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微硬盘伺服系统的跟踪控制 摘要 微硬盘正朝着体积小，容量大的方向发展，这对磁头的定位精度提出了较高的要求，为 此研究微硬盘伺服系统的跟踪控制提高其控制性能是十分必要的基于此，本文就单级控制 及双级控制问题，展开理论分析和数值实验研究主要研究工作如下： 首先，为了减少微硬盘伺服系统中磁头定位时问，在已有一种描述该系统的时变线性系 统的基础上，探讨其跟踪控制方案依据线性系统理论设计降阶观测器及相应的控制器，并 以l y a p u n o v 稳定性理论及线性矩阵不等式为基础，分析系统的稳定性将所设计的控制器 和相关的控制器进行比较分析，数值实验表明，该控制器能使磁头较快跟踪到指定的参考信 号 其次，探讨微硬盘伺服系统的扰动衰减问题在此，在已有时变线性系统中引入随机扰 动项，提出非线性全阶观测器和相应含有饱和项的反馈控制器，应用j 线性稳定性理论，分 析系统在所设计的控制器作用下的全局一致毕竟有界实验上，将所设计控制器用于多种类 型扰动下的系统，结果表明，磁头在控制器作用下，磁头快速进入并保持在指定磁道所容许 范围内，扰动衰减速度快 再次，鉴于微硬盘支架共振现象较严重，单级控制较难使磁头有较高的读写精度，针对 微硬盘双级伺服系统，考虑其观测器及控制器设计在此控制器设计中引入可调参数，使微 型驱动器的控制输出对音圈马达的跟踪误差进行有效的补偿，利用l y a p u n o v 稳定性理论及 线性矩阵不等式，分析控制系统的稳定性数值实验表明，所设计控制器使磁头总输出能较 准确地跟踪指定参考信号，与单级控制效果相比，其跟踪速度快、定位精度高、噪声衰减能 力强 最后，鉴于神经网络具有非线性逼近能力和对控制系统的在线控制能力，尝试利用神经 网络研究微硬盘的双级控制问题首先，利用神经网络对驱动器的模型进行辨识；其次，利 用遗传算法确定p i d 控制器网络中初始权值及学习率；最后将所得控制器应用于微硬盘双级 伺服系统进行测试实验结果表明微型驱动器的控制输出能对音圈马达的跟踪误差实行有 效的补偿，而且论证了设计的控制方案的合理性 关键词：微硬盘伺服系统，跟踪控制，线性矩阵不等式，稳定性，扰动衰减 t r a c k i n gc o n t r o lo f m i c r oh a r dd i s ks e r v os y s t e m a b s t r a c t m i c r oh a r dd i s ki sd e v e l o p i n gt o w a r ds m a l lv o l u m ea n db i gc a p a b i l i t y , w h i c hr e s u l t si nh i 曲 r m 和i s i l i o nf o rt h ep o s i t i n gp r e c i s i o no fs h d c rh e a d t h e r e f o r e ，i ti sn a l s a f yt oi n v e s t i g a t e t r a c k i n gc e n l r o lo fm i c r oh a r dd i s ks e r v os y s t e m8 0 勰t oe n h a n c ei 协e o n t r o lp e r f o r m a n c e 1 1 l i s u r g e su st os t u d yt w oi m p o r t a n tc o n t r o lp r o b l e m s ：s i n g l e - s t a g ec o n t r o la n dd u a l - s t a g ec o n t r o l ，i n w h i c ht h e i rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a le x p e r i m e n t s 涨c o n s i d e r e d m a i nr e s e a r c hw o r ki s s u m m e du pa sf o l l o w s ： 丸h o r d e r t o d o 口黼船p o s i t i n g t i m e o f t h e s l i d e r h e a d i n t h e m i c r o h a r d d i s k s e , f v os y s t c i n 。