本文關(guān)鍵詞：壓電陶瓷作動器的納米定位與跟蹤控制方法研究　出處：《哈爾濱工程大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 壓電陶瓷作動器控制 魯棒補償 遲滯特性 滑�？刂品椒� 滑模觀測器

【摘要】：隨著納米科學(xué)和納米技術(shù)的飛速發(fā)展,在微電子、光纖通訊、精密加工等領(lǐng)域都迫切需要精度高、穩(wěn)定性好的微納米作動器。壓電陶瓷作動器是一種理想的微作動器,具有相應(yīng)速度快、分辨率高、無噪聲、體積小、無摩擦等優(yōu)點,因而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。然而壓電陶瓷自身存在的復(fù)雜的遲滯特性等非線性,會嚴(yán)重影響壓電陶瓷作動器納米定位系統(tǒng)的優(yōu)良性能,給其實際應(yīng)用帶來不便。此外,由于遲滯特性的存在,壓電陶瓷作動器動力學(xué)系統(tǒng)含有數(shù)學(xué)模型很難精確描述的復(fù)雜動力學(xué)特性,造成壓電陶瓷作動器的建模過程極其復(fù)雜,并且很難獲得準(zhǔn)確的模型參數(shù),使得基于模型設(shè)計的逆模型控制策略增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度,并且有可能會降低控制器的控制效果。針對上述問題,本論文對壓電陶瓷作動器的納米定位與跟蹤控制問題進行理論研究與實驗驗證,主要研究內(nèi)容可概括為:由于經(jīng)典的滑模控制方法具有結(jié)構(gòu)簡單,實現(xiàn)容易,特別適合處理含有不確定性項的非線性系統(tǒng)控制問題等優(yōu)點,成為目前在非線性系統(tǒng)中使用非常普遍和成熟的控制方法。因此在壓電陶瓷作動器的控制中將壓電陶瓷作動器看作二階線性系統(tǒng),通過系統(tǒng)模型辨識的方法得到模型的參數(shù),而將遲滯特性以及二階線性系統(tǒng)與實際非線性模型的誤差看作系統(tǒng)的不確定性項,使用滑�？刂扑惴ㄟM行魯棒補償。在傳統(tǒng)的PD滑模面中加入一個積分環(huán)節(jié),從而消除由震蕩造成的穩(wěn)態(tài)誤差和提供一個光滑的控制。以壓電陶瓷作動器的二階簡化模型為基礎(chǔ),分別設(shè)計了改進的滑�？刂破骱鸵粋�單輸入-雙輸出的高增益觀測器。提出的觀測器能夠通過位置測量信號估計出系統(tǒng)的全狀態(tài),所設(shè)計控制器的穩(wěn)定性通過基于李亞普諾夫的方法進行了證明。由該方法得到的控制器一方面抑制了被當(dāng)作系統(tǒng)擾動的遲滯特性所引起的非線性和模型誤差等引起的系統(tǒng)不確定性,另一方面也利用觀測到的全狀態(tài)信息更好地實現(xiàn)了壓電陶瓷作動器的控制,滿足了壓電陶瓷作動器上只存在一個位置傳感器的制約條件,其有效性通過對設(shè)備平臺進行實驗的方式進行了驗證。為了進一步提高控制器對于未建模動態(tài)和外界擾動的魯棒性,本文結(jié)合魯棒補償?shù)乃枷胍约胺蔷�性滑模觀測器的技術(shù),在壓電陶瓷作動器滑模控制器的基礎(chǔ)上增加了對外界擾動和不確定性影響的補償項,提出了基于滑模觀測技術(shù)的壓電陶瓷作動器魯棒輸出反饋控制方法,在一定程度上克服了高增益觀測器的局限性,提高了控制器性能。該方法中的滑模觀測器通過使用等效控制這一概念來進行設(shè)計,將觀測器的所有狀態(tài)在有限的時間內(nèi)收斂到滑模面上,直到整個系統(tǒng)狀態(tài)在有限的時間內(nèi)被估計出來。觀測到的估計值逼近真實值的有限時間收斂性通過基于李雅普諾夫的方法進行了證明。為驗證該方法的有效性,同上將此控制器應(yīng)用到壓電陶瓷作動器納米定位系統(tǒng)實驗設(shè)備上,并對得到的實驗數(shù)據(jù)進行了分析與討論。上述基于模型的觀測器通常受限要使用在系統(tǒng)模型精確已知的情況下,而由于各種未知的未建模動態(tài)和非線性特性難以通過數(shù)值模擬的方法進行精確的模擬,所以最終會降低定位與跟蹤控制的精度。因此,為進一步提高輸出反饋控制器的性能和穩(wěn)定性,本文基于新出現(xiàn)的魯棒誤差符號積分控制方法,提出了一種壓電陶瓷作動器非線性魯棒輸出反饋積分控制方法。該方法仍然以壓電陶瓷作動器的二階系統(tǒng)辨識模型為基礎(chǔ),首先設(shè)計了一個濾波輔助系統(tǒng),根據(jù)李亞普諾夫穩(wěn)定性分析的結(jié)果設(shè)計濾波后的誤差信號和控制器結(jié)構(gòu),并對新誤差信號的符號進行積分后得到不確定性與擾動補償器的表達(dá)式。通過基于李雅普諾夫的方法可證明得到的控制器能夠在使用輸出反饋的情況下,對任意有界且二階可微的參考信號實現(xiàn)半全局漸進跟蹤,其包含的魯棒補償項對外界擾動和不確定性的逼近能力也同樣得到了證明。為驗證該方法的有效性,本文仍將其應(yīng)用在系統(tǒng)實驗設(shè)備上,并對實驗數(shù)據(jù)進行了分析與比較。本文提出的上述三種控制方法的穩(wěn)定性均為系統(tǒng)漸進穩(wěn)定,所設(shè)計的控制算法取得了有益的實驗結(jié)果。然而,目前已知動態(tài)系統(tǒng)的有限時間穩(wěn)定性會提高系統(tǒng)的定位與跟蹤精度、加快收斂速度并且對系統(tǒng)中的不確定性與額外擾動不靈敏。而終端滑模控制方法是一種變化的滑�？刂品椒�,它可以達(dá)到有限時間內(nèi)的穩(wěn)定性。因此本文提出一種新的連續(xù)型有限時間終端滑�？刂品椒�,它擁有全局有限時間穩(wěn)定性。為了提高控制系統(tǒng)的魯棒性,這里采用了一個滑模擾動觀測器用來在有限的時間內(nèi)估計系統(tǒng)中有界的不確定性和擾動。壓電陶瓷作動器被看作一個二階非線性系統(tǒng)進行設(shè)計控制器,遲滯特性被當(dāng)作系統(tǒng)中的主要非線性并給出簡單的遲滯模型以便獲得更精確的仿真結(jié)果。類似的,該控制器的穩(wěn)定性通過李亞普諾夫分析方法得到了證明。最后通過數(shù)值仿真對該方法的有效性進行了驗證,得到了有益的結(jié)論。
[Abstract]:With the rapid development of nanoscience and nanotechnology in microelectronics, optical fiber communication, are in urgent need of the precision machining fields of high precision, good stability of the micro nano actuator. The piezoelectric ceramic actuator is an ideal micro actuator, with appropriate speed, high resolution, no noise, small volume no friction, etc., and gradually become the core part of the micro operation and precision machining in manufacturing equipment. However, the piezoelectric ceramic itself has complex nonlinear hysteresis characteristics, will seriously affect the performance of piezoelectric