【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及控制方法設計領域，具體地，涉及一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算、控制方法及系統
技術介紹
1、近年來，高精度運動平臺在現代產業中的應用日益廣泛，科技的進步對平臺的精度要求亦愈發嚴格，尤其在高速加工和半導體產業領域。在運動過程中，平臺不可避免地會產生微觀振動，這些振動對定位精度產生顯著影響，因此，對振動進行監測并實施補償顯得至關重要。
2、為了降低振動對平臺運動精度的影響，必須采取相應的控制策略進行補償，包括前饋控制、pid控制、魯棒控制、自適應控制以及復合控制等方法。在這些控制方法中，前饋控制要求建立精確的振動數學模型，難度較高；而魯棒控制、自適應控制和復合控制雖然能有效消除振動誤差并提升定位精度，但其成本較高且實施難度較大。相比之下，pid控制技術成熟、算法簡單，且不依賴于被控對象的精確模型，因此應用更為普遍。
3、振動模型的特性難以精確描述，這導致在振動模型的計算過程中，模型誤差可能引起計算誤差。此外，由于振動的高頻特性，觀測器難以實時準確地捕捉這些高頻動態，加之觀測器本身存在的噪聲影響，使得準確觀測振動狀態變得困難。
技術實現思路
1、針對現有技術中的缺陷，本專利技術的目的是提供一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算、控制方法及系統。
2、根據本專利技術的一個方面，提供一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，包括：
3、根據運動平臺的運動狀態，確定運動平臺振動下的動力學模型，并將其離散化，得到離散下的狀態空間方
4、利用激光傳感器對運動平臺的振動信號進行測量，考慮其測量噪聲，得到測量方程；
5、通過拓展卡爾曼濾波器，對所述測量方程獲得的測量數據和離散且不斷迭代的先驗狀態估計進行數據融合，得到接近真實狀態的狀態估計值；
6、將所述位移期望值和所述狀態估計值作差，確定補償控制信號用于平臺振動補償。
7、優選的，所述根據運動平臺的運動狀態，確定運動平臺振動下的動力學模型，包括：
8、基于假設模態法，忽略高階模態，只保留第一階模態，不考慮各自由度之間的耦合關系，運動平臺的單一自由度變形w(x,t)，具體表示為：
9、w(x,t)＝φ(x)q(t)
10、其中x表示單一自由度的位移，t表示時間，φ(x)是運動平臺的一階模態函數，q(t)是廣義坐標；
11、運動平臺上的任意一點的位移p表示為：
12、p＝w(x,t)+s(t)
13、其中s(t)為運動平臺的宏觀運動位移；
14、將p點的速度平方表示為：
15、
16、運動平臺的整體動能包括運動平臺的宏觀位移和微觀位移造成的總位移產生的動能，具體為：
17、
18、其中m為運動平臺的總質量；
19、運動平臺在平面上運動，忽略其引力勢能，只考慮其由于微觀振動產生的彈性勢能，具體為：
20、
21、其中e是運動平臺的彈性模量，a是運動平臺的橫截面積；
22、將拉格朗日函數l表示為：l＝t-v
23、利用拉格朗日方程，獲得運動平臺的宏微動力學模型：
24、
25、其中f(t)為運動平臺受到的驅動力。
26、優選的，將運動平臺振動下的動力學模型離散化，得到離散下的狀態空間方程，包括：
27、定義系統狀態變量和系統輸入控制量分別為：
28、
29、將宏微動力學模型離散化，同時加入過程噪聲w[k]～n(0,qc)建立離散系統的狀態空間方程：
30、
31、k和k-1代表離散狀態下的第k次取值和第k-1取值；
32、對非線性方程x[k]采用泰勒級數展開，得到雅可比矩陣：
33、
34、其中a[k]和w[k]分別是f對x和w偏導的雅可比矩陣。
35、優選的，所述利用激光傳感器對運動平臺的振動信號進行測量，考慮其測量噪聲，得到測量方程，包括：
36、應用激光傳感器對平臺的振動信號進行測量，并同時考慮其測量噪聲v[k]～n(0,rc)，獲得測量方程：
37、
38、z[k]表示帶有測量噪聲的位移信號，x1[k]表示運動平臺的位移，v1[k]表示測量運動平臺位移的激光傳感器的測量噪聲，x2[k]表示運動平臺的速度，v2[k]測量運動平臺速度的激光傳感器的測量噪聲，x3[k]表示一個定值；
39、對非線性的測量方程z[k]采用泰勒級數展開，得到雅可比矩陣：
40、
41、其中hm[k]和v[k]分別是h對x和v偏導的雅可比矩陣。
42、優選的，所述通過拓展卡爾曼濾波器，對所述測量方程獲得的測量數據和離散且不斷迭代的先驗狀態估計進行數據融合，得到接近真實狀態的狀態估計值，包括：
43、根據運動平臺的初始條件，選擇合適的噪聲協方差矩陣qc和rc，根據卡爾曼濾波的時間更新和測量更新公式；
44、通過所述時間更新和測量更新公式不斷迭代，得到最佳振動狀態估計x(t)。
45、優選的，所述時間更新公式為：
46、
47、所述測量更新公式為：
