授。他目前的研究重点是控制理论的电机/运动控制中的应用。他是日本的一员，因为，日本精密工程学会，和日本机械学会。
哉佐藤（成员）获得学士，硕士，和d.eng。从九州工业大学控制工程学位技术在1991，1993，和1996。自1996以来，他一直在家族成员的科学和工程学院大学，在那里他目前的副教授。他目前的研究重点是控制理论中的应用电机/运动控制，特别是自适应控制。他是日本，因为，iscie，日本机械学会会员，IEEE。
这个ushimi（成员）获得学士，硕士，和d.eng。从九州大学1994，1996度，和2005。自2006以来，他一直在九州产业大学工程学院的一员，在那里他目前是一个副教授。他目前的研究重点是机器人。他是日本，因为，RSJ成员，和日本机械学会。
Takashi Fujimoto（成员）获得学士和硕士学位和熊本大学在1970和1973d.eng 1988从九州大学的学位。自1988以来，他一直在九州是工程学院的成员产业大学，在那里他目前是一名教授。他目前的研究重点是机电一体化振动控制。他是一个日本的，因为，日本机械学会会员，与日本航空和空间科学学会。