a t r a c k m gc o n t r o ls c h e m ei sb u i l tu p o nt h ee x i s t i n gt i m e - v a r i a n tl i n e a rs y s t e mt od e s c r i b et h es c r v o s y s t e m i nt h i sr e s e a r c h ，ar e d u c e do r d e ro b s e r v e ra n di t sc o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e di n t e r m so fl y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r ya n dl i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y , a n da c c o r d i n g l y , t h es t a b i l i t yo f t h es y s t e mj sa c h i e v e d t h ec e n t r e lp e r f o r m a n c ei sc o m p a r e dt ot h o s eo f o t h e rr e l e r a n tc o n t r o l l e r s t h r o u g hn u m e r i c a le x p e r i m e o t s mr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o l l e rc a ns t e pu pt h e s l i d e rh e a dt ot r a c kt h eg i v e nr e f e r e n c es i g n a l b s t u d yt h ep r o b l e mo f d i s t u r b a n c ea t t e n u a t i o nf o rt h em i c r oh a r dd i s ks e r v os y s t e ma s s o c i a t e d t ot h ee x i s t i n gt i m e - v a r i a n tl i n e a rs y s t e mw i t hs t o c h a s t i cd i s t u r b a n c e t h i si ss o l v e dt h r o u g h d e s i g n i n gan o n l i n e a ro b s e r v e ra n dc o r r e s p o n d i n gf e e d b a c kc o n t r o l l e rw i t hs a t u r a t i o nf u n c t i o n d e p e n d i n gl l p o nn o n l i n e a rs t a b i l i t yt h e o r y , t h es y s t e mi sg l o b a l l yu n i f o r m l yu l t i m a t eb o u n d e x p e r i m e n t a l l y , t h ec o n t r o l l e ri se x a m i n e db yu s i n gm u l l i p l ed i s t u r b a n c ef u n c t i o n s ，n u m e r i c a l e x p e r i m e n t ss h o wt h a tw i t ht h ec o n t r o l l e rt h es l i d e rh e a dc a l lm p i d l yt r a c kt h e r e f e r e n c es i g n a la n d m a i n t a i ni tw i t h i n a d m i s s i b l es c o p eo ft h es p e c i f i ct r a c k , w h i l ed i s t u r b a n c ea t t e n u a t i o ng a l lb e a c h i e v e dr a p i d l y c s i n g l e - s t a g ec o n t r o li sd i f f i c