專利名稱：二自由度位置控制方法和裝置以及介質(zhì)存儲(chǔ)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用反饋和前饋兩者的二自由度位置控制方法、二自由度位置控制裝置及介質(zhì)存儲(chǔ)裝置，更具體地說(shuō)，涉及使用觀測(cè)器控制進(jìn)行二自由度控制的二自由度位置控制方法、二自由度位置控制裝置及介質(zhì)存儲(chǔ)裝置。

背景技術(shù)：
用于將對(duì)象的位置控制到目標(biāo)位置的裝置已被廣泛使用。例如，該裝置用于將讀寫頭移動(dòng)到目標(biāo)軌道的尋道控制，該尋道控制是諸如磁盤裝置和光盤裝置的盤裝置的定位控制中的一種。
用于該尋道控制的方法使用二自由度控制(two degree of freedom)。在該二自由度控制中，在形成反饋回路的同時(shí)通過(guò)濾波器設(shè)置目標(biāo)位置。換言之，將從目標(biāo)位置到觀測(cè)位置的傳遞函數(shù)設(shè)置成低通濾波器的形式。由此，可以有效地抑制過(guò)沖(超限)。
在通常還用于盤裝置的觀測(cè)器控制系統(tǒng)中，可以構(gòu)建二自由度控制系統(tǒng)。在這種情況下，該控制系統(tǒng)為二階低通濾波器(在下文中稱為L(zhǎng)PF)的形式，其具有與反饋極相同的極。圖12是現(xiàn)有技術(shù)的二自由度控制的框圖。
如圖12所示，目標(biāo)軌跡產(chǎn)生部100根據(jù)目標(biāo)位置r產(chǎn)生目標(biāo)軌跡r(n)。目標(biāo)軌跡r(n)表示在為各個(gè)采樣確定的在采樣之間移動(dòng)的目標(biāo)位置。另一方面，位置誤差計(jì)算部102計(jì)算目標(biāo)位置“r”與從受控對(duì)象(plant)106觀測(cè)的當(dāng)前位置“y”之間的誤差y[n]?？刂破?04接收目標(biāo)軌跡r(n)和位置誤差y[n]，進(jìn)行二自由度觀測(cè)器的計(jì)算，計(jì)算受控對(duì)象106的驅(qū)動(dòng)命令值，并驅(qū)動(dòng)受控對(duì)象106。
作為用于控制器104的觀測(cè)器，已經(jīng)提出了圖13和圖14所示的二自由度控制觀測(cè)器(例如，“Digital Control of Dynamic Systems”，(由GeneF.Franklin及另兩人所著，Addison-Wesley出版，1998))。如圖13所示，觀測(cè)器(估計(jì)器)104-1用于控制器104。該估計(jì)器104-1根據(jù)受控對(duì)象106的當(dāng)前位置“y”以及對(duì)受控對(duì)象106的輸出，來(lái)計(jì)算輸出u[n]，并在增益乘法塊104-2中將其輸出乘以開環(huán)增益K，然后反饋該結(jié)果。
在乘法塊104-4中，將目標(biāo)軌跡r[n]乘以系數(shù)N，將結(jié)果輸出到加法塊104-3并與增益乘法塊104-2的輸出相加，從而計(jì)算對(duì)受控對(duì)象106的輸出u[n]。
圖14示出了由下面的式(1)、(2)和(3)所表示的該二自由度控制的簡(jiǎn)化觀測(cè)器。
Xh(n)＝Xb(n)+L(y(n)-C·Xb(n))...(1) u(n)＝-F·Xh(n)...(2) Xb(n+1)＝A·Xh(n)+B·u(n)...(3) 換言之，在計(jì)算塊202中計(jì)算當(dāng)前采樣“n”中的觀測(cè)位置y(n)與根據(jù)前一采樣估計(jì)的當(dāng)前采樣的估計(jì)位置C·Xb(n)之間的差，并且產(chǎn)生估計(jì)位置誤差er[n]。在乘法塊204中，將該估計(jì)位置誤差er[n]乘以估計(jì)增益L，從而產(chǎn)生校正值。
在加法塊206中，將該校正值與Xb[n](例如估計(jì)位置和估計(jì)速度)相加。由此，使用式(1)產(chǎn)生了Xh(n)(例如當(dāng)前采樣中的估計(jì)位置和估計(jì)速度)。在正常狀態(tài)反饋的情況下，將估計(jì)狀態(tài)的估計(jì)位置Xh(n)乘以一增益，并將估計(jì)速度乘以該增益，并且確定其總和以產(chǎn)生狀態(tài)反饋電流。
在上述二自由度控制中，仍然使用在將估計(jì)速度乘以該增益時(shí)的值，但是在加法塊210中計(jì)算估計(jì)位置Xh(n)與目標(biāo)位置軌跡r(n)之間的差值，在乘法塊212中將結(jié)果乘以反饋增益F，該結(jié)果用于狀態(tài)反饋。換言之，計(jì)算了式(2)。
另一方面，在乘法塊214和216以及加法塊218中使用式(3)根據(jù)當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xh(n)和輸出值u(n)來(lái)計(jì)算下一采樣(n+1)的估計(jì)狀態(tài)Xb(n+1)。
這里，A、B、C、C^T、L和F是位置x、速度v、偏置值b以及擾動(dòng)值d1和d2的矩陣。A、B和L是狀態(tài)估計(jì)增益，F(xiàn)是反饋增益，并且C和C^T(轉(zhuǎn)置矩陣)由下面的式(4)和(5)給出。
C＝(10000)...(4) 由式(1)、式(2)和式(3)以及圖14所指示的當(dāng)前觀測(cè)器(currentobserver)可以僅通過(guò)將目標(biāo)軌跡r(n)乘以式(5)的C^T并將結(jié)果與正常當(dāng)前觀測(cè)器相加，來(lái)實(shí)現(xiàn)二自由度控制。
上述現(xiàn)有技術(shù)的二自由度控制提出了一種單速率控制，這意味著驅(qū)動(dòng)電流在一個(gè)采樣中改變一次，如圖15所示。換言之，如圖15所示，觀測(cè)當(dāng)前采樣“n”的位置，進(jìn)行一次二自由度控制計(jì)算，并輸出驅(qū)動(dòng)電流u(n)。
然而，在數(shù)字控制中，通過(guò)微控制器進(jìn)行計(jì)算處理，因此產(chǎn)生輸出延遲時(shí)間。隨著近來(lái)對(duì)高速移動(dòng)和高精度定位的需求，在一個(gè)采樣中估計(jì)一次狀態(tài)以改變驅(qū)動(dòng)電流的傳統(tǒng)方法中，控制延遲變得顯著。
例如，在磁盤裝置的情況下，密度設(shè)置得較高，在一個(gè)盤面上有幾萬(wàn)條軌道，并且需要高移動(dòng)速度，因此即使估計(jì)了一次狀態(tài)并且在一次狀態(tài)估計(jì)中改變一次裝置電流，在計(jì)算期間狀態(tài)改變也會(huì)變得顯著，并且輸出延遲使得難以進(jìn)行高精度的位置控制，容易發(fā)生超限。


發(fā)明內(nèi)容
鑒于前面的描述，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種防止二自由度控制的輸出延遲的二自由度位置控制方法、二自由度位置控制裝置以及介質(zhì)存儲(chǔ)裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種即使執(zhí)行二自由度控制也可實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制的二自由度位置控制方法、二自由度位置控制裝置以及介質(zhì)存儲(chǔ)裝置。
本發(fā)明的又一目的是提供一種在一個(gè)采樣中多次改變輸出的二自由度位置控制方法、二自由度位置控制裝置以及介質(zhì)存儲(chǔ)裝置。
本發(fā)明的又一目的是提供一種二自由度位置控制方法、二自由度位置控制裝置以及介質(zhì)存儲(chǔ)裝置，用于減少計(jì)算處理時(shí)間，并且防止相位容限(phase margin)的減小和響應(yīng)的劣化。
為了實(shí)現(xiàn)這些目的，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的通過(guò)致動(dòng)器來(lái)將對(duì)象的位置控制到目標(biāo)位置的位置控制方法，所述方法具有以下步驟基于所述對(duì)象的目標(biāo)位置和所述對(duì)象的當(dāng)前位置，來(lái)計(jì)算位置誤差；根據(jù)所述位置誤差與當(dāng)前觀測(cè)器的當(dāng)前采樣中的估計(jì)位置之間的估計(jì)位置誤差，來(lái)校正當(dāng)前采樣中的估計(jì)位置；計(jì)算經(jīng)校正的估計(jì)位置與所述當(dāng)前采樣中的目標(biāo)軌跡之間的差，并且基于一個(gè)采樣前的輸出值和所述差，來(lái)計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了預(yù)定時(shí)間的估計(jì)位置；基于所述提前的估計(jì)位置，來(lái)計(jì)算對(duì)所述致動(dòng)器的輸出值；以及基于經(jīng)校正的估計(jì)位置、所述當(dāng)前采樣中的輸出值、以及一個(gè)采樣前的輸出值，來(lái)計(jì)算用于下一輸出值計(jì)算的估計(jì)位置。
