现代控制理论大作业.docx

1、现代控制理论大作业分类号：TH89 单位代码：10110 学 号：中 北 大 学综 合 调 研 报 告题 目: 磁盘驱动器读写磁头的定位控制 系 别: 计算机科学与控制工程学院 专业年级: 电气工程与智能控制2014级 姓 名: 何雨 贾晨凌 朱雨薇 贾凯 张钊中 袁航 学 号: 14070541 39/03/04/16/33/47 指导教师: 靳鸿 教授 崔建峰 讲师 2017年5月7日摘 要硬盘驱动器作为当今信息时代不可缺少的存储设备，在人们日常生活中正扮演着越来越重要的角色，同时它也成为信息时代科学技术飞速发展的助推器。然而，随着信息量的日益增长，人们对硬盘驱动器存储容量的要求越来越高。

2、但另一方面由于传统硬盘驱动器的低带宽、低定位精度，导致磁头很难准确地定位在目标磁道中心位置，从而限制了存储容量的持续增加。自IBM公司于1956年向全球展示第一台磁盘存储系统R.AMAC以来，随着存储介质、磁头、电机和半导体芯片等相关技术的不断发展，硬盘的存储容量成倍增长、读写速度不断提高。要保证可靠的读写性能，盘片的转速控制和磁头的定位控制问题具有重要意义。其中磁头的定位控制主要包括寻道控制与定位跟踪控制两个问题，如PID控制、自适应控制、模态切换控制等，这些控制方法大大提高了硬盘磁头伺服系统的性能。为达到更高的精度，磁头双级驱动模型成近年的研究热点，多种控制策略已有相关报道，但目前仍处于实

3、验水平。关键词： 磁盘驱动器；磁头；定位；控制AbstractHard disk drive (HDD), acted as requisite storage equipment in current information age,plays a more and more vital role in peoples daily life, and it becomes a roll booster in rapid development of science and technology. However, with the increase of information capaci

4、ty, we put forward a severe request for HDD data storage capacity. Unfortunately, due to the low bandwidth, low positioning accuracy in conventional HDD, magnetic head is hard to be positioned onto the destination track center, thus it limits the continuing increase in storage capacity.Since IBM bro

5、ught the first disk-the random access memory accounting machine(RAMAC) to market in 1956, the storage capacity and read/write speed have continuously increased along with the development of the techniques of media,read/write head, actuators and semiconducting chips. The problems of R/W heads settlin

6、g control is definitely important in order to ensure the reliability of read and write performance. Track seeking and track following are two main stages of the hard disk servo system. Researchers have developed kinds of control strategies to implement the servo control from PID control to advanced

7、control methods.Dual-stage actuator has attracted many researchers and engineers for its broaderbandwidth compared with single-stage actuator.Key Words：Hard Disk Drive;Heads; Location; Control第1章 磁盘驱动器的介绍自上世纪50年代计算机发明以来，随着科技的进步，软硬件技术都获得了相当大的发展。目前无论日常生活还是工作学习，计算机正扮演着越来越重要的角色。相对于基本遵循了摩尔定律不断更新的芯片技术，计算机

8、中的数据存储器硬盘也在容量和速度上不断突破，这对磁头的控制问题提出了更高的要求。本章简要介绍硬盘驱动器的基本结构以和硬盘驱动器控制的发展与现状1。 我们通常看到的个人计算机中的硬盘驱动器为一密封的金属容器，其内部主要由盘片机构和磁头机构两部分组成。数据记录在盘片表面的磁敏感材料上，一个或数个盘片层叠固定在盘片电机主轴上。每一盘面都配有相应的读写磁头，多个磁头和其悬臂层叠组合成为磁头组并固定在其中部的磁头主轴上。硬盘工作时，盘片在电机驱动下作恒定的高速运转，音圈电机带动磁头在盘片上方移动以寻找数据所在磁道并以允许偏离误差跟踪在其上方;当数据所在磁道经过读写磁头，磁头根据电磁感应原理读取或写入数据

9、。这是一系列复杂且微妙的控制动作，通过本章节的介绍，对于硬盘结构和磁头控制将会有一个较为清晰的概念。1.1 硬盘驱动器结构 图1.1所示，为一个典型的硬盘驱动器内部结构，其中磁头组件包括音圈电机(voice-coil motor，VCM)，一组磁头悬臂和读写磁头;盘片组件包括一组盘片和一个主轴电机。在盘面上有数以千计按同心圆划分的数据磁道，磁头距盘片大约为10-8um的数量级，并可沿盘片平面作径向运动。本节将简要介绍硬盘驱动器的组成2。图1.1硬盘驱动器内部结构1.1.1 盘片与磁介质数据按等距的同心圆以两种模态存储于盘片的磁介质上，但存储密度的大小由多种性质决定。物理性质的主要影响包括磁性介

