滑模控制方法在硬盘磁头定位控制中的应用
苏子漪,肖玲斐,苏宏业,褚 健
(浙江大学工业控制国家重点实验室先进控制研究所,浙江杭州 310027)
摘要:对硬盘驱动伺服系统应用了滑模控制系统,包括采用近似时间最优控制的寻道控制及基于滑模控制的跟踪控制;为了调节系统快速到达稳态的时间并削弱抖振对于硬盘磁头系统的影响,设计了一种新的随时间变化的离散趋近律的滑模控制策略,引入二次型李亚普诺夫函数证明滑模面的到达性及渐近稳定性;通过仿真验证了该改进离散趋近律在寻道跟踪控制过程中的快速性。
关键词:硬盘驱动器;磁头控制;滑模控制;改进趋近律
引言
现今,硬盘技术的发展日趋成熟,而其中又以读写磁头的定位控制为核心技术。硬盘磁头定位包括:寻道控制与跟踪控制。寻道控制要求使磁头以最快速度从起始轨道到达期望轨道,并通过跟踪控制保持磁头准确定位于目标轨道。而硬盘数据存储容量以及磁道密度显著地增大,重复干扰大大降低了磁道跟踪的效率。因此我们希望控制性能伴随着磁道宽度和扇区的减小能相应地得到提升。
滑模变结构控制的基本思想是使得系统状态运行于滑动模态上从而使得系统参数的不确定性既未建模动态特性得以抑制[1-3]。因为一旦系统状态到达滑动模态,系统对于外干扰就有强鲁棒性。控制设计包括选取适当的滑模面及切换律以达到要求的控制目标。而对于硬盘磁头系统,滑模变结构控制更可提高系统的带宽。考虑到滑模变结构控制的特点,这种控制策略对于磁头跟踪有着良好的控制效果,不失为一种可行的方案。磁头受控在特定的超平面上滑动从而减少超调及零点振动。Weerasooriya, S.等[4]在连续时域中设计滑模控制器并应用于硬盘驱动器。Seung-Hi Lee等[5]将之扩展到离散时间系统,采用离散滑模变结构控制应用于硬盘磁头。然而离散滑模变结构控制由于趋近律的参数和采样时间的影响存在着较大的抖振,不能保证系统的渐近稳定性,从而限制了硬盘磁头的精确跟踪。翟长连等[6]于2000年提出了一种改进趋近律的滑模控制策略,文中考虑到传统的离散趋近律[1]存在较大抖振而并未使系统到达平衡点,故采用了一种时变的趋近律加以改进。然而改进的趋近律在形式上忽略了保持系统鲁棒性特点的项,本文在此基础上,对于趋近律进一步加以改善,以减小对于如硬盘控制的精确效果的影响。
本文的结构安排如下,在第二节中给出硬盘驱动器模型;第三节对音圈电机分别设计寻道控制与跟踪控制算法,其中寻道控制采用普遍应用的近似时间最优控制(PTOS)[7],跟踪控制采用本文的改进趋近律滑模控制算法;第四节给出仿真结果与讨论;最后一节是结论。
1 系统模型
硬盘驱动器由一个音圈电机(Voice CoilMotor,简称VCM),悬臂,磁性头堆,盘片及一个主轴电机组成。
若完整描述一个硬盘驱动器系统,模型阶次可能会很高[8],包括对于音圈电机,放大器,位置误差信号通道等多个部分的动态特性。忽略各种谐振,典型系统动态模型可描述如下,
寻轨后系统进入跟踪控制阶段,对于离散时间系统滑模控制,我们选取超平面系数矩阵GT=[-0.3 1],εT=0.05 及qT=0.25。图4所示为文献[6]提出的控制策略与本文改进趋近律方法得到的跟踪控制轨迹,其中实线为本文方法所得结果,虚线为文献方法所得结果。通过对比图示结果,不难发现,在同等条件下,传统的离散滑模控制校正时间较长为0.49 ms,文献报道方法的校正时间为0.23 ms,而本文提出的改进趋近律的滑模控制,校正时间得以明显缩短,达0.14 ms。
相对于传统的滑模变结构控制,本文提出方法的超调量较大,由此可以看出超调量的大小和校正时间的快慢成消涨关系,而文献[6]又更大于本文提出的改进趋近律的滑模控制,故本文所提的方法将超调量和校正时间取到了最优的临界值。
为进一步对比两种改进趋近律对于系统存在参数不确定性情况下的控制效果,我们将本文提出的滑模控制律及文献[6]报道的方法在这一情况下的输出响应反映在图5中,两种方法的超调量都较无不确定因素的情况下要大,但是本文所提方法的增幅略小,为0.084μm,文献报道方法超调量增幅为0.161μm;且调节时间虽有加长,为0.17 ms,但相比文献[6]的调节时间,后者改变量更大,达到0.32 ms。故前者较后者有着较大的优势。表1给出了跟踪控制两种方法的各项指标。
4 小结
本文针对文献中基于时变离散趋近律的滑模控制的不足,提出了一种改进的时变离散趋近律,通过使用二次型李亚普洛夫函数,证明了滑模超平面的可达性。对硬盘驱动器伺服的仿真并通过对比结果说明,采用时变的离散趋近律的滑模控制无论在控制信号或输出响应都更具有效性,且明显提高了硬盘磁头的跟踪效率,并考虑了系统的不确定性对于控制效果的影响。在寻道控制上,采用公认相对最为有效的近似时间最优控制亦达到了期望效果。将来的硬盘驱动器将进化到双级驱动伺服系统,即除了音圈电机驱动器外另加一微调电机,从而更高效地控制磁头的寻道及定位。
|