提供了一種根據(jù)本發(fā)明的介質(zhì)存儲(chǔ)裝置，該介質(zhì)存儲(chǔ)裝置具有讀寫頭，至少用于讀取盤存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)；致動(dòng)器，用于將所述讀寫頭定位到所述存儲(chǔ)介質(zhì)的預(yù)定位置；和控制單元，用于根據(jù)所述讀寫頭的目標(biāo)位置和從所述讀寫頭獲取的當(dāng)前位置來(lái)計(jì)算位置誤差，并計(jì)算通過(guò)當(dāng)前觀測(cè)器控制來(lái)驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器的輸出值，其中，所述控制單元根據(jù)所述位置誤差與所述當(dāng)前觀測(cè)器的當(dāng)前采樣中的估計(jì)位置之間的估計(jì)位置誤差來(lái)校正當(dāng)前采樣中的估計(jì)位置，計(jì)算經(jīng)校正的估計(jì)位置與所述當(dāng)前采樣中的目標(biāo)軌跡之間的差，基于一個(gè)采樣前的輸出值和所述差來(lái)計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了預(yù)定時(shí)間的估計(jì)位置，基于所述提前的估計(jì)位置來(lái)計(jì)算對(duì)所述致動(dòng)器的輸出值，并且基于經(jīng)校正的估計(jì)位置、所述當(dāng)前采樣中的輸出值、以及一個(gè)采樣前的輸出值來(lái)計(jì)算用于下一輸出值計(jì)算的估計(jì)位置。
根據(jù)本發(fā)明的位置控制裝置是一種通過(guò)致動(dòng)器將對(duì)象的位置控制到目標(biāo)位置的位置控制裝置，所述位置控制裝置具有基于所述對(duì)象的目標(biāo)位置和所述對(duì)象的當(dāng)前位置來(lái)計(jì)算位置誤差的塊；當(dāng)前觀測(cè)器，用于根據(jù)所述位置誤差與當(dāng)前采樣中的估計(jì)位置之間的估計(jì)位置誤差來(lái)校正當(dāng)前采樣中的估計(jì)位置，計(jì)算經(jīng)校正的估計(jì)位置與所述當(dāng)前采樣中的目標(biāo)軌跡之間的差，基于一個(gè)采樣前的輸出值和所述差來(lái)計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了預(yù)定時(shí)間的估計(jì)位置，基于所述提前的估計(jì)位置來(lái)計(jì)算對(duì)所述致動(dòng)器的輸出值，以及基于經(jīng)校正的估計(jì)位置、所述當(dāng)前采樣中的輸出值、以及一個(gè)采樣前的輸出值來(lái)計(jì)算用于下一輸出值計(jì)算的估計(jì)位置。
優(yōu)選的是，本發(fā)明還具有以下步驟計(jì)算用于計(jì)算下一輸出值的估計(jì)位置與當(dāng)前采樣+0.5個(gè)采樣時(shí)的目標(biāo)軌跡之間的差，并且基于0.5個(gè)采樣前的輸出值、所述當(dāng)前采樣的輸出值、以及所述差，來(lái)計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了0.5個(gè)采樣的估計(jì)位置；基于所述提前的估計(jì)位置，來(lái)計(jì)算對(duì)所述致動(dòng)器的輸出值；以及基于經(jīng)校正的估計(jì)位置、所述當(dāng)前采樣的輸出值、0.5個(gè)采樣前的輸出值、以及所述計(jì)算出的輸出值，來(lái)計(jì)算下一采樣的估計(jì)位置。
在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，計(jì)算所述提前的估計(jì)位置的步驟還包括如下步驟使用所述估計(jì)位置誤差，對(duì)用于計(jì)算下一輸出值的估計(jì)位置進(jìn)行校正。
優(yōu)選的是，本發(fā)明還具有如下步驟基于所述目標(biāo)位置，產(chǎn)生各個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)處的目標(biāo)軌跡。
優(yōu)選的是，本發(fā)明還具有如下步驟基于所述目標(biāo)位置，產(chǎn)生各個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)與從該采樣時(shí)間點(diǎn)提前了0.5個(gè)采樣的時(shí)間點(diǎn)之間的目標(biāo)軌跡。
在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，計(jì)算所述位置誤差的步驟還包括如下步驟計(jì)算從至少讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中的數(shù)據(jù)的讀寫頭的輸出中獲取的當(dāng)前位置與用于驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器并將所述讀寫頭移動(dòng)到所述存儲(chǔ)介質(zhì)的預(yù)定位置的目標(biāo)位置之間的位置誤差。
在用于防止超限的所述二自由度控制系統(tǒng)中，考慮了二自由度控制的輸出延遲(驅(qū)動(dòng)放大器、D/A轉(zhuǎn)換器等的計(jì)算延遲和硬件延遲)，并計(jì)算了從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了延遲量的Td的估計(jì)狀態(tài)，然后基于該估計(jì)狀態(tài)計(jì)算該輸出，因此，即使?fàn)顟B(tài)在從采樣時(shí)間點(diǎn)開始的計(jì)算期間改變，也可防止輸出延遲的影響，并且可以進(jìn)行高度精確的位置控制，因此可防止超限。
此外，因?yàn)樵谙嗤牟蓸訒r(shí)間計(jì)算二自由度控制項(xiàng)，所以可以防止計(jì)算序列變得復(fù)雜，并且可以高速地進(jìn)行計(jì)算。此外，可以遵從狀態(tài)估計(jì)序列，從而可以保持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，電流波形變得平滑，這有助于減少介質(zhì)存儲(chǔ)裝置的尋道時(shí)間和防止超限。



圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的介質(zhì)存儲(chǔ)裝置的框圖。
圖2是表示圖1中的盤的位置信號(hào)的圖。
圖3是表示圖2中的位置信號(hào)的細(xì)節(jié)的圖。
圖4是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的尋道控制的轉(zhuǎn)換的圖。
圖5是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的當(dāng)前觀測(cè)器的框圖。
圖6是表示圖5的一個(gè)變型的框圖。
圖7是表示圖5和圖6中的操作序列的圖。
圖8是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的當(dāng)前觀測(cè)器的框圖。
圖9是表示圖8中的操作序列的圖。
圖10是表示圖8中的當(dāng)前觀測(cè)器的框圖。
圖11是表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的當(dāng)前觀測(cè)器的框圖。
圖12是表示現(xiàn)有技術(shù)的當(dāng)前觀測(cè)器的框圖。
圖13是表示現(xiàn)有技術(shù)的二自由度控制的框圖。
圖14是表示圖13的細(xì)節(jié)的框圖。
圖15是表示圖13中的操作序列的圖。

具體實(shí)施例方式 現(xiàn)在將按照介質(zhì)存儲(chǔ)裝置、二自由度位置控制系統(tǒng)的第一實(shí)施例、第二實(shí)施例、第三實(shí)施例以及其它實(shí)施例的順序來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例，但是本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
介質(zhì)存儲(chǔ)裝置 圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的介質(zhì)存儲(chǔ)裝置的框圖，圖2是表示圖1中的磁盤的位置信號(hào)的設(shè)置的圖，圖3是表示圖1和圖2中的磁盤的位置信號(hào)的圖，圖4是表示尋道控制的控制轉(zhuǎn)換的圖。
圖1示出了作為介質(zhì)存儲(chǔ)裝置的磁盤裝置。如圖1所示，作為磁存儲(chǔ)介質(zhì)的磁盤4被安裝在主軸電機(jī)5的旋轉(zhuǎn)軸2上。主軸電機(jī)5使磁盤4旋轉(zhuǎn)。致動(dòng)器(VCM)1的端部具有磁頭3，并且沿磁盤4的半徑方向移動(dòng)磁頭3。