10、质上偶极子的大小和同一性，磁化方向以和磁介质的矫顽性和温度稳定性等，这些都决定于磁介质材料和加工工艺。另一方面，为提高存储容量，盘片表面被划分为更多的磁道，相邻存储单元的间距也更小，因此在硬盘技术发展过程中介于磁头和盘片上磁介质之间的磁场不断被减弱以避免干扰。此时磁头在磁盘上某一较小区域进行的读取或写入操作密度取决于磁头和磁性盘片间的距离，即通常所说的航高(flying height)航高越小，读写区域越精确。但是，随着航高的减小，物理性质如盘片表面镀层的厚度等仍将成为主要影响读写精度的因素。硬盘盘片的直径从最初的14英寸发展到8英寸，后又缩小至5.25英寸，3.5英寸，2.5英寸或更小，已成

11、为硬盘规格的主要参数之一。盘片面积的减小，伴随着容量的成倍增加以和读写速度的不断提高，这对制造工艺提出了更高的要求，需要盘片具有更为平滑的表面，更高的介质磁畴密度:磁头具有更小的磁性耗散，更低的航高。目前常用的硬盘尺寸主要有以下三种规格:台式机硬盘(主流)为3.5英寸，高速视频设备和笔记本电脑硬盘为2.5英寸，掌上电脑和移动通讯设备使用的微硬盘(MicroDrive)为1.8英寸3。1.1.2 磁头 磁头使用电信号以磁通量形式将数据的二进制编码写于盘片上，并从盘片读取磁通量形式的存储单元并转换为电信号进行解读。磁头通常安装于悬臂末端，由于盘片两面都有磁介质镀层，因此每个盘片对应两个读写磁头。悬

12、臂在音圈电机的带动下在盘片表面沿径向移动，使得每个磁头在对应表面的相对位置均一致。但是，同一时刻一般只有一个磁头在读取或写入数据。现在有些磁盘可在同一时刻用两个或两个以上的磁头同时读写数据，但是这一技术尚未获得广泛应用。 磁头的发展经历了五次大的飞跃:镍铁导磁合金头(permalloy head)，铁酸盐磁头(ferrite head), MIG磁头，超薄感应磁头(thin-film inductive head)和磁阻磁头(magnetoresistive head)。无论是什么材料的磁头，都是基于电磁感应原理进行读写的4。然而，感应磁头有一个致命的弱点，即只有在磁通量随(magnetic

13、domain transition, MDT)改变时，磁头才会有响应。如果MDT信号不足，则相对适量的信噪比，有效的读取信号量将会过低。解决这一问题的手段，即为目前应用最为广泛的巨磁阻反向读取磁头，这类磁头响应于磁畴磁通量本身而不是MDT6。1.1.3 滑座 硬盘驱动器的一个重要技术在于将读写磁头悬浮于一较薄的空气轴承上。磁头本身是固定在被称为滑座的机械构件之上,这是一个连接磁盘悬臂与磁头的装置。这一概念于1953年研究薄型磁鼓计算机时便开始研究。IBM将之用于1956年的RAMAC上。空气轴承的一个突出优点,就是保证磁头与盘片之间的最小距离。早期的空气轴承需要将空气通过磁头泵入，而将磁头推离

14、盘片，这使得航高和磁头的尺寸都保持在一个较大值上。如前所述，航高对于磁盘存储密度来说是一个关键参数，因此，提高存储密度并加速主轴旋转的决定性要素就是降低航高。滑座的尺寸直接影响了航高值，根据空气动力学原理，一般滑座越小航高值也越小。1.1.4 磁头驱动器 磁头驱动器的功能是使悬臂在磁盘表面移动，从而带动磁头寻找目的磁道，即前文所指的磁头定位。最原始的驱动器仅有一对步进电机，在垂直方向与径向运动来获取数据，如软驱的磁头驱动，这种方式所提供的磁头移动速度非常有限。取而代之的是音圈电机(Voice Coil Motor)，这种电机可根据通过它的电流的大小来使线圈移近或离开一块永久磁铁7。这种方法的精