u l tt om a k et h es l i d e rh e a da c h i e v eh i g hr e a d w r i t ep r e c i s i o n ，d u e t os e v a er e $ o n a o c eo f e - b l o c ki nt h em i c r oh a r dd i s k ，c o n s e q u e n t l y , d u a l s t a g ec o n t r o li ss t u d i e d f o rt h em i c r oh a r ds a v os y s t e mi nw h i c ht h em a i nw o r ki sl dd e s i g na oo b s e r v e ra n d c o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l e r i nd e s i g no f t h ec o n t r o l l e r , a l la d j u s t a b l ec o n t r o lp a r a m e t e ri si n t r o d u c e d t oe o s t l l _ et h a tt h eo u t p u to ft h em i e r o a e t u a t o r sc o n t r o l l e rc a ne f f e c t i v e l yc o m p e n s a t et h et r a c k i n g e n _ 0 ro ft h ev o i c ec e i lm o t o r i nt e r m so fl y a p u n o vs t a b i l i t ya n dl i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y , t h e s t a b i l i t yo ft h es y s t e mi s s a t i s f i e d n u m e a i c a le x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，w h i l ec o m p a r e dt ot h e c o n t r o le f f e c ti nt h e s eo fs i n g l e - s t a g ec o n t r 0 1 t h et o t a lo u t p u to ft h es l i d e rh e a dc a l lr a p i d l y t r a c kt h eg i v e nr e f e r e n c es i g n a lw i t hh i g hp o s i t i n gp r e c i s i o na n ds t r o n gn o i s ya t t e n u a t i o n d c o n s i d e r i n gt h a tn e u r a ln e t w o r kh a st h ec a p a b i l i t i e so fn o n l i n e a ra p p r o x i m a t i o na n do n l i n e c o n t r o l ，t h ed i s s e r t a t i o na t t e m p t st ou t i l i z eh e m a ln e t w o r k st oc o p ew i t hd u a l s t a g ec o n t r o lo ft h e m i c r oh a r dd i s k 龀椰s y s t e m 1 km a t h e m a t i c a lm o d e l so f t h ea e t t m t o l m i c r o a c a m t o ra n dv o i c e c o i lm o t o r , a r ci d e n t i f l e db ym l x l l l so ft h en e u f a ln e t w o r k s a n df l m e rt h ec o n t r o l l e rf o re a c ho f t h ea c t u a t o r si sd e s i g n e db yt h ep i dc o n t r