致動(dòng)器1包括音圈電機(jī)(VCM)，該音圈電機(jī)以所述旋轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)。在圖1中，兩個(gè)磁盤4安裝在磁盤裝置上，四個(gè)磁頭3由同一致動(dòng)器1同時(shí)驅(qū)動(dòng)。磁頭3具有讀取元件和寫入元件。磁頭3包括讀取元件，其包括疊置在滑塊(slider)上的磁電阻(MR)元件；和寫入元件，其包括疊置在其上的寫入線圈。
位置檢測(cè)電路7將由磁頭3讀取的位置信號(hào)(模擬信號(hào))轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。讀/寫(R/W)電路10控制磁頭3的讀取和寫入。主軸電機(jī)(SPM)驅(qū)動(dòng)電路8驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)5。音圈電機(jī)(VCM)驅(qū)動(dòng)電路6向音圈電機(jī)(VCM)1提供驅(qū)動(dòng)電流，并驅(qū)動(dòng)VCM 1。
微控制器(MCU)14從來(lái)自位置檢測(cè)電路7的數(shù)字位置信號(hào)中檢測(cè)(解調(diào))當(dāng)前位置，并且根據(jù)檢測(cè)出的當(dāng)前位置和目標(biāo)位置之間的誤差來(lái)計(jì)算VCM驅(qū)動(dòng)命令值。換言之，微控制器14執(zhí)行位置解調(diào)和伺服控制(當(dāng)前觀測(cè)器控制)，所述伺服控制包括在圖5中及以后描述的擾動(dòng)抑制。只讀存儲(chǔ)器(ROM)13存儲(chǔ)MCU 14的控制程序。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)12存儲(chǔ)用于MCU 14的處理的數(shù)據(jù)。
硬盤控制器(HDC)11根據(jù)伺服信號(hào)的扇區(qū)號(hào)來(lái)判斷在一條軌道中的位置，并且記錄/再現(xiàn)數(shù)據(jù)。緩沖用隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)15臨時(shí)存儲(chǔ)讀取數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)。HDC 11通過(guò)接口IF(例如USB(通用串行總線)、ATA或SCSI(小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口))與主機(jī)進(jìn)行通信?？偩€9將這些組成元件連接起來(lái)。
如圖2所示，在磁盤4上，伺服信號(hào)(位置信號(hào))16從外圓周向內(nèi)圓周以相等的間隔沿圓周方向布置在各條軌道上。每條軌道具有多個(gè)扇區(qū)，圖2中的實(shí)線表示記錄有伺服信號(hào)16的位置。如圖3所示，位置信號(hào)包括伺服標(biāo)記ServoMark、軌道號(hào)GrayCode、索引Index和偏移信息(伺服脈沖串)PosA、PosB、PosC和PosD。圖3中的虛線表示軌道中心。
由磁頭3讀取圖3中的位置信號(hào)，并利用軌道號(hào)GrayCode和偏移信息PosA、PosB、PosC和PosD來(lái)檢測(cè)磁頭在半徑方向上的位置。另外，還根據(jù)索引信號(hào)Index來(lái)獲取磁頭在圓周方向上的位置。
例如，將在檢測(cè)到索引信號(hào)時(shí)的扇區(qū)號(hào)設(shè)置為第0號(hào)，每次當(dāng)檢測(cè)到伺服信號(hào)時(shí)對(duì)該扇區(qū)號(hào)進(jìn)行遞增，以獲取軌道的各扇區(qū)的扇區(qū)號(hào)。伺服信號(hào)的扇區(qū)號(hào)被用作在記錄/再現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)的基準(zhǔn)。一條軌道中有一個(gè)索引信號(hào)?？梢栽O(shè)置扇區(qū)號(hào)，而不是索引信號(hào)。
圖1中的MCU 14通過(guò)位置檢測(cè)電路7確認(rèn)致動(dòng)器1的位置，執(zhí)行伺服計(jì)算，并且向VCM 1提供適當(dāng)?shù)碾娏鳌Q言之，如圖4所示，在尋道控制中，通過(guò)粗略控制、穩(wěn)定控制(settling control)和跟隨控制的轉(zhuǎn)換，將磁頭移動(dòng)到目標(biāo)位置。對(duì)于所有這些控制，必須對(duì)磁頭的當(dāng)前位置進(jìn)行檢測(cè)。
為了如此確認(rèn)位置，預(yù)先將伺服信號(hào)記錄在磁盤上，如圖2中所示。換言之，如圖3所示，將表示伺服信號(hào)的起始位置的伺服標(biāo)記、表示軌道號(hào)的格雷碼、索引信號(hào)、以及表示偏移的信號(hào)PosA至PosD預(yù)先記錄在磁盤上。這些信號(hào)由磁頭讀取，并且這些伺服信號(hào)被位置檢測(cè)電路7轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。
二自由度位置控制系統(tǒng)的第一實(shí)施例 圖5是表示本發(fā)明的位置控制系統(tǒng)的第一實(shí)施例的框圖，并且是用于進(jìn)行由圖1中的MCU 14執(zhí)行的抑制擾動(dòng)的位置控制系統(tǒng)的框圖。圖6是表示圖5的一個(gè)變型的框圖，圖7是表示圖5和圖6的控制序列的圖。
圖5示出了使用由圖1中的MCU 14執(zhí)行的當(dāng)前觀測(cè)器的二自由度位置控制系統(tǒng)。首先將描述該當(dāng)前觀測(cè)器。磁盤裝置的致動(dòng)器是旋轉(zhuǎn)型的。然而，可以將其轉(zhuǎn)換成并表示為式(6)中所示的線性致動(dòng)器的狀態(tài)等式。這里，“x”是位置(m)，“v”是速度(m/s)，“u”是電流(安培)，B1是力常數(shù)(N/m)，“m”是等效質(zhì)量(kg)，“u”是輸出，而“s”是拉普拉斯(Laplace)算子。
如果采樣周期是T(s)，電流的最大值為Imax(安培)，軌道寬度為L(zhǎng)p(m/軌道)，并且將位置的單位轉(zhuǎn)換成軌道，將速度的單位轉(zhuǎn)換成“軌道/采樣”，并將電流的單位轉(zhuǎn)換為Imax＝“1”，并且將式(6)表示為數(shù)字狀態(tài)等式，則得到下面的式(7)。
現(xiàn)在，為了估計(jì)穩(wěn)定狀態(tài)偏置(bias)，假定下面的式(8)，其中穩(wěn)定狀態(tài)偏置是常量。這里，“s”是拉普拉斯算子。
sb＝0...(8) 將其轉(zhuǎn)換到數(shù)字空間，從而得到下面的式(9)。
b(n+1)＝b(n)...(9) 將下面的式(10)的二次表達(dá)式的特征設(shè)置為擾動(dòng)模型。
將式(10)的擾動(dòng)模型的模擬狀態(tài)等式表示為下面的式(11)。
將該式(11)轉(zhuǎn)換到數(shù)字空間，得到下面的式(12)。
當(dāng)將式(7)、式(9)和式(12)整合成擴(kuò)展模型時(shí)，得到下面的式(13)。這里，包括了式(9)中的穩(wěn)定狀態(tài)偏置和被表示為式(12)中的二次表達(dá)式的擾動(dòng)。

將包括式(13)中的致動(dòng)器模型以及一個(gè)或多個(gè)擾動(dòng)模型的擴(kuò)展模型簡(jiǎn)化并表示為式(14)。
通過(guò)將式(13)中的矩陣表示為X(n+1)、x(n)、A、B和C來(lái)簡(jiǎn)化式(14)。根據(jù)式(14)，將斷定的觀測(cè)器表示為式(15)。
該式是直接被轉(zhuǎn)換成數(shù)字表達(dá)式的模擬控制觀測(cè)器的表達(dá)式，其中L是狀態(tài)表達(dá)式增益，其包括四個(gè)狀態(tài)估計(jì)增益，即，位置、速度、偏置和擾動(dòng)(因?yàn)榇嬖趦蓚€(gè)擾動(dòng)，所以在式(13)的情況下是五個(gè)狀態(tài)估計(jì)增益)。F是反饋增益，并且包括五個(gè)反饋增益。
在該式中，觀測(cè)位置y(n)未被反映到當(dāng)前采樣的電流輸出u(n)。換言之，因?yàn)檫@是預(yù)測(cè)的觀測(cè)器格式，所以響應(yīng)延遲了一個(gè)采樣。為了補(bǔ)償這一個(gè)采樣的延遲，通常使用當(dāng)前觀測(cè)器。當(dāng)前觀測(cè)器由式(16)表示。這里，y(n)是當(dāng)前采樣的觀測(cè)位置。
