DVD聚焦伺服系统研究

论文摘要

中国大陆的DVD（Digital Versatile Disk）播放器年产量超过8700万台,占全球总产量的80%以上。但是为了使用国外企业的专利技术,我国每出口一台DVD产品,就需要交纳至少20美元的专利费。这些技术中就包括伺服控制技术。因此,为实现光盘技术的国产化,对光盘伺服系统进行研究具有重要的理论意义和实际应用价值。为适应光盘系统向高密度、高速度方向发展的趋势,以及大规模生产的客观需要,对DVD聚焦伺服系统进行研究,包括系统建模和控制器设计两方面。在伺服系统建模方面:1、构建了基于dSpace1104系统的聚焦伺服系统试验平台,采用子空间辨识法建立了聚焦伺服系统的数学模型。2、为了将来构建适用于DVD伺服系统的自适应控制算法,研究了闭环子空间辨识方法。针对基于两步方法的闭环子空间方法计算量大、推导复杂的问题,提出了一种改进算法,该算法将两步方法与正交投影相结合,利用QR分解直接构建虚拟信号序列,并在此基础上用PI-MOESP算法辨识模型。仿真试验证明改进后的算法减小了计算量,可望实现闭环子空间算法的在线应用。在DVD聚焦伺服控制器设计方面,存在两个问题:系统中普遍存在周期性强干扰;现代DVD系统需要工作于移动环境中（如车载DVD、便携设备等）,而移动环境中存在突发性振动下扰。在抑制周期性强扰动方面:1、提出在DVD聚焦伺服系统中应用基于扰动观测器的复合控制器。利用扰动观测器在线估计扰动,并在前向通道中进行补偿,最终实现对扰动的渐近无偏抑制。但是,由于复合控制系统中存在正反馈环路,导致闭环系统的稳定性易受被控对象的动力学特性变化影响,为此提出一种基于H∞理论的控制器参数整定方法。试验验证了所提方法。2、提出在DVD聚焦伺服系统中应用重复控制器。依据内模原理,在系统环路内部构建扰动信号的模型,实现对扰动的有效抑制。但是由于重复控制器中存在时滞环节,系统的相频特性特殊,进而导致闭环系统对被控对象的不确定性敏感,因此提出一种基于H∞理论的控制器参数整定方法,有效保证系统的鲁棒性。由于重复控制器性能对扰动信号的周期不确定性敏感,提出将“高阶重复控制器”应用到DVD聚焦伺服系统中,提高了系统对扰动信号周期不确定性的鲁棒性。仿真验证了所提方法。在抑制外界振动干扰方面:提出在DVD聚焦伺服系统中应用变增益控制器。根据聚焦误差的幅值动态改变系统的开环增益,使系统在低频扰动和高频噪声的抑制方面都取得较好的效果。试验证明:该方法不仅能够有效抑制外界振动,而且不会放大光盘缺陷（指纹、灰尘、划痕等）导致的高频噪声。提出一种“非线性敏感度函数”概念,可以定量地反映系统的扰动抑制能力。试验验证了所提方法。目前,部分工作已在广东天缘电子有限公司的车载音视频产品中得到成功应用,产品已出口到美国、欧洲、日本、东南亚等国家和地区,为企业累计实现销售金额超过一亿美元。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光存储系统
• 1.1.1 光存储系统发展史
• 1.1.2 光存储系统介绍
• 1.2 光盘伺服系统
• 1.2.1 光存储系统伺服机构
• 1.2.2 光盘伺服系统研究目的
• 1.2.3 光盘伺服系统研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 DVD聚焦伺服系统建模
• 2.1 DVD系统伺服机构
• 2.1.1 音圈电机
• 2.1.2 误差信号检测机构
• 2.2 DVD伺服系统控制电路
• 2.2.1 驱动电路及聚焦误差采集电路
• 2.2.2 dSpace1104系统介绍
• 2.3 DVD聚焦伺服系统模型辨识
• 2.3.1 子空间辨识法
• 2.3.2 DVD聚焦伺服系统模型辨识
• 2.4 本章小结
• 第3章 复合控制器设计
• 3.1 复合控制器原理
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 二自由度控制器参数化规则
• 3.1.3 基于二自由度方法的控制器设计
• 3.1.4 扰动观测器
• ∞鲁棒控制'>3.2 H_∞鲁棒控制
• 3.2.1 鲁棒控制理论概述
• ∞鲁棒稳定理论'>3.2.2 H_∞鲁棒稳定理论
• ∞理论的鲁棒复合控制器设计'>3.3 基于H_∞理论的鲁棒复合控制器设计
• 3.3.1 DVD聚焦伺服系统性能指标
• 3.3.2 复合控制器设计
• 3.3.3 仿真和试验结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 重复控制器设计
• 4.1 重复控制器原理
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 重复控制器
• 4.1.3 改进型重复控制器
• 4.2 重复控制器设计
• 4.2.1 重复控制器设计
• 4.2.2 仿真结果
• 4.2.3 结论
• 4.3 重复控制器对信号周期的敏感性研究
• 4.3.1 高阶重复控制器结构
• 4.3.2 高阶重复控制系统的稳定性
• 4.3.3 高阶重复控制系统的性能
• 4.3.4 DVD聚焦伺服系统的高阶重复控制器设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 变增益控制器设计
• 5.1 非线性PID控制器
• 5.1.1 引言
• 5.1.2 MBGM-NPID控制器
• 5.1.3 基于性能指标优化的参数整定
• 5.2 变增益控制器设计
• 5.2.1 DVD聚焦系统非线性环节的建模
• 5.2.2 变增益控制器设计
• 5.2.3 稳定性及性能分析
• 5.2.4 仿真和试验结果
• 5.3 本章小结
• 第6章 基于两步方法的闭环子空间辨识算法
• 6.1 闭环辨识方法概述
• 6.2 改进的闭环子空间辨识算法
• 6.2.1 两步方法
• 6.2.2 改进的方法
• 6.2.3 算法实现
• 6.2.4 仿真试验
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果