Modeling and robust adaptive tracking control of a planar precision positioning system

Treichel, Kai GND

Precision positioning systems constitute an essential prerequisite for modern production processes in the diverse applications of micro- and nanotechnology. Associated with the control of these systems there are high demands with respect to bandwidth, accuracy, robustness and stability. The most important requirement, however, is dynamic tracking of complex reference trajectories with highest precision. To achieve these objectives, usually a good knowledge of system parameters is necessary, whereby their identification is mostly laborious and expensive. In addition, depending on the production process or plant, parameters may change with time which may endanger the achievement of these goals. From an economic perspective, it is therefore desirable that parameter identification is carried out during operation, within the control scheme. This reduces the effort for system identification and also ensures that the controller may also adapt to parametric changes. Based on this motivation, the present thesis deals with the development of an adaptive tracking control concept for the planar precision positioning system PPS1405 build by the motor manufacturer Tetra. The development and identification of detailed system models of the most important components of the PPS1405 is the foundation for this. The developed model serves firstly as a basis for model-based control design and secondly as a realistic simulation environment for testing and evaluation of the controllers designed. Furthermore, the model gives insights about the potential applicability of adaptive control which is confirmed throughout the analysis. Following this, the aspired tracking control design is based on the idea of a two-stage approach, comprising a nominal tracking controller and an adaptive augmentation exploiting ideas from $\mathcal{L}_1$ adaptive control. The latter seems promising in view of remarkable performance and robustness properties. For the adaptive tracking controller, both, state and output feedback schemes are developed, whereas in view of the available measurement signals only the output feedback scheme is implemented at the test rig. Experimental results confirm the efficiency of the proposed control scheme. It meets all specifications with regard to tracking errors and yields tracking performance that has not been obtained by any of the existing controllers so far.

Präzisionspositioniersysteme bilden eine wesentliche Grundvoraussetzung für moderne Produktionsprozesse in den vielschichtigen Anwendungen der Mikro- und Nanotechnologie. An die Regelung dieser Systeme werden hohe Anforderungen bzgl. Bandbreite, Genauigkeit, Robustheit und Stabilität gestellt. Die wichtigste Anforderung jedoch, bildet die dynamische Verfolgung komplexer Referenztrajektorien mit höchster Präzision. Zur Erreichung dieser Ziele ist zumeist eine möglichst genaue Kenntnis der wesentlichen Systemparameter erforderlich, deren Identifikation in der Regel aufwändig und teuer ist. Zudem können sich je nach Produktionsprozess oder Anlage Parameter mit der Zeit verändern, was die Erreichung dieser Ziele gefährdet. Aus betriebswirtschaftlicher Sicht ist es daher erstrebenswert, die Parameteridentifikation während des Betriebs innerhalb der Regelung durchzuführen. Dies reduziert den Aufwand bei der Systemidentifikation und stellt zudem sicher, dass die Regelung sich auch gegenüber Veränderungen anpassen kann. Aus dieser Motivation heraus beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit der Entwicklung eines adaptiven Folgeregelungskonzepts für das planare Präzisionspositioniersystem PPS1405 der Firma Tetra. Die Grundlage hierfür bildet die Entwicklung sowie die Identifikation detaillierter Systemmodelle der wesentlichen Komponenten des PPS1405. Das entwickelte Modell dient zum einen als Grundlage für modellbasierte Regelungsentwürfe und zum anderen als realistische Simulationsumgebung zur Erprobung und Bewertung dieser Verfahren. Aufbauend darauf, basiert der angestrebte Folgeregelungsentwurf auf der Idee eines zweistufigen Ansatzes, bestehend aus einem nominellen Folgeregler und einer adaptiven Erweiterung mittels L1 adaptiver Regelung. Letztere erscheint im Hinblick auf herausragenden Performance- und Robustheitseigenschaften vielversprechend. Für die adaptive Folgeregelung werden sowohl Ansätze für Zustands- als auch Ausgangsrückführungen entwickelt, wobei aufgrund der zur Verfügung stehenden Messsignale nur letztere am Versuchsstand implementiert werden. Experimentelle Ergebnisse bestätigen die Leistungsfähigkeit der entwickelten Regelung. Diese erfüllt alle gestellten Anforderungen hinsichtlich der Positionsabweichung und erzielt Regelgüten, die mit existierenden Reglern bisher nicht erreicht wurden.

Zitieren

Zitierform:

Treichel, Kai: Modeling and robust adaptive tracking control of a planar precision positioning system. Ilmenau 2018.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export