這樣，建立了在一個(gè)采樣中進(jìn)行一次運(yùn)算并且改變一次驅(qū)動(dòng)電流的當(dāng)前觀測(cè)器。然后，根據(jù)該當(dāng)前觀測(cè)器，考慮輸出延遲來(lái)確定當(dāng)前觀測(cè)器的結(jié)構(gòu)。如圖7所示，以與式(15)相同的方式確定從采樣時(shí)間n延遲(提前)了Td的時(shí)間處的狀態(tài)變量X，然后，將其表示為下面的式(17)。
X(n+Td/T)＝Ad·X(n)+Bd·u(n-1)...(17) 如果像式(7)那樣將式(17)表示為致動(dòng)器模型，則其被表示為式(18)。在式(18)中，通過(guò)將作為時(shí)間單位的Td除以采樣周期T，來(lái)將Td轉(zhuǎn)換成采樣計(jì)數(shù)n。
由下面的式(19)給出始終是常量的穩(wěn)定狀態(tài)偏置b。
b(n+Td/T)＝b(n)...(19) 可以根據(jù)式(12)以與式(17)和(18)相同的方式對(duì)其他擾動(dòng)模型進(jìn)行變換。對(duì)于這種變換，使用z變換。如果將當(dāng)前觀測(cè)器的上述的式(16)與上式組合，則可建立下面的式(20)。
在式(20)中，Xh(n)是當(dāng)前采樣n的估計(jì)狀態(tài)，Xh(n+Td/T)是從當(dāng)前采樣n提前了Td的估計(jì)狀態(tài)。
在式(20)中，確定當(dāng)前采樣n的估計(jì)狀態(tài)Xh(n)，然后基于當(dāng)前采樣n的估計(jì)狀態(tài)Xh(n)和前一采樣的輸出值u(n-1)來(lái)計(jì)算考慮延遲的提前了時(shí)間Td的狀態(tài)Xh(n+Td/T)。
這里，為了估計(jì)下一采樣的狀態(tài)，通常如式(3)所示，使用當(dāng)前采樣的輸出u(n)，但是在該示例(該示例為在一個(gè)采樣中輸出一次的單速率控制)中，在采樣時(shí)間點(diǎn)不計(jì)算u(n)。因此，使用在前一采樣中已計(jì)算出的輸出u(n-1)，并計(jì)算提前了時(shí)間Td的狀態(tài)Xh(n+Td/T)?；谒?jì)算出的提前了時(shí)間Td的狀態(tài)Xh(n+Td/T)，來(lái)計(jì)算當(dāng)前采樣n中的輸出u(n)。
對(duì)于下一采樣的估計(jì)狀態(tài)Xb(n+1)，與式(16)不同，對(duì)式(20)使用u(n)和u(n-1)。這里，由下面的式(21)給出式(20)的估計(jì)狀態(tài)Xb(n+1)的位置x(n+1)和速度v(n+1)。
式(21)中u(n)的系數(shù)是式(20)中的B1，并且式(21)中u(n-1)的系數(shù)是式(20)中的B2。
如果將二自由度控制的前饋添加到式(20)，則得到式(22)。
換言之，與式(20)相比，作為前饋?lái)?xiàng)的(C^T·r(n))被添加到Xh(n+Td/T)的計(jì)算中。
在這種情況下，根據(jù)傳統(tǒng)的二自由度控制的式(2)，將前饋?lái)?xiàng)直接添加到輸出u(n)的計(jì)算式中。然而，如果這樣使用，則在不同的采樣時(shí)間點(diǎn)從Xh(n+Td/T)減去(C^T·r(n))，這使得計(jì)算序列復(fù)雜并且使得高速計(jì)算困難。此外，狀態(tài)估計(jì)序列變化，從而保持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)變得困難。
因此，在相同的采樣時(shí)間點(diǎn)將前饋?lái)?xiàng)(C^T·r(n))添加到Xh(n)，并且計(jì)算在提前狀態(tài)下的Xh(n+Td/T)。
圖5是在將式(22)進(jìn)行分塊表示時(shí)的框圖。如圖5所示，載入當(dāng)前采樣n中的觀測(cè)位置(位置誤差)y(n)，在計(jì)算塊22中計(jì)算在前一采樣中估計(jì)的當(dāng)前采樣中的預(yù)測(cè)位置C·Xb(n)與觀測(cè)位置y(n)之間的差，并且產(chǎn)生估計(jì)位置誤差er[n]。在乘法塊24中將該估計(jì)位置誤差er[n]乘以估計(jì)增益L，以產(chǎn)生校正值。
在加法塊26中，將該校正值與當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xb[n](例如，預(yù)測(cè)位置和預(yù)測(cè)速度)相加。由此，產(chǎn)生了式(22)中的當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xh(n)，例如估計(jì)位置和估計(jì)速度。
在二自由度控制中，在加法塊30中計(jì)算估計(jì)狀態(tài)(位置)Xh(n)和目標(biāo)位置軌跡r(n)之間的差值，并在乘法塊32中將結(jié)果乘以系數(shù)矩陣Ad。另一方面，在乘法塊36中將輸出u(n-1)乘以系數(shù)矩陣Bd，并在加法塊38中將該結(jié)果與乘法塊32的結(jié)果相加，以計(jì)算提前了Td的狀態(tài)Xh(n+Td/T)。換言之，計(jì)算出式(22)的第二個(gè)表達(dá)式。
然后，在乘法塊40中，將狀態(tài)Xh(n+Td/T)乘以反饋增益F，從而得到式(22)的第三個(gè)表達(dá)式的輸出值u(n)。另一方面，基于當(dāng)前采樣中的估計(jì)狀態(tài)Xh(n)、輸出值u(n)、以及被延遲塊34延遲的前一采樣中的輸出值u(n-1)，在乘法塊42、44和46以及加法塊48中，按式(22)的第四個(gè)表達(dá)式所示地計(jì)算下一采樣(n+1)中的估計(jì)狀態(tài)Xb(n+1)。
在延遲塊50中延遲下一采樣(n+1)的估計(jì)狀態(tài)Xb(n+1)，并且在乘法塊20中，將延遲塊50的輸出乘以C，以計(jì)算當(dāng)前采樣中的估計(jì)位置x(n)。
如上所述，在該用于防止超限的二自由度控制系統(tǒng)中，考慮二自由度控制的輸出延遲(驅(qū)動(dòng)放大器、D/A轉(zhuǎn)換器等的計(jì)算延遲和硬件延遲)，計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了一延遲量的Td的估計(jì)狀態(tài)，然后基于該估計(jì)狀態(tài)計(jì)算輸出，因此，即使?fàn)顟B(tài)在從采樣時(shí)間點(diǎn)開始的計(jì)算期間改變，也可防止輸出延遲的影響，因此可以進(jìn)行高度精確的位置控制，并可防止超限。
此外，在相同的采樣時(shí)間計(jì)算這些二自由度控制項(xiàng)，可以防止計(jì)算序列變得復(fù)雜，并且可以高速地進(jìn)行計(jì)算。此外，可以遵從狀態(tài)估計(jì)序列，因而可以保持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖6是表示圖5的一個(gè)變型的框圖。圖6中的結(jié)構(gòu)是用于簡(jiǎn)化式(22)并計(jì)算下面的式(23)的當(dāng)前觀測(cè)器。
換言之，通過(guò)將式(22)的第二個(gè)表達(dá)式代入第三個(gè)表達(dá)式而得到式(23)。
在圖6中，用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)表示與圖5相同的組成元件，并且將圖5中的三個(gè)乘法塊32、36和40整合成兩個(gè)乘法塊52和54。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化表達(dá)式，并可有效地減少計(jì)算時(shí)間。
二自由度位置控制系統(tǒng)的第二實(shí)施例 圖8是表示本發(fā)明的二自由度控制系統(tǒng)的第二實(shí)施例的框圖，圖9是其操作序列圖。圖8和圖9示出了使用雙重多速率控制(doublemulti-rate control)的二自由度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
如圖8和圖9所示，多速率控制在一個(gè)采樣中改變電流兩次或三次。改變兩次被稱為“雙重多速率結(jié)構(gòu)”，改變?nèi)伪环Q為“三重多速率結(jié)構(gòu)”。
如圖8中的雙重多速率結(jié)構(gòu)所示，目標(biāo)軌跡產(chǎn)生部110基于目標(biāo)位置r在每個(gè)采樣中產(chǎn)生采樣(n)的目標(biāo)軌跡r(n)和采樣(n+0.5)的目標(biāo)軌跡r(n+0.5)，并將其發(fā)送到控制器114。位置誤差計(jì)算部112基于目標(biāo)位置r和受控對(duì)象106，根據(jù)觀測(cè)到的當(dāng)前位置y(觀測(cè)位置)，計(jì)算位置誤差y(n)。
控制器114基于第n采樣中的目標(biāo)軌跡r(n)和位置誤差y(n)進(jìn)行二自由度觀測(cè)器計(jì)算，計(jì)算受控對(duì)象106的驅(qū)動(dòng)命令值u(n)，并驅(qū)動(dòng)受控對(duì)象106。此外，控制器114基于采樣(n+0.5)中的目標(biāo)軌跡r(n+0.5)和位置誤差y[n]進(jìn)行二自由度觀測(cè)器計(jì)算，計(jì)算受控對(duì)象106的驅(qū)動(dòng)命令值u(n+0.5)，并驅(qū)動(dòng)受控對(duì)象106。