ceramic actuator for nano positioning system, for its practical application inconvenience. In addition, due to hysteresis the existence of complex dynamic characteristics of piezoelectric ceramic actuator dynamics system with mathematical model is difficult to accurately describe the cause of piezoelectric ceramic actuator modeling process is extremely complex, and it is difficult to obtain accurate. Type parameters, the inverse model control strategy based on model design and increase the complexity of the control system, and can reduce the performance of the controller. Aiming at the above problems, the dynamic positioning and tracking control problem of nano device was used for the theoretical and experimental study of piezoelectric ceramics, the main research contents can be summarized as follows: because the classical sliding mode control method has the advantages of simple structure, easy realization, especially suitable for processing nonlinear system control problems with uncertain terms, has become widely used and mature control method in nonlinear system. Therefore, the actuator control for the piezoelectric ceramic actuator is regarded as the two order linear system in piezoelectric ceramic, the model parameters obtained by system identification, and the hysteresis and the errors of two order linear system and nonlinear system model as the actual The uncertainty, using the sliding mode control algorithm for robust compensation. Join a integral part in PD traditional sliding mode surface, so as to eliminate the steady-state error caused by shock and provide a smooth control. The piezoelectric ceramic actuator two order simplified model as the foundation, designed a high gain observer with sliding mode the improved controller and a single input double output. The proposed observer can estimate the state of the system through the position measuring signal, based on Lyapunov's method is proved the stability of the designed controller. The system obtained by this method on one hand controller will be suppressed as hysteresis disturbance caused by nonlinear and the model error caused by uncertainty, on the other hand, using full state information to achieve better observation of piezoelectric ceramic actuator control, meet the pressure Piezoelectric ceramic actuator constraints a position sensor exists only on the device, its validity through the experiment of the equipment of the platform was verified. In order to further improve the controller robustness to unmodeled dynamics and external disturbances, combined with robust compensation idea and nonlinear sliding mode observer based sliding mode actuator technology the controller in the piezoelectric ceramic increased compensation effect on the external disturbance and the uncertainty of the proposed sliding mode observation technology of piezoelectric ceramic actuators based on robust output feedback control method, to a certain extent overcomes the limitations of high gain observer, improves the performance of the controller. The method of sliding mode observer by using the concept of equivalent control is designed, all state observer converge to sliding surface in finite time, until the entire system in the state The limited time are estimated. The observed estimate based on Lyapunov method is proved by finite time value approximation to