15、度很高，但是亦非常敏感，因为电流大小的微小变化都可能引起磁头位置的变动。显然这种电机是一种模拟系统，它的移动量取决于通过它的电流的大小。 在寻道过程中磁头的实际位置取决于记录在磁道上的伺服信息，这是由硬盘生产商在出厂时写入的，该操作称为低级格式化(low format)。磁头在磁道上的跟踪定位也是根据这个信息进行调整的。1.1.5 控制电路 硬盘密封着的内部的电路部分较少，只有主轴电机和激励电机的电缆，以和连接读写磁头到控制电路的柔性电路板。 硬盘外部的控制电路提供了硬盘和计算机之间的逻辑连接，它把计算机送来的寻道和读写指令传给驱动器，并且控制着数据流量。1.2 硬盘磁头控制技术发展简介最先将

16、控制的概念引入硬盘驱动器中的是温彻斯特硬盘(Winchester drive)在机械制造上以其质量轻巧且经润滑的滑座而闻名，而它的控制系统相对于机械制造更为声名显赫，因为这是第一台应用反馈控制回路的硬盘。在DickOswald 1974年所撰写的文章中(Oswald 1974)，使用对bang-bang控制做了一些修正后而得到的控制策略，这一控制方法在日后被普遍应用并被M.L. Workman在其博士论文中总结并命名(Workman 1987)为近似时间最优伺服控制(Proximate time optimal servo PTOS) (Franklin, Powell et al. 1998

17、)8。1.2.1模拟，采样数据和数字控制 从硬盘发展之初，就是采用数字电路将数据传入或导出计算机，尽管当时的控制回路是模拟制式的。早期的数字控制器是针对性能和经济上的要求而出现的。很好的一个例子就是昆腾(Quantum)公司，为了降低价格而采用数字控制制造出了一些低端的驱动器，采用微处理器实现伺服控制极大地减少了耗费在模拟电路上的支出。IBM则为设计微皿l计算机硬盘而致力于先进控制算法的研究(Stick 1987)，虽然当时仍旧依靠模拟电路来完成控制律的实现，研究者却想到了划分了扇区的伺服系统，这也就是采样数据的控制系统。惠普(HP)在1980年代中期开始制造具有这一特点的驱动器，直到1980

18、年代末期，惠普才彻底地转到数字控制驱动器上9。1.2.2状态空间分析 随着DSP技术的发展，DsP芯片成本不断降低功能越来越强大，为状态空间理论分析的应用提供了硬件基础。状态空间控制最初仅用于磁头的寻道控制，原因有以下两点:首先，相同阶次的情况下，状态空间控制器要比经典控制器执行更多的运算。而在定位跟踪阶段，早期DSP很难在一个采样周期内完成状态空间控制的所需的计算。其次，音圈电机反电动势的测量只有在信号很大的情况下(如在寻轨期间)才能测得，而反电动势的值有助于估计速度量10。状态空间控制可以使用测量反电动势的传感器从而获得反电动势信号。1.2.3噪声 影响硬盘读写效率的干扰通常分为外部干扰、

19、内部干扰，和测量与补偿噪声等。外部干扰通常是由外界环境的撞击或振动引起的，如随身携带的笔记本电脑在移动的车厢内，或是在被踢到的桌上。内部干扰很大程度上是由主轴的旋转以和驱动器相对于磁盘支撑板或外壳的反作用力所产生的。 所谓宽带噪声的产生主要是因为盘片与驱动器上气流的影响以和PES的噪声影响。位于盘片和磁头之间的空气轴承导致了气流对于伺服机构的影响。气流的特性取决于盘片的直径，磁头的位置和空气动力学特性，封闭硬盘内部空间布局，盘片表面光洁度以和封闭盒内的气压大小。对于主流高转速硬盘，校正硬盘内部空气动力学特性成为关注的热点。1.2.4双级执行器对于高磁道密度的硬盘驱动器，要设计高带宽控制系统，音

20、圈电机具有很大的局限性，造成这一限制的根源在于磁头悬臂的柔性模态。双级执行器可弥补音圈电机在这一问题上的不足，在双级驱动控制系统中，音圈电机作为粗调电机，有较大的行程范围，同时微调电机快速实现定位误差补偿，因此双级驱动控制系统适用于快速寻道。1.2.5磁头的寻道控制 如今最为通用的寻道控制策略为近似时间最优控制(Proximate Time OptimalServomechanism, PTOS)(Franklin, Powell et al. 199$)，其控制效果与Bang-bang控制类似。区别在于，PTOS可避免控制信号在最大值与最小值间切换时对于微小误差的响应而引起的“抖振”。该方法