o l l e rn e t w o r kf o rw h i c hi n i t i a lw e i g h t sa n di t sl e a r n i n g m t ea d e t e r m i n e db yt h eg e n e t i ca l g o r i t h mw i t he l i t i s m o nt h eo t h e rh a n d , t h ec o n t r o l l e r sa r e a p p l i e dt ot h em i c r od i s kd u a l - s t a g e - - r v os y s t e mt h r o u g hn u m e r i c a le x p e r i m e n t s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eo u t p u to ft h ec o n t r o l l e rf u rt h em i c r o a c m a t o rc c o m p e n s a t et h et r a c k - f o l l o w i n g e r r o ro ft h ev o i c ec o i lm o t o r , w h i c ha l s od e m o n s l r a t e at h er e a s o n a b i l i t yo ft h ed e s i g n e dc o n t r o l n s c h e m e k e yw o r d s ：m i c r oh a r dd i s ks e f v os y s t e m , t r a c k i n gc o n t r o l ，i i n e e fm a t r i xi n e q u a l i t y , s t a b i l i t y , d i s t u r b a n c ea t t e n u a t i o n i l l 附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创- i 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：簦查煎 e l 期：! q q 笪月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 髁密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：坳 导师签名：g 碰薹生e t 期：2 q q l 整旦 第一章绪论 1 - l 研究背景 硬盘驱动器是现代计算机系统中不可缺少的存储设备，与其它存储设备，如软盘、光盘 等相比，硬盘驱动器具有存储容量大、存取速度快等优点，因而被广泛应用于各类计算机系 统中硬盘的结构如图( 1 ) ”所示。在其密封的外壳内部，通常会有多个相互平行的盘片。 盘片的两个表面都覆盖有特殊的磁敏感材料，数据就是记录在这些磁性材料上的，盘片的 上方配有读写磁头，当硬盘开始工作时。盘片的转速是固定的，目前市场上见到的硬盘大 部分是7 2 0 0 r m i n 。当盘片在磁头下方经过时，磁头会根据电磁感应的原理读出和写入数据 读写磁头是固定在硬盘驱动臂上的，磁头的定位和驱动是由音圈马达电机( v c m ：v o i c ec o i l m o t o r ) 控制驱动臂来实现的主要完成两方面功能：一方面是磁道寻找，意指用有界的控 制输入控制驱动臂使磁头较快的到达指定的磁道另一方面是磁道跟随，其指控制磁头使其 在目标磁道上保持并进行准确的读写，这两方面便是实现硬盘伺服系统控制的目的 f i t , - 1 m - _ 衅l i cd i k h d ww i t hd u a l - * 呻a c t u a t o r 伺服控制作为增加硬盘驱动器的存储容量和存取速度的关键问题之一，受到大部分研究 者的关注微硬盘是比台式计算机中的硬盘小数百甚至数千倍的微型硬盘。