模糊ＰＩＤ控制在納米微動臺系統中的應用

劉經宇，尹文生，朱　煜
清華大學精密儀器與機械學系摩擦學國家重點實驗室，北京

摘　　　要：針對在納米級運動控制中，傳統ＰＩＤ算法的參數配置在抑制系統運動超調、提高系統定位精度，以及保障系統穩定性等方面存在矛盾的問題，提出了將模糊自適應ＰＩＤ控制器應用于該系統的方案。并基于大量工程整定實驗，給出了針對納米量級控制特點的模糊集設置和模糊整定規則，選取了合理的ＰＩＤ參數論域取值。實驗結果表明，所設計的模糊控制器通過動態調整ＰＩＤ參數的增量，有效改善了微動臺系統的動態性能，降低了動態響應的超調，且保證了在一定擾動下系統小于±１０ｎｍ的定位精度和魯棒穩定性。驗證了模糊自適應ＰＩＤ控制方法應用于納米量級運動控制領域的有效性，以及基于實驗的模糊規則設計、論域選取方法的可行性。

關　鍵　詞：模糊自適應ＰＩＤ控制；納米級；微動臺

１　引　言
納米級微定位工作臺（微動臺）正廣泛應用于半導體加工、超精密測量、微加工裝配等納米尺度領域，它的各項技術指標已成為衡量國家高技術發展水平的重要指標之一。清華大學在取得了一維方向１０ｎｍ的定位精度的基礎上，開展了多自由度納米級微動臺的研究，設計了一個通過控制永磁磁場中４個線圈定子的電流大小和方向，產生洛侖茲力和力矩，驅動工作臺在Ｘ、Ｙ方向平移和繞Ｚ軸轉動的納米級三自由度微動臺［１］。設計要求微動臺具有極高的動態性能和穩態精度，但由于微動臺結構較為復雜，難以建立精確的數學模型指導控制器設計，且控制器的設計必須簡潔、高效，魯棒性強。傳統ＰＩＤ控制方法在抑制系統超調和保障系統定位精度之間，以及在提高系統性能和保障系統穩定性之間都存在一定矛盾，論文利用模糊自適應ＰＩＤ控制方法改善了系統的動態響應性能，有效降低了微動臺定位運動中的超調量，且保證了系統的魯棒穩定性。

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