壓電工作臺(tái)微定位系統(tǒng)建模與控制技術(shù).pdf

1、在人類探究微觀世界的過程中，微定位技術(shù)逐步發(fā)展起來。壓電元件驅(qū)動(dòng)的微定位器是目前常見的微定位設(shè)備，它利用壓電元件的壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)微米甚至是納米級(jí)的精準(zhǔn)定位，在微觀檢測、微機(jī)電系統(tǒng)加工等精密定位領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
　　 壓電工作臺(tái)屬典型的壓電元件驅(qū)動(dòng)的微定位器，在掃描探針顯微鏡等儀器設(shè)備中應(yīng)用較廣。因其內(nèi)部通常采用壓電陶瓷疊堆和柔性鉸鏈支承的組合一體式機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),使得壓電工作臺(tái)具有微位移分辨率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等

2、優(yōu)點(diǎn)。
　　 本文從系統(tǒng)和控制的角度出發(fā)，對(duì)目前應(yīng)用越來越廣泛的壓電工作臺(tái)微定位系統(tǒng)進(jìn)行建模和控制技術(shù)研究。本文的研究結(jié)果具有一般性，保證了壓電工作臺(tái)的快速準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)定位，可推廣到目前常見的各種形式的壓電工作臺(tái)微定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要工作概括如下：
　　 l.針對(duì)Tritor1OO型壓電工作臺(tái)，搭建了壓電工作臺(tái)微定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
　　 2.建立了能夠同時(shí)體現(xiàn)壓電工作臺(tái)動(dòng)態(tài)特性和遲滯特性的動(dòng)態(tài)遲滯模型結(jié)構(gòu)方程，同時(shí)給

3、出了動(dòng)態(tài)遲滯模型結(jié)構(gòu)方程中遲滯部分參數(shù)和動(dòng)態(tài)部分參數(shù)的辨識(shí)途徑。該動(dòng)態(tài)遲滯模型結(jié)構(gòu)方程易與現(xiàn)有的各種解析形式的遲滯模型相結(jié)合而變換出多種不同的形式。進(jìn)一步，在介紹PI遲滯模型的基礎(chǔ)上，建立了基于PI遲滯算子的動(dòng)態(tài)遲滯模型。實(shí)驗(yàn)研究表明，基于PI遲滯算子的動(dòng)態(tài)遲滯模型精度較高，受壓電工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)定位速率變化影響小，為壓電工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了模型基礎(chǔ)。
　　 3.在動(dòng)態(tài)遲滯模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了壓電工作臺(tái)的前饋與復(fù)合控制方案。將壓電

4、工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)遲滯模型進(jìn)行簡單的求逆運(yùn)算，即可得到壓電工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)遲滯逆模型前饋控制器。該開環(huán)控制器簡單易行，不需要額外的位移傳感器，適于壓電工作臺(tái)的快速運(yùn)動(dòng)定位，在定位精度要求不是很苛刻的情況下，是一種經(jīng)濟(jì)的選擇。進(jìn)一步，為彌補(bǔ)開環(huán)控制自身的不足，在動(dòng)態(tài)遲滯逆模型前饋控制中加入了單神經(jīng)元PID反饋控制，構(gòu)成了壓電工作臺(tái)的復(fù)合控制方案。壓電工作臺(tái)的復(fù)合控制方案將動(dòng)態(tài)遲滯逆模型前饋控制的優(yōu)點(diǎn)和單神經(jīng)元反饋控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，形成了互補(bǔ)：一

5、方面，反饋控制的加入，消弱了前饋控制中建模誤差等對(duì)定位精度的影響，提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性；另一方面，前饋控制提高了反饋控制系統(tǒng)的快速性。
　　 4.在動(dòng)態(tài)遲滯模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了壓電工作臺(tái)的遲滯補(bǔ)償控制方案。該方案的核心思想是：首先利用壓電工作臺(tái)的遲滯逆模型補(bǔ)償?shù)魤弘姽ぷ髋_(tái)的遲滯特性，然后進(jìn)行線性反饋控制器的設(shè)計(jì)。但通常遲滯非線性的補(bǔ)償總存在一定的殘差，加之其它一些不確定因素的影響，使得遲滯補(bǔ)償后的線性系統(tǒng)參數(shù)受到較大干擾，因而為

6、提高控制系統(tǒng)的性能，本文采用兩種控制算法實(shí)現(xiàn)了遲滯補(bǔ)償控制方案中的線性反饋控制器設(shè)計(jì)：一種為自校正PID控制器設(shè)計(jì)，另一種為滑?？刂破髟O(shè)計(jì)。這兩種反饋控制器在壓電工作臺(tái)的快速運(yùn)動(dòng)定位實(shí)驗(yàn)中均取得了滿意的效果。
　　 5.為進(jìn)一步探索壓電工作臺(tái)的建模和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了壓電工作臺(tái)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識(shí)模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)σ粚?duì)一或多對(duì)一映射關(guān)系的非線性函數(shù)進(jìn)行任意精度的逼近，卻難以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有多對(duì)多映射關(guān)