具有应用广， 易携带等优点对微硬盘伺服系统控制器设计常基于如下两种数学模型，一是基于经典控 制理论的传递函数描述的数学模型“”，另一种是基于现代控制理论的状态空间描述的数学模 型前者控制算法复杂，理论性强，可使被控系统呈现较强鲁棒性和抗干扰能力后者设计 简单，可以分析系统的各状态，研究者们针对不同的数学模型，提出了相应的控制器设计 在微硬盘实际系统中，磁头读写常受到各种扰动因素的影响，扰动类型常被分为两类： 一类为重复性扰动，常由磁道离心率、轴承磨损、盘片滑动、主轴倾斜等引起另一类为非 重复性扰动，常由机械共振、外部的撞击、盘片的转动产生的气流等产生1 扰动因素作为 影响磁头定位精度的主要因素之一，在控制器设计过程中，必须考虑其扰动衰减能力可以 通过建立扰动观测器进行控制器设计来达到衰减扰动“，或利用现代控制理论设计鲁棒性较 强的控制器8 ”减少扰动的影响 近四十年来，微硬盘驱动器作为飞速发展的计算机技术的一部分，无论在容量或速度 上，都取得了惊人的进展硬盘容量已从最初的5 m 发展到现在最高1 0 0 6 以上，其发展速度 还在不断加快，这意味着存储密度在不断提高，进而需要对磁头实行更为精确的控制而 传统的音圈马达控制，由于e - 支架和驱动臂间的多重结构共振，限制了带宽的增加而微硬 盘双级伺服控制系统由于所具有的特殊结构，即将v c 2 v l 作为一级粗定位驱动器进行寻道， 另在其上附加二级精确定位微型驱动器。1 ( i d a ：m i c r o a c m a m r ) 使磁头快速的定位，准确 地跟踪，提高系统的带宽，有效的抑制各种扰动的影响根据微型驱动器在驱动机构中的 位置和电机能量转换方式的不同，分为微机械驱动器”( m e m s ：m i c r oe l e c t r o - m e c h a n i c a l a c t u a t o r ) 和压电驱动器( p z r ：p i e z o e l e c 打i cm i c r o a c t u a t o r ) ，微机械驱动器的驱动磁场太 靠近磁头，影响磁头进行准确的读写，而压电驱动器由于自身结构优点备受关注，即微型 压电驱动器位于驱动臂和磁头之间，不会受到e - 支架和驱动臂问各谐振的影响，可使v c m 与p z - r 相互合作，有效提高磁头定位精度，改进磁头的跟踪效果 1 2 研究目的和意义 随着微硬盘产业的不断发展，为了满足电子产品市场的需求，对微硬盘伺服系统的单、 双级控制问题进行深入研究，不仅对微埂盘控制技术的发展是必要的，而且对信息技术的开 发也具有一定意义 由于微便盘伺服系统”1 中，仅有磁头的位置输出是可测的，因此，对其控制器的设计 极具挑战性为此。本文从微硬盘伺服系统的基本模型出发，对微硬盘伺服系统在非噪声干 扰和噪声干扰的不同情形展开一系列的控制器设计、理论分析和数值实验研究，获得了一定 的理论结果和相应的控制技术，所获结果有助于推动微硬盘控制技术发展；同时，所获控制 技术对微硬盘产业技术开发也具有一定的参考价值 1 3 微硬盘伺服控制系统的研究概述 微硬盘伺服系统的研究是一种跨学科的交叉领域的研究工作。对此系统的研究需要设 计快速运行的控制算法或鲁棒闭环伺服控制器本节将对微硬盘伺服系统的单、双级控制方 法作一简要的概括 对于硬盘伺服系统的控制器设计的起源可追溯到第一个硬盘驱动器一计算机随机存取 法一即i b m 在1 9 5 6 年推出的产品从那以后的5 0 多年里，各种各样的革新引起硬盘驱动器 控制技术的不断改进，硬盘驱动器大容量小尺寸的诸多进展都是通过对读写磁头的改进及 对其实现有效控制的结果，而控制器设计作为一个主要的决定性因素，大量的控制方法已 被提出来满足系统所要求的各种性能主要的控制方法有从传统的p i d 控制、后滞补偿器、 带阻滤波器和扰动观测器到先进的控制技术，如：自适应控制”、线性二次高斯回路传递恢 复方法、鲁棒和完美跟踪控制技术“、模型转换控制1 及复合非线性状态反馈控制”1 等 尽管这些控制方法对微硬盘伺服系统中磁头跟踪效果有明显的改进，但磁头定位的高精度 要求对微硬盘的控制提出了更高的挑战，为此导致微硬盘伺服系统的双级控制研究，此方 面的控制方法主要有灵敏度解耦设计方法“1 、主从设计。“、混合h h 。设计方法“”等，以 及一些先进的控制理论方法的应用，如滑模控制。“、神经网络控制等具体的控制器设计 方法如下： 1 3 1 微硬盘单级控制方法概述 对于微硬盘伺服系统单级控制方法主要有：1 9 8 7 年，w o r k e r m a n 等人提出将近似时间最 2 优控制技术( p t o s ：p r o x i m a t ef i m e ，- o p f i m a ! s e r v o m o c h a n i s m ) 用于磁头定位”，将滞后补 偿器与p i d 控制器用于磁道跟随，同时加入一些带阻滤波器来减少高频共振但在此类设计 方法中，由于磁头跟随速度和输出超调量之间需寻求折中，使得当驱动臂推动磁头速度太 快，将使磁头输出产生较大的超调：另外，系统中的非线性因素及驱动器本身固有的特性， 例如：电压和电流限制，噪声和扰动等，使传统的p i d 控制器很难满足微硬盘日益增长的精 度要求针对以上p i d 控制的不足之处；2 0 0 1 年，g o b ”等人提出鲁棒及完美跟踪控制方法 ( r p t ：r o b u s ta n dp 疵tt r a c k i n gc o n t r 0 1 ) ，该方法与传统p i d 控制相比，它能提供一个较好 控制效果；其具有简单的一阶控制结构，能利用与实际系统相关信息，并通过不断试验， 获取控制器中参数，使得跟踪时间及超调量都比p i d 控制器效果好而后2 0 0 3 年， b e n m c h e n 等人。