如圖9所示，多速率控制具有用于以單速率估計(jì)狀態(tài)的單速率狀態(tài)估計(jì)以及用于以多速率估計(jì)狀態(tài)的多速率狀態(tài)估計(jì)。在這兩種情況下，在一個(gè)采樣中都要按u(n)和u(n+0.5)計(jì)算并改變電流兩次。
首先，將描述單速率狀態(tài)估計(jì)的多速率控制。在多速率控制中，在一個(gè)采樣中將電流輸出值輸出為u(n)和u(n+0.5)。因此，基本上計(jì)算了式(22)兩次。換言之，執(zhí)行了下面的式(24)和式(25)。
換言之，計(jì)算第一式(24)來(lái)計(jì)算輸出u(n)和下一狀態(tài)Xb(n+0.5)。式(24)與式(22)基本相同，但是因?yàn)殡娏髟谝粋€(gè)采樣中改變兩次，所以使用u(n-1)和u(n-0.5)來(lái)計(jì)算Xh(n+Td/T)和Xb(n+0.5)。
如式(25)所示，將采樣(n+0.5)的估計(jì)狀態(tài)Xh(n+0.5)假定為式(24)中的估計(jì)狀態(tài)Xb(n+0.5)，并且像式(24)的情況那樣，使用目標(biāo)軌跡r(n+0.5)來(lái)計(jì)算輸出u(n+0.5)和下一狀態(tài)Xb(n+1)。
這里，式(24)和式(25)中的系數(shù)B1、B2和B3取決于添加了延遲的Td與T/2(＝n+0.5)的比較，并且如果Td＜T/2，則由下面的式(26)確定。
另一方面，如果T/2＜Td＜T，則系數(shù)B1、B2和B3由下面的式(27)確定。
換言之，式(26)和(27)的u(n)的系數(shù)是式(24)和(25)的B1，u(n-0.5)的系數(shù)是B2，u(n-1)的系數(shù)是B3。因此，如果Td＜T/2，則系數(shù)B3為“0”，而如果T/2＜Td，則B1為“0”。
現(xiàn)在將描述多速率狀態(tài)估計(jì)中的多速率控制。在多速率控制中，在一個(gè)采樣中還輸出電流輸出值u(n)和u(n+0.5)。因此，在多速率狀態(tài)估計(jì)中，基本上對(duì)式(22)也計(jì)算兩次。換言之，執(zhí)行下面的式(28)和(29)。
首先，為了計(jì)算輸出u(n)和下一狀態(tài)Xb(n+0.5)，對(duì)式(28)進(jìn)行計(jì)算。該式(28)與式(22)基本相同，但是電流在一個(gè)采樣中改變兩次，因此使用u(n-1)和u(n-0.5)來(lái)計(jì)算Xh(n+Td/T)和Xb(n+0.5)。通過(guò)(y(n)-C·Xb(n))來(lái)單獨(dú)地估計(jì)位置誤差e(n)。
如式(29)所示，根據(jù)在將式(24)中的e(n)乘以L2時(shí)的值，將采樣(n+0.5)的估計(jì)狀態(tài)Xh(n+0.5)校正為式(28)中的估計(jì)狀態(tài)Xb(n+0.5)。此外，像式(28)那樣，使用目標(biāo)軌跡r(n+0.5)，來(lái)計(jì)算輸出u(n+0.5)和下一狀態(tài)Xb(n+1)。
這里，式(28)和式(29)中的系數(shù)B1、B2和B3取決于添加了延遲的Td與T/2(＝n+0.5)的比較，并且如果Td＜T/2，則系數(shù)B1、B2和B3由式(26)確定，如果T/2＜Td，則系數(shù)B1、B2和B3由式(27)確定。
與式(24)和式(25)中的單速率狀態(tài)估計(jì)的差異在于使用在將式(24)中的e(n)乘以L2時(shí)的值，將采樣(n+0.5)的估計(jì)狀態(tài)Xh(n+0.5)校正為式(28)中的估計(jì)狀態(tài)Xb(n+0.5)，如式(29)所示。這樣，就像第一次那樣，多速率狀態(tài)估計(jì)使用在采樣時(shí)觀測(cè)到的位置誤差來(lái)校正第二估計(jì)狀態(tài)。
如果將式(28)和式(29)中的Xh(n+Td/T)和Xh(n+0.5+Td/T)代入式(28)和式(29)中的其他表達(dá)式，則可將式(28)和式(29)變換成下面的式(30)。
在式(30)中，將式(28)的Xh(n+Td/T)整合到對(duì)式(29)的u(n)的計(jì)算中，并且將式(29)的Xh(n+0.5+Td/T)整合到對(duì)式(29)的u(n+0.5)的計(jì)算中。當(dāng)表達(dá)式的數(shù)量減少時(shí)，計(jì)算時(shí)間自然減少，并且響應(yīng)變得更快。
當(dāng)式(30)中L2為“0”時(shí)，這表示在式(24)和式(25)中描述的單速率狀態(tài)估計(jì)式，當(dāng)L2不為“0”時(shí)，這表示多速率狀態(tài)估計(jì)式。
圖10是將式(30)進(jìn)行分塊表示的框圖。圖10的結(jié)構(gòu)基本上是串聯(lián)連接的兩個(gè)圖6中的結(jié)構(gòu)。如圖10所示，載入當(dāng)前采樣n中的觀測(cè)位置(位置誤差)y(n)，在計(jì)算塊22-1中計(jì)算在前一采樣中估計(jì)的當(dāng)前采樣中的預(yù)測(cè)位置C·Xb(n)與觀測(cè)位置y(n)之間的差，以產(chǎn)生估計(jì)位置誤差er[n]。在乘法塊24-1中，將該估計(jì)位置誤差er[n]乘以估計(jì)增益L1，以產(chǎn)生校正值。
在加法塊26-1中，將該校正值與當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xb[n](例如預(yù)測(cè)位置和預(yù)測(cè)速度)相加。由此，產(chǎn)生了式(30)中的當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xh(n)，例如估計(jì)位置和估計(jì)速度。
在二自由度控制中，在加法塊30-1中計(jì)算估計(jì)狀態(tài)(位置)Xh(n)和目標(biāo)位置軌跡r(n)之間的差值，并在乘法塊52-1中將結(jié)果乘以系數(shù)矩陣-F·Ad。另一方面，在乘法塊54-1a中將輸出u(n-1)乘以系數(shù)矩陣-F·Bd2，并在乘法塊54-1b中將輸出u(n-0.5)乘以系數(shù)矩陣-F·Bd1。在加法塊56-1中將三個(gè)乘法塊52-1、54-1a和54-1b的輸出相加，從而得到式(30)中的第三個(gè)表達(dá)式的輸出值u(n)。
另一方面，在加法塊48-1中，按照式(30)中的第四個(gè)表達(dá)式通過(guò)將以下的值相加來(lái)計(jì)算(n+0.5)中的下一估計(jì)狀態(tài)Xb(n+0.5)在乘法塊42-1中將當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xh(n)乘以系數(shù)矩陣A時(shí)的值、在乘法塊46-1中將輸出值u(n)乘以系數(shù)矩陣B1時(shí)的值、在乘法塊44-1a中將輸出值u(n-0.5)乘以系數(shù)矩陣B2時(shí)的值、以及在乘法塊44-1b中將在延遲塊34-1中進(jìn)行了延遲的前一采樣的輸出值u(n-1)乘以系數(shù)矩陣B3時(shí)的值。
然后，在乘法塊24-2中將在計(jì)算塊22-1中計(jì)算出的估計(jì)位置誤差er[n]乘以估計(jì)增益L2，以產(chǎn)生校正值。在加法塊26-1中，將該校正值與當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xb[n+0.5](例如預(yù)測(cè)位置和預(yù)測(cè)速度)相加。由此，產(chǎn)生了式(30)中的當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xh(n+0.5)，例如估計(jì)位置和估計(jì)速度。
在多速率控制中，在加法塊30-2中計(jì)算估計(jì)狀態(tài)(位置)Xh(n+0.5)和目標(biāo)位置軌跡r(n+0.5)之間的差值，并在乘法塊52-2中將結(jié)果乘以系數(shù)矩陣-F·Ad。
另一方面，在乘法塊54-2a中將輸出u(n-0.5)乘以系數(shù)矩陣-F·Bd2，并在乘法塊54-2b中將輸出u(n)乘以系數(shù)矩陣-F·Bd1。在加法塊56-6中將三個(gè)乘法塊52-2、54-2a和54-2b的輸出相加，從而得到式(30)中的第六個(gè)表達(dá)式的輸出值u(n+0.5)。
另一方面，在加法塊48-2中，按照式(30)中的第七個(gè)表達(dá)式通過(guò)將以下的值相加來(lái)計(jì)算(n+1)中的下一估計(jì)狀態(tài)Xb(n+1)在乘法塊42-2中將當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xh(n+0.5)乘以系數(shù)矩陣A時(shí)的值、在乘法塊46-2中將輸出值u(n+0.5)乘以系數(shù)矩陣B1時(shí)的值、在乘法塊44-2a中將輸出值u(n)乘以系數(shù)矩陣B2時(shí)的值、以及在乘法塊44-2b中將在延遲塊34-2中進(jìn)行了延遲的前一采樣的輸出值u(n-0.5)乘以系數(shù)矩陣B3時(shí)的值。