21、在Mike Workman的博士论文中正式提出，并在之前已被工业界应用于硬盘的寻道控制。其他应用较广的寻道控制策略包括二阶自由度控制(Ishikawa, Yanagita et al. 1996; Tohyama, Yodhida et al.1996)，模糊逻辑控制(Yoshida and Wakabayashi 1992; Yen and Tsai 1997)，以和输入频率整形(Meckl and Kudo 1993; Ho 1997)等。这些控制策略相对于PTOS而言，一般其设计方案不利于工业应用，或控制效果不如PTOS，所以目前实际应用最为广泛的寻道控制策略仍为PTOS11 . 寻道的

22、一个问题在于，给定的参考位置信号会使控制系统启动驱动器的柔性控制(Flexible Control)模式，而柔性控制模式下，系统需要较长的控制时间用以减小阻尼振荡，因此限制了寻道时间的进一步减少。为解决这一问题，Neil Singer提出了一种被称为指令输入成形的方法应用于柔性机器人的控制上(S roger andSeering 1989)。该方法的思路是，先将参考指令作前置滤波，滤去可能会引发驱动器零点振动的光谱成分。 当一个硬盘驱动器开始一轮寻道控制后，硬盘切换至寻道控制算法。当进入减速阶段，驱动器跟随一个速度分布图进入目标位置，然后切换至定位模式，最终进入轨道跟踪阶段。在硬盘发展初期，控

23、制模态的切换是通过不同阶段切换至不同的模拟控制电路来完成的;当硬盘发展至数字控制阶段，这一过程通过微型处理器中控制律的切换来实现。1.3硬盘磁头控制技术现状 硬盘磁头的定位控制包括对于单级磁头(即仅由音圈电机控制磁头移动)的定位控制和双级磁头(在音圈电机基础上附加一个微调电机，两者协同控制磁头移动)的定位控制。1.3.1读写磁头单级驱动器控制问题随着磁道密度增大和磁头航高减小，国内外学者提出了多种控制策略，从传统的PID控制，超前滞后补偿，V型滤波器以和扰动观测器(White, Tomizuka et al.2000)等发展到应用先进控制策略，如自适应控制(Wu, Guo et al. 200

24、0) H2控制(Li, Guo et al. 2001)，模态切换控制(Venkataramanan, Chen et al. 2002)，复合非线性反馈控制(Chen, Lee et al. 2003)等13。 这些控制方法己大大提高了硬盘磁头伺服系统的性能，但就目前计算机硬件的整体处理速度而言，平均约40Mbytes/s的读写速度仍是限制计算机整体性能的瓶颈。虽然采用冗余磁盘阵列(Redundant Access Independent Disk RAID)等并行方式可以提高实际的读写效率，但可以预料硬盘本身的发展仍将对磁头控制技术提出更高的要求。1.3.2 读写磁头双级驱动器控制问题如前

25、所述，硬盘驱动器在要求减少数据存取时间的同时，正不断地增加存储容量，要达到这样的目标首先需要提高伺服系统的带宽并降低系统对于扰动的灵敏度。然而磁头单级驱动系统的带宽由于受到磁头悬臂机械谐振的限制，无法达到人们期望的效果。双级驱动是解决该问题的一种方法:系统中的粗调电机的带宽较低，但是可以大范围移动;微调电机提供较高带宽，但移动量程较窄。近年来，双级驱动系统的控制器设计取得了长足的发展。对于双级驱动系统而言，音圈电机的输出与压电陶瓷的输出是分开测量的，然而由于硬件和技术的限制，通常可测得的量仅限于系统的整体位置输出。这就构成了一个双输入/单输出系统，这种控制系统的控制器设计是多输入/多输出系统的

26、特例。故适用于多输入/多输出系统的各类控制方法如LQG方法(Hu, Guo et al. 1999) H。和声综合方法(Hernandez, Park et al. 1999)己应用到了双级驱动系统的设计中。然而这类方法普遍存在的问题是，即使在模型降阶以后，控制器的阶次依然很高，在实际的硬件上很难实现。有学者提出采用PQ方法(Schroceck and Messner 1998)，即通过调节P一与Q的乘积PQ的值，来确定两控制器参数，这将多输入/多输出系统的设计分解为频域中的两个单输入/单输出设计问题，却忽视了两个SSO回路之间的相互影响，且PQ方法不能保证音圈电机反馈回路的稳定性。在实际操作