提出复合非线性反馈控制器”( c n f ：c o m p o m t en o n l i n e a rf e e d b a c kc o n t r 0 1 ) 、模 型转换控制器( m s c ：m o d es w i t c h i n gc o n t r 0 1 ) 1 等在c n f 的设计中，引入关于系统输出和 参考输入的非线性函数，微调线性反馈控制器的控制效果m s c 将p t o s 用于磁头的定位， 将自适应控制或重复性控制等一些方法用于磁头的跟随，目的在于尽量减小因模型间转换而 给系统带来的震动针对模型转换控制中的不足之处，l i 和t o m i z u k a 。1 对磁头的定位与 跟随操作提出两自由度( 2 - d o f ：t w od e g r e e o f f r e e d o mc o n t r 0 1 ) 控制技术，避免了模型转换 的必要尽管该控制器设计对系统中扰动是鲁棒的，但它要求应用扰动观测器来衰减磁道 偏离所致的扰动与此同时，一些先进的控制技术也被应用于微硬盘伺服系统的单级控制， 例如：c h e n 等人提出的自适应控制；c h a n g 等人提出带回路传递函数恢复的线性二次高斯 方法( l q g l t r ：l i n e a rq u a d r a t i cg a u s s i a nw i t hl o o pr e c o v e r ya p p r o a c h ) | 9 h 4 1 1 ) 该方法后被 m a c i e j o w s k i 。1 扩展到离散型l q g l t r ，还有h i r a t a “基于频域中带宽和稳定裕度的特点， 应用现代凰控制方法控制磁头位置，但此系统中有两个极点趋于零点，使得混合灵敏度不 能直接求解，必须对控制器特殊化处理来解决，这使得对实际系统的控制效果不理想 针对微硬盘单级控制系统中不确定扰动因素对磁头定位精度的影响，对噪声进行抑制 的不同方法被提出，主要有滑模控制。“、学习控制“、自适应控制。”、自适应学习控制 及内模控制“等针对不同类型的扰动，研究者们分别采用了不同的控制方法主要有内 膜控制“来处理重复性扰动，但此控制中用的是零相位误差跟踪控制器( z p e t c ：z 哪p h a s e e 鲫t r a c k i n gc o n t r o l l e r ) ，其只能衰减基本频率的重复性扰动为了获得较高的跟踪密度， 必须考虑非重复性扰动关于此，在1 9 9 7 年，g u o 提出应用z p e t c 的重复控制器“”，在此设 计过程中，需要设定灵敏度方程，但约束条件较多。很难设定在1 9 9 8 年，l i 和t s a o 提出 了用结构奇异值来分析和处理各扰动”“，他在控制系统鲁棒性和磁头跟踪效果间提出一种 折中方法，将问题描述为一个优化问题，使其既可处理重复性又可处理非重复性扰动为了 进一步改进鲁棒性。他们又提出了两参数熏复控制器“，通过增加一个自由度来处理非重 复性扰动 1 3 2 微硬盘双级控翻方法概述 随着信息技术的快速发展，微型大容量成为硬盘技术发展的必然趋势：传统v c m 控制 远不能满足高密度硬盘磁头定位精度的要求，因此工业界和学术界开始研究和开发微硬盘 双级伺服系统关于此方面研究，目前已有一些控制方法被提出，主要被分为两类，第一类 3 以解耦方法或一系列单输入单输出设计方法为基础进行控制器设计。例如：主从设计“1 、解 耦设计和p q 方法1 等另一类，以现代最优设计方法为基础进行控制器设计，例如：线 性二次高斯设计法l q g l t r “、 u 合成“1 、混合届位“”等 在这些控制器中，主从设计是以一种传统的主从结构为基础，将磁头的总输出误差前馈 入m a 内，通过微型驱动器对总输出误差进行有效的补偿，同时使v c l i 与m a 串联，防止v 叫 出现饱和现象解耦设计与主从设计相似。