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首页> 外文期刊>Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 8. Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik >Modellbasierte Regelung von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen
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Modellbasierte Regelung von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen

机译：基于模型的纳米定位和纳米测量仪控制

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Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer modellbasierten Entwurfsmethodik fur Trajektorienfolgeregelungen, die auf reibbehaftete Hochprazisionskinematiken zugeschnitten sind. Gegenstand der experimentellen Untersuchungen ist hierbei ein zweiachsiges Nanopositioniersystem mit einem Arbeitsbereich von 200×200 mm~2 und einer Positionsauflosung von 0,1 nm. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass das Systemverhalten von starken, reibungsinduzierten Nichtlinearitaten dominiert wird,Aus regelungstechnischer Sicht liegt somit der Fokus der Modellbildung auf einer dynamischen Reibkraftmodellierung. Im Zuge der Validierung werden ein physikalisch motiviertes Reibmodell sowie ein kunstliches neuronales Netz fur eine spatere Verwendung in einer Trajektorienfolgeregelung ausgewahlt. Weiterhin kann wahrend des Modellbildungsprozesses eine starke Orts- und Zeitvarianz des Systemverhaltens beobachtet werden. Um dies zu kompensieren, werden die ausgewahlten Reibmodelle adaptiv gestaltet. Eine weitere wesentliche Komponente einer Trajektorienfolgeregelung ist ein Bahnplanungsalgorithmus. Aufgrund der aussergewohnlichen Anforderungen an die Dynamik sowie die Gleichmassigkeit der zu planenden Bewegungen wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein neuartiger Algorithmus entworfen, welcher rein analytisch fur jeden Einzelachsregler des kinematischen Systems stetig differenzierbare Sollwertrajektorien fur Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Ruck sowie Ruckanstieg berechnet. Eine geplante Kurve in 3D kann sich hierbei aus einer beliebigen Anzahl der Streckenelemente Linie und Kreis zusammensetzen. Diese Grundelemente konnen falls notwendig mit erweiterten Bloss-Kurven rucksprungfrei verschliffen werden. Neben der Vorsteuerung und dem Bahnplanungsmodul ist eine unterlagerte Regelung Bestandteil einer Trajektorienfolgeregelung. Es werden ein klassischer PID-Regler und ein PI-Zustandsregler mit Fuhrungsgrossenaufschaltung entworfen. Zur weiteren Steigerung der Dynamik des geregelten Systems wurde die Trajektorienfolgeregelung um einen Storbeobachter erweitert. Dieser basiert auf dem Schatzalgorithmus von Kaiman und berechnet den Einfluss unmodellierbarer Systemgrossen wie beispielsweise Temperaturschwankungen. Nach dem Entwurf der Regelungskomponenten wird im experimentellen Teil der Arbeit die Leistungsfahigkeit der Module untersucht. Wahrend dieser Analyse zeigt sich, dass eine Kombination aus adaptiven physikalisch motiviertem Reibmodell, Zustandsregler und Storbeobachter einen optimalen Kompromiss aus Regelgute und Rechenzeit darstellt. Im Vergleich zu klassisch motivierten Regelungen kann die dynamische Regelabweichung im gesamten Arbeitsbereich des Demonstrators signifikant verkleinert werden. Nach diesen ausserordentlich positiven Ergebnissen wird das Konzept der Trajektorienfolgeregelung auch auf die zweite Bewegungsachse ubertragen und ein dezentraler Regelungsansatz umgesetzt.
机译：本工作的目的是开发一种用于轨迹排序的基于模型的设计方法，该方法适合于承受摩擦的高精度运动学。实验研究的主题是工作面积为200×200 mm〜2且位置分辨率为0.1 nm的双轴纳米定位系统，实验研究表明系统行为主要受强烈的，由摩擦引起的非线性影响在动态摩擦力模型上进行建模。在验证过程中，选择了物理摩擦模型和人工神经网络，以供以后在轨迹序列控制中使用。此外，在建模过程中可以观察到系统行为的强烈位置和时间变化。为了对此进行补偿，将对所选的摩擦模型进行自适应设计。轨迹序列控制的另一个基本组成部分是路径规划算法。由于对动力学以及计划运动的均匀性的非同寻常的要求，在本工作范围内设计了一种新型算法，该算法仅对运动系统的每个单轴控制器的位置，速度，加速度，急动和急动上升纯粹解析地计算连续可设定点轨迹。 3D中的计划曲线可以由任意数量的线和圆元素组成。如有必要，可以使用扩展的Bloss曲线对这些基本元素进行平滑处理。除了前馈控制和路径规划模块之外，从属控制也是轨迹序列控制的一部分。设计了经典的PID控制器和带有控制变量输入的PI状态控制器。为了进一步增加受控系统的动态性，轨迹序列控制已扩展为包括一个存储观测器。这基于Kaiman的Schatz算法，并计算不可建模的系统变量（例如温度波动）的影响。设计完控制组件后，将在工作的实验部分检查模块的性能。该分析表明，将自适应的，有物理动力的摩擦模型，状态控制器和故障观察器组合在一起，可以在控制质量和计算时间之间取得最佳折衷。与经典驱动控件相比，演示器的整个工作区域中的动态控件偏差都可以显着减小。在获得这些异常积极的结果之后，轨迹排序的概念也被转移到第二运动轴，并实施了分散控制方法。

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