27、中，音圈电机反馈回路需要稳定，这才能保证硬盘驱动器能在微调电机未启动工作时稳定安全地工作文献(Ding, Wu et al. 2004)提出参考轨迹重设计方案，即根据每次定位开始时音圈电机的参考轨迹、速度和加速度的初始值，实时更新或重设计以达到两驱动器间的平滑切换，该方法不失为一种有效的控制方法。1.3.3 读写磁头非线性和摩擦控制问题音圈电机将输入电流转化为动力输出，是一个典型的直流电机系统。通常被视作一个双积分器形式的线性对象，尽管存在一些谐振模态，在这些谐振模态中最低频率大约在1-1.SkHz。但是，由于驱动器转轴轴承和音圈电机数据线等造成的摩擦所产生的非线性会导致不容忽视的误差，并直接

28、影响硬盘磁头定位的性能，通常在磁头从当前磁轨移动至邻磁轨时，性能的改变显得尤为明显。很多文献都将音圈电机的模型默认为线性系统，将控制对象的非线性假设为很微小并可忽略，从而对该线性系统进行控制器的设计。然而这种方法忽略了模型的非线性，难免会导致所设计控制器不能精确地控制磁头定位。建立模型的非线性特性的难点在于，一方面要确定非线性组成的物理结构，另一方面对于非线性微分方程通常没有解析解，这就给辨识系统参数带来了难处。文献(Wit and Lischinsky 1997)提出了一种方法辨识了典型的直流电机在匀速运动下的标称静态和动态摩擦系数，但是该文中的对象有别于音圈电机，因为音圈电机的行程范围是有

29、限的且仅有位移是可测的14。文献(Dammers, Binet et al. 2001)提到的物理效应方法是确定非线性的一种有效的方法，文中分析了非线性组分内部和组分之间的物理效应，并将各组分的组合以构成统一整体。蒙特卡罗方法(Monte Carlo)是工程应用中较为流行的方法，文献(Peng, Chen et al. 2005)将该方法应用于硬盘音圈电机上，在无解析解的情况下，给出非线性复杂对象的近似解15。 第2章 磁盘驱动器磁头的状态空间分析 每一磁道的宽度典型值为1m，所以对读写头的定位精度要求非常严格，我们希望精确控制磁头y（t）的位置。下面使用状态变量法对包括悬臂结构在内的磁盘驱动

30、系统进行分析。由于要求快速运动，悬臂的金属片必须很轻，故必须考虑金属片的影响。电机的质量用M1表示，磁头的质量用M2表示，弹簧片的弹性系数用k表示，驱动力u（t）由直流电机产生，见图2-1（a）。如果弹簧严格是刚性的，就能够得到图2-1（b）的简化模型。具有两个质量块的系统的典型参数如表2-1所示。 2.1 系统的建模注意到，M=M1+M2=20.5g=0.0205kg,则图2-1 双质量结构和简化模型所以，传递函数模型为 （2.1）表2-1 两个质量系统的典型参数参 数符号典型值电机质量M120g=0.02kg弹性系统k10k磁头质量M20.5g=0.005kg磁头位置X2（t）变量，单位为

31、mm质量块1的摩擦系数b1410X10-3kg/(m/s)励磁电阻R1励磁电感L1mH电机常数Km0.1025N*m/A质量块2的摩擦系数b24.1X10-3kg/(m/s)由表2-1中的参数得到 （2.2）考虑电机线圈的影响的读写头的传递函数如图2-2所示。考虑到表2-1中的参数，R=1,L=1mH,Km=0.1025,得到 （2.3）图2-2 具有刚性弹簧的读写磁头的模型下面考虑双质量系统的状态空间模型。如图2-1（b）,对于质量M1有 （2.4）对于质量M2有选x1=q,x2=y。则以和写成矩阵型式 （2.5）式（2.5）中，= =，A= ，b=,C=0 0 0 1,d=0注意到，输出=。而且，对于L=0,即忽略电感时，=Kmv(t)。对于典型系统，k=10,B=,A=2.2 可控性Qc=1.0e+07ans =4，系统满秩，故系统可控2.3可观性Qo=1.0e+08ans =3，系统非满秩，故系统不可观2.4仿真的响应如图2-3所示。显然，振荡非常剧烈。图2-3 k=10时双弹簧模型的阶跃响应2.5稳定性判断p = 1.0e+02 * -0.0425 + 1.4310i -0.0425 - 1.4310i 0.0000 + 0.0000i -0.2020 + 0.