与其不同的是将驵a 的输出与磁头总输出误差的 和前馈入v o i ，使得整个系统的灵敏度为每一个控制回路灵敏度的乘积，这样可以分别进行 控制器设计但以上两种方法都将用到m a 的输出，如果传感器测不到，必须根据模型进 行估计在第二类方法的u 合成中，u 为结构奇异值，即系统将受到多人的干扰使其变得不 稳定的一种度量值，此设计根据闭环系统传递函数的h 。范数( 与p 有关) 判断系统鲁棒性， 通过迭代程序来不断减小u 由于系统中引入噪声扰动模型和权重豳数，导致控制系统阶 数较高，在实际中不易实现混合馒仉“”方法是一种多输入多输出设计方法，该方法将 磁头跟踪效果转化成关于届范数的最优化问题，将系统的稳定性和鲁棒性以服范数形式表 示，此方法涉及了较为复杂的算法，使得系统的实现存在一定困难，但鲁棒性较好目前， 国内关于微硬盘伺服系统的研究比较少，主要有2 0 0 4 年，两级驱动系统的鲁棒控制实现， 该研究将v c m 的输出前馈入m a 的输入，利用m a 的快速性，减少v c m 的跟踪误差，但 此设计过程中忽略了系统间的耦合影响另外，还有硬盘悬臂结构的振动主动控制研究“1 ， 用主动控制的控制方法对硬盘驱动臂进行振动控制，利用压电驱动器作为传感器和驱动器， 用有限元软件对它的位置和驱动能力进行优化和比较，利用盟鲁棒控制方法设计鲁棒控制 器，所得控制器呈现较好的鲁棒性 国外对微硬盘伺服控制系统的研究已逐渐趋于成熟，国内正处于起步阶段由于硬盘在 计算机产业中的重要地位，因而建立我国的微硬盘产业，开展微硬盘控制技术的研究，已 经是势在必行 1 4 本文研究的主要内容 本文对微硬盘伺服系统中存在的一些问题进行了探讨，获得一些控制方案主要研究内 容有以下几个方面： ( 一) 基于微硬盘线性时变系统，考虑降阶观测器及控制器设计，从理论和实验上分析该 控制系统的稳定性及所设计控制器控制性能 ( - - ) 针对实际微硬盘系统中的扰动因素，建立随机扰动下系统的观测器和含有饱和项的 控制器理论上，证明其全局一致毕竟有界性：实验上，验证扰动衰减能力 ( 三) 考虑到微硬盘双级伺服系统中仅有磁头总输出可测，建立其观测器及含参数控制器， 使两系统相互协作，改进磁头跟踪效果理论上，证明此控制系统稳定性；实验 上，验证双级控制下的磁头跟踪效果明显优于单级控制，并具有较好的鲁棒性 ( 四) 针对微硬盘双级伺服系统中非线性特性，提出基于神经网络的双级伺服系统在线跟 踪控制方案首先，应用神经网络对系统模型进行辨识，再根据辨识模型的输出估 计建立神经网络控制器，使其对双级系统实行有效的控制 4 第二章微硬盘线性时变系统的降阶观测器与控制器 文献p 1 针对微硬盘伺服系统呈现出的扰动现象，综合考虑了磁头支架的转动角度，提出 了时变线性模型，并探讨了其全阶观测器及跟踪控制器本章基于此模型，为了提高磁头读 写速度，减少其寻道时间，设计降阶观测器和相应的的反馈控制器：理论上，利用l y a p u n o v 稳定性理论及线性矩阵不等式技术，分析控制系统的稳定性；实验上，比较和分析本文的 控制器和相关的控制器控制音圈马达驱动器的的性能，仿真结果知该系统在所设计控制器的 作用下，磁头输出跟踪参考信号速度快 2 1 模型基本描述 微硬盘伺服系统中磁头读写主要靠音圈马达驱动器的驱动来完成，该驱动器的状态响应 基本模型为【6 1 ：生“ ( 2 1 ) ，4 其中k ，为扭矩常量，以是惯量常量，y 为磁头的输出，u 为系统的控制输入电压由于磁 头在实际运动中，常受到各种扰动因素的影响，即摩擦力，惯性力和气流等，因此以上模型 在高频时存在模拟偏差考虑到磁头多方面的影响因素，文献 3 1 获得线性时变系统模型为 j ；：2 “+ ( 盯+ ( f ) ) 矿 。- ( 2 2 ) 每= 渖+ ：9 f 其中， o ， 则 旷f x 参v 1 ) 7 ca 7 p + p a + 2 m 占2p r p + g i ) ( l z ， ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 从而由式( 2 1 0 ) 和( 2 1 4 ) 可得矿o ，进而由l y a p u n o v 稳定性定理，获结论成立 注：在实际应用中。