在延遲塊50中，下一樣本(n+1)的估計(jì)狀態(tài)Xb(n+1)被延遲，并且在乘法塊20-1中，將延遲塊50的輸出乘以C，以計(jì)算當(dāng)前采樣的估計(jì)位置x(n)。
這樣，在該用于防止超限的二自由度控制系統(tǒng)中，考慮二自由度控制輸出的輸出延遲(驅(qū)動(dòng)放大器、D/A轉(zhuǎn)換器等的計(jì)算延遲和硬件延遲)，計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了延遲量的Td的估計(jì)狀態(tài)，然后基于該估計(jì)狀態(tài)計(jì)算輸出，因此，即使?fàn)顟B(tài)在從采樣時(shí)間點(diǎn)開始的計(jì)算期間改變，也可防止輸出延遲的影響，并可進(jìn)行高度精確的位置控制，因此可防止超限。
此外，在相同的采樣時(shí)間計(jì)算二自由度控制項(xiàng)，因此可以防止在該多速率控制中計(jì)算序列變得復(fù)雜，并且可以高速地進(jìn)行計(jì)算。此外，可以遵從狀態(tài)估計(jì)序列，從而可以保持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
在圖10的塊中，如果將乘法塊24-2中的L2設(shè)置為“0”，則其變成單速率狀態(tài)估計(jì)的結(jié)構(gòu)，因此圖10的結(jié)構(gòu)可用于單速率狀態(tài)估計(jì)和多速率狀態(tài)估計(jì)兩者。
二自由度控制系統(tǒng)的第三實(shí)施例 現(xiàn)在說(shuō)明將擾動(dòng)模型分離時(shí)的實(shí)施例。將描述在當(dāng)前觀測(cè)器中分離致動(dòng)器模型和擾動(dòng)模型時(shí)的示例。通過(guò)實(shí)現(xiàn)其中分離了擾動(dòng)模型的結(jié)構(gòu)，可以容易地添加具有任意擾動(dòng)抑制特性的擾動(dòng)模型，而不會(huì)影響致動(dòng)器模型。
因此，可以容易地建立添加了擾動(dòng)模型的當(dāng)前觀測(cè)器，還可容易地將具有期望擾動(dòng)特性的擾動(dòng)模型添加到傳統(tǒng)的當(dāng)前觀測(cè)器中。
通過(guò)對(duì)式(28)和式(29)的多速率狀態(tài)估計(jì)表達(dá)式進(jìn)行變換，來(lái)創(chuàng)建分離了擾動(dòng)模型的計(jì)算式。在式(28)中，將式(28)的狀態(tài)Xh(n)和Xh(n+Td/T)分離為位置和速度的致動(dòng)器模型的狀態(tài)Xh(n)和Xh(n+Td/T)以及擾動(dòng)模型的狀態(tài)Dh(n)和Dh(n+Td/T)。由此得到下面的式(31)。
如式(31)所示，以與式(28)相同的方式計(jì)算速度和位置的估計(jì)狀態(tài)Xh(n)。這里，L1是位置和速度的估計(jì)增益。此外，以相同的方式計(jì)算分離的擾動(dòng)(包括偏置)的估計(jì)狀態(tài)Dh(n)。這里，Ld1是偏置和擾動(dòng)的估計(jì)增益。以相同的方式，針對(duì)位置和速度的Xh(n+Td/T)以及擾動(dòng)的Dh(n+Td/T)，還分別計(jì)算提前了Td的狀態(tài)。
因此，針對(duì)速度Xh(n+Td/T)和擾動(dòng)Dh(n+Td/T)分別計(jì)算輸出值，其差成為輸出值uout(n)。針對(duì)位置和速度的Xb(n+0.5)以及擾動(dòng)的Db(n+0.5)，還分別計(jì)算(n+0.5)的下一狀態(tài)。
以相同的方式，將式(29)中的狀態(tài)Xh(n+0.5)和Xh(n+0.5+Td/T)分離為位置和速度的致動(dòng)器模型的狀態(tài)Xh(n+0.5)和Xh(n+0.5+Td/T)以及擾動(dòng)模型的狀態(tài)Dh(n+0.5)和Dh(n+0.5+Td/T)。由此得到下面的式(32)。
如式(32)所示，以與式(28)相同的方式計(jì)算速度和位置的估計(jì)狀態(tài)Xh(n+0.5)。這里，L2是位置和速度的估計(jì)增益。此外，以相同的方式計(jì)算分離的擾動(dòng)(包括偏置)的估計(jì)狀態(tài)Dh(n+0.5)。這里，Ld2是偏置和擾動(dòng)的估計(jì)增益。
以相同的方式，針對(duì)位置和速度的Xh(n+0.5+Td/T)以及擾動(dòng)的Dh(n+0.5+Td/T)，還分別計(jì)算提前了Td的狀態(tài)。因此，針對(duì)速度Xh(n+0.5+Td/T)和擾動(dòng)Dh(n+0.5+Td/T)分別計(jì)算輸出值，其差成為輸出值uout(n)。針對(duì)位置和速度的Xb(n+1)以及擾動(dòng)的Db(n+1)，還分別計(jì)算(n+1)的下一狀態(tài)。
這樣，可以分離并計(jì)算擾動(dòng)模型。如果L2為“0”，則式(32)成為單速率狀態(tài)估計(jì)表達(dá)式。式(31)和式(32)具有冗余。為了減少計(jì)算時(shí)間并防止相位容限的減小，將描述這些式的簡(jiǎn)化。
在式(31)中，將位置和速度針對(duì)輸出延遲的Xh(n+Td/T)代入u(n)的表達(dá)式，并且將擾動(dòng)的Dh(n+Td/T)代入uout(n)的表達(dá)式，然后得到下面的式(33)。
在式(32)中，以相同的方式將位置和速度針對(duì)輸出延遲的Xh(n+0.5+Td/T)代入u(n+0.5)的表達(dá)式，并且將擾動(dòng)的Dh(n+0.5+Td/T)代入uout(n+0.5)的表達(dá)式，然后得到下面的式(34)。
這樣，計(jì)算式的數(shù)量減少，從而可以減少計(jì)算時(shí)間。
然后對(duì)這些表達(dá)式進(jìn)行整合。換言之，在式(33)和式(34)中，將狀態(tài)估計(jì)計(jì)算代入其他表達(dá)式，然后得到下面的式(35)。
換言之，在式(35)中，將式(33)中的Xh(n)代入u(n)和Xb(n+0.5)，將Dh(n)代入uout(n)和Db(n+0.5)，將式(34)中的Xh(n+0.5)代入u(n+0.5)和Xb(n+1)，將Dh(n+0.5)代入uout(n+0.5)和Db(n+1)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行整合。
式(35)和該形式的式(33)和式(34)便于進(jìn)行雙重或三重多速率控制。換言之，當(dāng)將輸出達(dá)到u(n)-Db(n+0.5)的表達(dá)式與輸出達(dá)到u(n+0.5)-Db(n+1)的表達(dá)式進(jìn)行比較時(shí)，各狀態(tài)變量右乘的矩陣變得相同(僅當(dāng)L1＝L2時(shí))。因此，可以相應(yīng)地減小用于保存矩陣的存儲(chǔ)器。
圖11是在對(duì)式(35)分塊表示時(shí)的框圖。在圖11的結(jié)構(gòu)中，使用圖6中的結(jié)構(gòu)兩次，對(duì)該結(jié)構(gòu)添加了用于擾動(dòng)的塊。如圖11所示，通過(guò)多速率切換信號(hào)Multi來(lái)切換開關(guān)70和系數(shù)乘法塊24-3和60。
載入當(dāng)前采樣n中的觀測(cè)位置(位置誤差)y(n)，在計(jì)算塊22中計(jì)算在前一采樣中估計(jì)的當(dāng)前采樣中的預(yù)測(cè)位置C·Xb(n)與觀測(cè)位置y(n)之間的差，以產(chǎn)生估計(jì)位置誤差er[n]。在乘法塊24-3中，將該估計(jì)位置誤差er[n]乘以估計(jì)增益L1或L2，以產(chǎn)生校正值。
在加法塊26中，將該校正值與當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xb[n](例如預(yù)測(cè)位置和預(yù)測(cè)速度)相加。由此，產(chǎn)生了式(35)中的當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xh(n)，例如估計(jì)位置和估計(jì)速度。
在二自由度控制中，在加法塊30中計(jì)算估計(jì)狀態(tài)(位置)Xh(n)和目標(biāo)位置軌跡r(n)之間的差，并在乘法塊52中將結(jié)果乘以系數(shù)矩陣-F·Ad。另一方面，在乘法塊54-1中將輸出u(n-1)乘以系數(shù)矩陣-F·Bd2，并在乘法塊54-2中將輸出u(n-0.5)乘以系數(shù)矩陣-F·Bd1。在加法塊56-1中將三個(gè)乘法塊52、54-1和54-2的輸出相加，從而得到式(35)中的第二個(gè)表達(dá)式的輸出值u(n)。
