壓電陶瓷驅動微位移平臺的磁滯補償控制理論和方法研究.pdf

1、隨著納米科學和納米技術的飛速發(fā)展，壓電陶瓷驅動的微位移平臺逐漸成為精密制造裝備中實現(xiàn)微觀操作和加工的核心部件。但是壓電陶瓷驅動器存在復雜的非線性磁滯效應，會造成系統(tǒng)精度超差，易產生振蕩，甚至閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。此外，壓電陶瓷驅動微位移平臺是含輸入磁滯非線性的動力學系統(tǒng)，現(xiàn)有數(shù)學模型無法精確描述這種復雜動力學特性，造成基于精確數(shù)學模型的控制與優(yōu)化策略難以直接應用。這給磁滯補償控制器的設計帶來了極大的挑戰(zhàn)。
　　 本學位論文以壓電陶瓷

2、驅動微位移平臺為對象，深入研究磁滯非線性補償控制的理論與方法，旨在消除壓電陶瓷驅動器的磁滯效應對驅動精度的影響，實現(xiàn)壓電陶瓷驅動微位移平臺的納米精度運動控制，擴展壓電陶瓷驅動器在精密制造裝備中的應用。本論文從系統(tǒng)建模、控制器設計和實驗驗證三個層次展開，主要研究內容如下:
　　 提出了增強型Prandtl-Ishlinskii(P-I)磁滯模型和基于此模型的直接逆磁滯補償方法。針對傳統(tǒng)P-I模型只能描述對稱磁滯特性的不足，將非線性

3、輸入函數(shù)引入到傳統(tǒng)P-I磁滯建模中，提出一種既能表征對稱磁滯特性也能表征非對稱磁滯特性的增強型P-I模型，并驗證了所提模型的消除屬性和一致性屬性。在此基礎上，直接應用增強型P-I模型描述壓電陶瓷驅動器的逆磁滯曲線，將辨識的增強型P-I模型串入到壓電陶瓷微驅動平臺實現(xiàn)逆磁滯補償。實驗結果驗證了增強型P-I模型和基于此模型的直接逆磁滯補償控制方法的有效性。
　　 從電路特性、磁滯效應、壓電效應和機械振動等多場耦合特性分析入手，提出了

4、完整表征壓電陶瓷驅動微位移平臺的綜合機電動力學模型。為便于模型參數(shù)辨識，將綜合動力學模型表征為含輸入磁滯驅動的三階線性系統(tǒng)，進而采用線性動力學部分與磁滯非線性部分分離的方法辨識模型參數(shù)。為驗證模型的有效性，采用增強型P-I模型作為實例描述輸入磁滯非線性。實驗結果證明了所提的綜合動力學模型很好的表征了壓電陶瓷驅動微位移平臺的動態(tài)特性和磁滯效應。為后續(xù)魯棒控制器的設計提供了模型基礎。
　　 設計了無需磁滯逆模型的魯棒自適應控制器。在

5、建立的系統(tǒng)綜合機電動力學模型的基礎上，給出了一種磁滯分解的方法表征磁滯非線性效應，將磁滯非線性描述成輸入信號的線性函數(shù)和依賴于輸入信號的有界非線性擾動。結合滑?？刂坪妥赃m應控制的優(yōu)點，設計了基于磁滯分解而無需磁滯逆模型的魯棒自適應控制算法，其中，滑?？刂破餮a償有界擾動、未知非線性和未建模動態(tài)，自適應算法消除系統(tǒng)模型參數(shù)的不確定性或不精確性。利用Lyapunov函數(shù)法證明了閉環(huán)控制系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，并通過實驗證明了所設計的控制器實現(xiàn)了壓電

6、陶瓷驅動平臺的快速納米精度運動。
　　 設計了含估計逆磁滯模型補償?shù)聂敯糇赃m應控制器。針對一類含輸入非對稱Backlash磁滯非線性驅動的非線性系統(tǒng)，分析了非對稱Backlash磁滯非線性的特性，構造了非對稱Backlash的估計逆模型，給出了基于此估計逆模型的補償誤差的解析表達式，并將補償誤差分解成參數(shù)化的部分和非參數(shù)化的有界干擾。在此基礎上，設計魯棒自適應控制算法。所設計的控制器保證了整個閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和理想的跟蹤精度。仿