控制输入( f ) 存在着饱和情况，本文选取k ( f ) i 3 ，当” 3 时，取= 3 ； 当 0 ，r = l ( 2 1 7 ) 显然，式( 2 1 5 ) ，( 2 1 6 ) 的区别在于，c n f 主要是增加了含可调参数旯的非线性项( 但 r f c 与c n f 中，的获取途径不同，式( 2 1 5 ) 中，满足式( 2 1 0 ) ，此容易获取，而式( 2 1 3 ) 中的f 需使得彳+ b f 具有负实部特征值， 同时满足1 中( 6 9 ) 式，此条件较难满足) 将 r f c 与c n f 应用于系统( 2 3 ) ( 此时( f ) 为o ) ， 通过仿真可知，在式( 2 1 7 ) 中，当五 1 0 - 6 时，c n f 中的非线性项对系统( 2 1 ) 有较大影 响，此时的磁道跟踪效果不如r f c 好；而当 五 1 0 - 6 时，c n f 的非线性项对系统( 2 3 ) 的影响 图2 1丑变化及输出曲线 很小，此时的非线性项微调功能几乎未发生作用 f i g 2 1 o u t p u tc u r v c $ w i t hv a r i a b l e , 2 如图2 1 ：当旯= 0 时，c n f 的非线性项未发生作用，此时若配置相同的极点和相同的观 测增益，所需的条件都得到满足时，( 2 1 5 ) 与( 2 1 6 ) 属于相同控制器 即c n f 在控制定常系 统( 2 3 ) 的性能上，当a o 时，与r f c 配置相同的极点和相同的观测增益时，所获效果与 r f c 相似，这表明c n f 中非线性项对于改善系统的控制性能的优势不明显，而r f c 设计简 单，易于应用 ( 2 ) 时变系统的跟踪控制 选取p ( t ) = 5 s i n ( t ) 一c o s ( 2 f ) 一c o s ( 3 t ) 分析控制器( 2 1 1 ) 对于时变线性系统( 2 3 ) 的控制性能当寻道长分别取1 a n ，5 0 a n ，3 0 0 a n 时， 所获相应情形下，输入输出曲 线如图2 2 所示经仿真得知，系统( 2 3 ) 在控制器 “= f 妙石一置r y ) r tj 一三【o ( f ) 】( 以一k 。，) ( 2 1 8 ) a 的作用下，磁头进入磁道所在区域的首达时间，跟踪到指定磁道的时间分别为0 1 9 m s 、 0 2 2 榭：】2 7 榭、1 5 6 郴：3 0 7 m s 、3 5 5 舢；当寻道长为3 0 0 a n 时，磁头运 动曲线的上升时间为3 8 9 m s ，微小超调量为0 1 2 ，调节时间为1 1 8 m s 8 3 2 1 言。 一1 2 - 3 1 m 一5 0 m 02 圈2 5r f c 用于模塑( 3 ) 所获得输出及输入曲线 f i g 2 2 o u t p u ta n di n p u tc u r v e so b t a i n e db ys y s t e m ( 3 ) w i t hr f c 8 ( 3 ) 随机扰动下的跟踪控制 为了测试r f c 对随机扰动的衰减能力，针对不同的磁道跟踪，相应地增加随机扰动项6 ， 分析不确定因素对系统( 2 3 ) 的性能影响，( f ) 的选取同上情形如下： s l = i z m ：取n = ( o ，5 伽| o o 毛，5 0 0 0 k , ) 。 s l = 5 0 z , n ：取n = ( o ，6 0 0 k l ，5 0 0 0 0 以) 1 s l = 3 0 0 1 a n ：取n = ( 0 ，6 0 0 0 毛，5 0 0 0 0 k ) 7 其中k l ，k 2 服从n ( o ，1 ) 正态分布当取寻道长分别为l z m 、5 0 z m 、3 0 0 a n 时，所获相应 情形下，输入输出曲线如图2 3 所示磁头进入指定磁道所在区域的首达时间，跟踪到指 定磁道的时间分别为0 1 9 ，船、0 2 2 ，馏；1 2 7 m s 、1 9 0 m s ：3 0 7 m s 、3 5 0 m s ； 当寻道长为3 0 0 b i n 时，磁头运动曲线的上升时阃为3 6 4 m 8 ，调节时问为1 9 6 m s ，超 调量为0 3 9 由此可以看出，当扰动的界小于一定范围时，噪声对系统没有什么影响， 故具有一定的扰动衰减能力 i = 器 l f = 塑 图2 3r f c 用于台随机扰动系统时所获得输出与输入曲线 p g 2 3 o u t p u ta n di n p u tt i n v e i la c q u i r e db yt h es y s t e mw i t l is t o c h a s t i cd i s t u r b a n c et h r o u g hr f c 2 4 小绪 为了提高磁头的跟踪速度及定位精度，基于已有文献的时变线性模型，建立降阶观测器 和相应的控制器理论上论证了系统在所设计的控制器作用下，控制系统的磁头能达到渐近 跟踪；实验上，检测了系统的跟踪速度和磁头的定位精度，并将r f c 与c n f 应用于系统( 2 1 ) 9 进行了比较，获得r f c 优于c n f ；最后将r f c 应用于时变线性系统及含