另一方面，在加法塊48中，按照式(35)中的第四個(gè)表達(dá)式通過(guò)將以下的值相加來(lái)計(jì)算(n+0.5)中的下一估計(jì)狀態(tài)Xb(n+0.5)在乘法塊42中將當(dāng)前采樣的估計(jì)狀態(tài)Xh(n)乘以系數(shù)矩陣A時(shí)的值、在乘法塊46中將輸出值u(n)乘以系數(shù)矩陣B1時(shí)的值、在乘法塊44-1中將輸出值u(n-0.5)乘以系數(shù)矩陣B2時(shí)的值、以及在乘法塊44-2中將在延遲塊34-1和34-2中進(jìn)行了延遲的前一采樣的輸出值u(n-1)乘以系數(shù)矩陣B3時(shí)的值。
然后，在乘法塊60中將該估計(jì)位置誤差er[n]乘以估計(jì)擾動(dòng)增益Ld1或Ld2，以產(chǎn)生校正值。在加法塊64中，將該校正值與當(dāng)前采樣的估計(jì)擾動(dòng)狀態(tài)Db[n]相加。由此，產(chǎn)生了式(35)中的當(dāng)前采樣的估計(jì)擾動(dòng)狀態(tài)Dh(n)。并且在乘法塊66中，將Dh(n)乘以系數(shù)矩陣-F·Ad2，并在加法塊中將相乘得到的值從u(n)中減去，從而得到uout(n)。
然后，在第二次計(jì)算中，通過(guò)多速率控制信號(hào)來(lái)切換開關(guān)70以及系數(shù)乘法塊24-3和60，并且執(zhí)行相同的操作。
這樣，可以通過(guò)將估計(jì)增益L分離成控制器模型和擾動(dòng)模型并將反饋增益F分離成控制器模型和擾動(dòng)模型，來(lái)分別設(shè)計(jì)控制器模型和擾動(dòng)模型。
此外，可對(duì)這些表達(dá)式進(jìn)行整合。在式(35)中，順序地計(jì)算九個(gè)表達(dá)式，但是關(guān)鍵的是uout(n)、uout(n+0.5)、Xb(n+1)和Db(n+1)。僅在確定這些狀態(tài)變量時(shí)才需要其他狀態(tài)變量。因此，可以將這九個(gè)表達(dá)式代入并整合成下面的用于計(jì)算uout(n)、uout(n+0.5)、Xb(n+1)和Db(n+1)的式(36)。
在式(36)中，將式(35)的e(n)代入u(n)、uout(n)、Xb(n+0.5)、Db(n+0.5)、u(n+0.5)、uout(n+0.5)、Xb(n+1)和Db(n+1)，并將Xb(n+0.5)和Db(n+0.5)代入u(n+0.5)、uout(n+0.5)、Xb(n+1)和Db(n+1)，從而成為六個(gè)表達(dá)式，并且對(duì)系數(shù)進(jìn)行整合。
這樣，可以在必要時(shí)整合計(jì)算式。
其他實(shí)施例 在以上實(shí)施例中，使用磁盤裝置的讀寫頭定位裝置的示例描述了觀測(cè)器控制，但是可將本發(fā)明應(yīng)用于其他的盤裝置，例如光盤裝置。雖然考慮了擾動(dòng)模型，但是還可將本發(fā)明應(yīng)用于不考慮擾動(dòng)模型時(shí)的情況。
使用以上實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是可以在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特征范圍內(nèi)以各種方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改，并且不應(yīng)將這些變型排除在本發(fā)明的范圍之外。
在用于防止超限的二自由度控制系統(tǒng)中，考慮了二自由度控制的輸出延遲(驅(qū)動(dòng)放大器、D/A轉(zhuǎn)換器等的計(jì)算延遲和硬件延遲)，并且計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了延遲量的Td的估計(jì)狀態(tài)，然后基于該估計(jì)狀態(tài)來(lái)計(jì)算輸出，因此即使?fàn)顟B(tài)從采樣時(shí)間點(diǎn)開始的計(jì)算期間改變，也可防止輸出延遲的影響，并進(jìn)行高度精確的位置控制，因此可防止超限。
此外，因?yàn)樵谙嗤牟蓸訒r(shí)間計(jì)算二自由度控制項(xiàng)，所以可以防止計(jì)算序列變得復(fù)雜，并且可以高速地進(jìn)行計(jì)算。此外，可以遵從狀態(tài)估計(jì)序列，因而可以保持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，電流波形變得平滑，這有助于減少介質(zhì)存儲(chǔ)裝置的尋道時(shí)間和防止超限。
本申請(qǐng)基于2006年9月22日提交的在先日本專利申請(qǐng)No.2006-256604，并要求其優(yōu)先權(quán)，在此通過(guò)引用并入其全部?jī)?nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種位置控制方法，該位置控制方法用于通過(guò)致動(dòng)器將對(duì)象的位置控制到目標(biāo)位置，所述位置控制方法包括以下步驟
基于所述對(duì)象的目標(biāo)位置和所述對(duì)象的當(dāng)前位置，來(lái)計(jì)算位置誤差；
根據(jù)所述位置誤差與當(dāng)前觀測(cè)器的當(dāng)前采樣的估計(jì)位置之間的估計(jì)位置誤差，來(lái)校正當(dāng)前采樣的估計(jì)位置；
計(jì)算經(jīng)校正的估計(jì)位置與所述當(dāng)前采樣的目標(biāo)軌跡之間的差；
基于一個(gè)采樣前的輸出值和所述差，來(lái)計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了預(yù)定時(shí)間的估計(jì)位置；
基于所述提前的估計(jì)位置，來(lái)計(jì)算對(duì)所述致動(dòng)器的輸出值；以及
基于經(jīng)校正的估計(jì)位置、所述當(dāng)前采樣的輸出值、以及一個(gè)采樣前的輸出值，來(lái)計(jì)算用于下一輸出值計(jì)算的估計(jì)位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置控制方法，該方法還包括以下步驟
計(jì)算用于計(jì)算下一輸出值的估計(jì)位置與當(dāng)前采樣+0.5個(gè)采樣時(shí)的目標(biāo)軌跡之間的差；
基于0.5個(gè)采樣前的輸出值、所述當(dāng)前采樣的輸出值、以及所述差，來(lái)計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了0.5個(gè)采樣的估計(jì)位置；
基于所述提前的估計(jì)位置，來(lái)計(jì)算對(duì)所述致動(dòng)器的輸出值；以及
基于經(jīng)校正的估計(jì)位置、所述當(dāng)前采樣的輸出值、0.5個(gè)采樣前的輸出值、以及所計(jì)算的輸出值，來(lái)計(jì)算下一采樣的估計(jì)位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的位置控制方法，其中，計(jì)算所述提前的估計(jì)位置的步驟還包括如下步驟使用所述估計(jì)位置誤差，對(duì)用于計(jì)算下一輸出值的估計(jì)位置進(jìn)行校正。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置控制方法，該方法還包括如下步驟基于所述目標(biāo)位置，產(chǎn)生各個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)處的目標(biāo)軌跡。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的位置控制方法，該方法還包括如下步驟基于所述目標(biāo)位置，產(chǎn)生各個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)與從所述采樣時(shí)間點(diǎn)提前了0.5個(gè)采樣的時(shí)間點(diǎn)之間的目標(biāo)軌跡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置控制方法，其中，計(jì)算所述位置誤差的步驟還包括如下步驟計(jì)算從至少讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中的數(shù)據(jù)的讀寫頭的輸出中獲取的當(dāng)前位置與用于驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器并將所述讀寫頭移動(dòng)到所述存儲(chǔ)介質(zhì)的預(yù)定位置的目標(biāo)位置之間的位置誤差。
7.一種介質(zhì)存儲(chǔ)裝置，該介質(zhì)存儲(chǔ)裝置包括
讀寫頭，用于至少讀取存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)；
致動(dòng)器，用于將所述讀寫頭定位到所述存儲(chǔ)介質(zhì)的預(yù)定位置；和
