壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)微位移平臺(tái)的磁滯補(bǔ)償控制理論和方法研究.pdf

1、隨著納米科學(xué)和納米技術(shù)的飛速發(fā)展，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微位移平臺(tái)逐漸成為精密制造裝備中實(shí)現(xiàn)微觀操作和加工的核心部件。但是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器存在復(fù)雜的非線性磁滯效應(yīng)，會(huì)造成系統(tǒng)精度超差，易產(chǎn)生振蕩，甚至閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。此外，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)微位移平臺(tái)是含輸入磁滯非線性的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型無法精確描述這種復(fù)雜動(dòng)力學(xué)特性，造成基于精確數(shù)學(xué)模型的控制與優(yōu)化策略難以直接應(yīng)用。這給磁滯補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)。
　　 本學(xué)位論文以壓電陶瓷

2、驅(qū)動(dòng)微位移平臺(tái)為對(duì)象，深入研究磁滯非線性補(bǔ)償控制的理論與方法，旨在消除壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的磁滯效應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)精度的影響，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)微位移平臺(tái)的納米精度運(yùn)動(dòng)控制，擴(kuò)展壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器在精密制造裝備中的應(yīng)用。本論文從系統(tǒng)建模、控制器設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)層次展開，主要研究內(nèi)容如下:
　　 提出了增強(qiáng)型Prandtl-Ishlinskii(P-I)磁滯模型和基于此模型的直接逆磁滯補(bǔ)償方法。針對(duì)傳統(tǒng)P-I模型只能描述對(duì)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(duì)稱磁滯特性也能表征非對(duì)稱磁滯特性的增強(qiáng)型P-I模型，并驗(yàn)證了所提模型的消除屬性和一致性屬性。在此基礎(chǔ)上，直接應(yīng)用增強(qiáng)型P-I模型描述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的逆磁滯曲線，將辨識(shí)的增強(qiáng)型P-I模型串入到壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)逆磁滯補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了增強(qiáng)型P-I模型和基于此模型的直接逆磁滯補(bǔ)償控制方法的有效性。
　　 從電路特性、磁滯效應(yīng)、壓電效應(yīng)和機(jī)械振動(dòng)等多場耦合特性分析入手，提出了

4、完整表征壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)微位移平臺(tái)的綜合機(jī)電動(dòng)力學(xué)模型。為便于模型參數(shù)辨識(shí)，將綜合動(dòng)力學(xué)模型表征為含輸入磁滯驅(qū)動(dòng)的三階線性系統(tǒng)，進(jìn)而采用線性動(dòng)力學(xué)部分與磁滯非線性部分分離的方法辨識(shí)模型參數(shù)。為驗(yàn)證模型的有效性，采用增強(qiáng)型P-I模型作為實(shí)例描述輸入磁滯非線性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提的綜合動(dòng)力學(xué)模型很好的表征了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)微位移平臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性和磁滯效應(yīng)。為后續(xù)魯棒控制器的設(shè)計(jì)提供了模型基礎(chǔ)。
　　 設(shè)計(jì)了無需磁滯逆模型的魯棒自適應(yīng)控制器。在

5、建立的系統(tǒng)綜合機(jī)電動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，給出了一種磁滯分解的方法表征磁滯非線性效應(yīng)，將磁滯非線性描述成輸入信號(hào)的線性函數(shù)和依賴于輸入信號(hào)的有界非線性擾動(dòng)。結(jié)合滑?？刂坪妥赃m應(yīng)控制的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于磁滯分解而無需磁滯逆模型的魯棒自適應(yīng)控制算法，其中，滑模控制器補(bǔ)償有界擾動(dòng)、未知非線性和未建模動(dòng)態(tài)，自適應(yīng)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(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)的控制器實(shí)現(xiàn)了壓電

6、陶瓷驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的快速納米精度運(yùn)動(dòng)。
　　 設(shè)計(jì)了含估計(jì)逆磁滯模型補(bǔ)償?shù)聂敯糇赃m應(yīng)控制器。針對(duì)一類含輸入非對(duì)稱Backlash磁滯非線性驅(qū)動(dòng)的非線性系統(tǒng)，分析了非對(duì)稱Backlash磁滯非線性的特性，構(gòu)造了非對(duì)稱Backlash的估計(jì)逆模型，給出了基于此估計(jì)逆模型的補(bǔ)償誤差的解析表達(dá)式，并將補(bǔ)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(chǔ)上，設(shè)計(jì)魯棒自適應(yīng)控制算法。所設(shè)計(jì)的控制器保證了整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和理想的跟蹤精度。仿