48、
49、其中是先驗狀態估計；是先驗狀態估計誤差協方差矩陣；k[k]是卡爾曼增益；是后驗狀態估計；p[k]是后驗狀態估計誤差協方差矩陣。
50、根據本專利技術的第二個方面，提供一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算系統，包括：
51、動力學模型建立模塊：根據運動平臺的運動狀態，確定運動平臺振動下的動力學模型，并將其離散化，得到離散下的狀態空間方程；
52、測量方程建立模塊：利用激光傳感器對運動平臺的振動信號進行測量，考慮其測量噪聲，得到測量方程；
53、卡爾曼濾波模塊：通過拓展卡爾曼濾波器，對所述測量方程獲得的測量數據和離散且不斷迭代的先驗狀態估計進行數據融合，得到接近真實狀態的狀態估計值；
54、反饋補償模塊：將所述位移期望值和所述狀態估計值作差，確定補償控制信號用于平臺振動補償。
55、根據本專利技術的第三個方面，提供一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償控制方法，電壓值輸入到直線電機中，輸出電機運轉獲得的作用力；
56、將所述作用力作用于運動平臺，運動平臺進行位移；
57、針對運動平臺位移過程，采用任一項所述的基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法或基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算系統，得到補償控制信號；
58、將所述補償控制信號作為pid控制的輸入，獲得控制直線電機的電壓值，循環輸入到直線電機中，實現平臺振動補償控制。
59、根據本專利技術的第四個方面，提供一種終端，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執行所述程序時可本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，其特征在于，所述根據運動平臺的運動狀態，確定運動平臺振動下的動力學模型，包括：
3.根據權利要求2所述的一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，其特征在于，將運動平臺振動下的動力學模型離散化，得到離散下的狀態空間方程，包括：
4.根據權利要求1所述的一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，其特征在于，所述利用激光傳感器對運動平臺的振動信號進行測量，考慮其測量噪聲，得到測量方程，包括：
5.根據權利要求1所述的一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，其特征在于，
6.根據權利要求5所述的一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，其特征在于，
7.一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算系統，其特征在于，包括：
8.一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償控制方法，其特征在于，包括：
9.一種終端，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，其
10.一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，其特征在于，該程序被處理器執行時可用于執行權利要求1-6、8中任一項所述的方法，或，運行權利要求7中所述的系統。
...【技術特征摘要】
1.一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，其特征在于，所述根據運動平臺的運動狀態，確定運動平臺振動下的動力學模型，包括：
3.根據權利要求2所述的一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，其特征在于，將運動平臺振動下的動力學模型離散化，得到離散下的狀態空間方程，包括：
4.根據權利要求1所述的一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，其特征在于，所述利用激光傳感器對運動平臺的振動信號進行測量，考慮其測量噪聲，得到測量方程，包括：
5.根據權利要求1所述的一種基于卡爾曼濾波的平臺振動補償計算方法，其特...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張建華，郭坤偉，凌曉，辛涵申，李浩源，
申請(專利權)人：上海大學，
類型：發明
國別省市：
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