控制單元，用于根據(jù)所述讀寫頭的目標(biāo)位置和從所述讀寫頭獲取的當(dāng)前位置來(lái)計(jì)算位置誤差，并計(jì)算用于通過(guò)當(dāng)前觀測(cè)器控制來(lái)驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器的輸出值，
其中，所述控制單元根據(jù)所述位置誤差與當(dāng)前觀測(cè)器的當(dāng)前采樣的估計(jì)位置之間的估計(jì)位置誤差來(lái)校正當(dāng)前采樣的估計(jì)位置，計(jì)算經(jīng)校正的估計(jì)位置與所述當(dāng)前采樣的目標(biāo)軌跡之間的差，基于一個(gè)采樣前的輸出值和所述差來(lái)計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了預(yù)定時(shí)間的估計(jì)位置，基于所述提前的估計(jì)位置來(lái)計(jì)算對(duì)所述致動(dòng)器的輸出值，并基于經(jīng)校正的估計(jì)位置、所述當(dāng)前采樣的輸出值、以及一個(gè)采樣前的輸出值來(lái)計(jì)算用于下一輸出值計(jì)算的估計(jì)位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的介質(zhì)存儲(chǔ)裝置，其中，所述控制單元計(jì)算用于計(jì)算下一輸出值的估計(jì)位置與當(dāng)前采樣+0.5個(gè)采樣時(shí)的目標(biāo)軌跡之間的差，基于0.5個(gè)采樣前的輸出值、所述當(dāng)前采樣的輸出值、以及該差來(lái)計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了0.5個(gè)采樣的估計(jì)位置，基于所述提前的估計(jì)位置來(lái)計(jì)算對(duì)所述致動(dòng)器的輸出值，并且基于經(jīng)校正的估計(jì)位置、所述當(dāng)前采樣的輸出值、0.5個(gè)采樣前的輸出值、以及所計(jì)算的輸出值來(lái)計(jì)算下一采樣的估計(jì)位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的介質(zhì)存儲(chǔ)裝置，其中，所述控制單元使用所述估計(jì)位置誤差對(duì)用于計(jì)算下一輸出值的估計(jì)位置進(jìn)行校正，以計(jì)算所述提前的估計(jì)位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的介質(zhì)存儲(chǔ)裝置，其中，所述控制單元基于所述目標(biāo)位置，產(chǎn)生各個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)處的目標(biāo)軌跡。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的介質(zhì)存儲(chǔ)裝置，其中，所述控制單元基于所述目標(biāo)位置，產(chǎn)生各個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)與從該采樣時(shí)間點(diǎn)提前了0.5個(gè)采樣的時(shí)間點(diǎn)之間的目標(biāo)軌跡。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的介質(zhì)存儲(chǔ)裝置，該介質(zhì)存儲(chǔ)裝置還包括主軸電機(jī)，用于使作為所述存儲(chǔ)介質(zhì)的存儲(chǔ)盤旋轉(zhuǎn)。
13.一種位置控制裝置，該位置控制裝置用于通過(guò)致動(dòng)器將對(duì)象的位置控制到目標(biāo)位置，所位置控制述裝置包括
基于所述對(duì)象的目標(biāo)位置和所述對(duì)象的當(dāng)前位置來(lái)計(jì)算位置誤差的塊；
當(dāng)前觀測(cè)器，用于根據(jù)所述位置誤差與當(dāng)前采樣的估計(jì)位置之間的估計(jì)位置誤差來(lái)校正當(dāng)前采樣的估計(jì)位置，計(jì)算經(jīng)校正的估計(jì)位置與所述當(dāng)前采樣的目標(biāo)軌跡之間的差，基于一個(gè)采樣前的輸出值和所述差來(lái)計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了預(yù)定時(shí)間的估計(jì)位置，基于所述提前的估計(jì)位置來(lái)計(jì)算對(duì)所述致動(dòng)器的輸出值，并且基于經(jīng)校正的估計(jì)位置、所述當(dāng)前采樣的輸出值、以及一個(gè)采樣前的輸出值來(lái)計(jì)算用于下一輸出值計(jì)算的估計(jì)位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的位置控制裝置，其中，所述當(dāng)前觀測(cè)器計(jì)算用于計(jì)算下一輸出值的估計(jì)位置與當(dāng)前采樣+0.5個(gè)采樣時(shí)的目標(biāo)軌跡之間的差，基于0.5個(gè)采樣前的輸出值、所述當(dāng)前采樣的輸出值、以及所述差來(lái)計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了0.5個(gè)采樣的估計(jì)位置，基于所述提前的估計(jì)位置來(lái)計(jì)算對(duì)所述致動(dòng)器的輸出值，并且基于經(jīng)校正的估計(jì)位置、所述當(dāng)前采樣的輸出值、0.5個(gè)采樣前的輸出值、以及所計(jì)算的輸出值來(lái)計(jì)算下一采樣的估計(jì)位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的位置控制裝置，其中，所述當(dāng)前觀測(cè)器使用所述估計(jì)位置誤差對(duì)用于計(jì)算下一輸出值的估計(jì)位置進(jìn)行校正，以計(jì)算所述提前的估計(jì)位置。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的位置控制裝置，該位置控制裝置還包括目標(biāo)軌跡產(chǎn)生塊，該目標(biāo)軌跡產(chǎn)生塊基于所述目標(biāo)位置產(chǎn)生各個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)處的目標(biāo)軌跡。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的位置控制裝置，該位置控制裝置還包括目標(biāo)軌跡產(chǎn)生塊，該目標(biāo)軌跡產(chǎn)生塊基于所述目標(biāo)位置產(chǎn)生各個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)與從該采樣時(shí)間點(diǎn)提前了0.5個(gè)采樣的時(shí)間點(diǎn)之間的目標(biāo)軌跡。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的位置控制裝置，其中，用于計(jì)算所述位置誤差的所述塊還包括如下的塊，該塊基于從至少讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中的數(shù)據(jù)的讀寫頭的輸出中獲取的當(dāng)前位置與用于通過(guò)驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器將所述讀寫頭移動(dòng)到所述存儲(chǔ)介質(zhì)的預(yù)定位置的目標(biāo)位置來(lái)計(jì)算位置誤差。
全文摘要
本發(fā)明提供了二自由度位置控制方法和裝置以及介質(zhì)存儲(chǔ)裝置。在基于用于執(zhí)行二自由度控制的當(dāng)前觀測(cè)器控制的位置控制裝置中，防止了由于計(jì)算導(dǎo)致的輸出延遲所引起的位置精度下降。在用于防止超限的二自由度控制系統(tǒng)中，考慮了二自由度控制的輸出延遲(驅(qū)動(dòng)放大器、D/A轉(zhuǎn)換器等的計(jì)算延遲和硬件延遲)，并計(jì)算從采樣時(shí)間點(diǎn)提前了的延遲量的Td的估計(jì)狀態(tài)，然后基于該估計(jì)狀態(tài)來(lái)計(jì)算輸出。因此，即使?fàn)顟B(tài)在從采樣時(shí)間點(diǎn)開始的計(jì)算期間改變，也可防止輸出延遲的影響，并可進(jìn)行高度精確的位置控制，因此可防止超限。
文檔編號(hào)G11B21/10GK101149954SQ20071010223
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者高石和彥 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社