the true value of the convergence. In order to verify the validity of the method, with the general controller is applied to the piezoelectric ceramic actuator nano positioning system experimental equipment, and the experimental data obtained are analyzed and discussed. The model of the observer is usually limited to use in case of precisely known system model based on the accurate simulation of unknown unmodeled dynamics and nonlinear characteristics is difficult by the method of numerical simulation, it will finally reduce positioning and tracking control precision. Therefore, in order to further improve the controller the performance and stability of output feedback, the emergence of new integral symbol error robust control method based on a piezoelectric ceramic actuator nonlinear robust Output feedback integral control method. This method is still in the piezoelectric ceramics two order system identification model of actuator as the foundation, we design a filter system, design error signal and the controller structure is filtered according to Lyapunov stability analysis results, and the new error signal symbols are not integral the uncertainty and disturbance compensator. The expressions can be used in the case of output feedback controller by Lyapunov method based on proven, bounded and two order differential reference signal to achieve semi global asymptotic tracking of arbitrary, the approximation ability of robust compensation term is included in the external disturbance and uncertainty are also obtained proved. To verify the validity of the method, this paper is applied in the experiment system, and the experimental data were analyzed and compared. The proposed The stability of three kinds of control methods for system stability, the designed control algorithm results are beneficial. However, the finite time stability known dynamic system will improve the system positioning and tracking precision, faster convergence speed and the uncertainty in the system with additional disturbance is not sensitive. And terminal sliding mode control method is a variation of the sliding mode control method, which can achieve the stability of limited time. So this paper puts forward a new type of continuous finite time terminal sliding mode control method, it has a global finite time stability. In order to improve the robustness of the control system, it uses a sliding mode disturbance observer is used to estimate the bounded system the uncertainties and disturbances in the limited time. The piezoelectric ceramic actuator is regarded as one of the two order nonlinear system controller design, the hysteresis is As a major in nonlinear system and hysteresis model gives a simple simulation in order to obtain more accurate results. Similarly, the stability of the controller is proved by Lyapunov analysis method. Finally, the numerical simulation on the effectiveness of the method are verified by some conclusions.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP273;TN384

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 夏立群;田一松;王可;;淺談作動器健康管理技術(shù)[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報;2008年S2期

2 朱金才,顧仲權(quán);磁致伸縮作動器的設(shè)計及其動態(tài)特性研究[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報;1998年04期

3 張旭輝;劉永光;付永領(lǐng);;磁致伸縮作動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J];壓電與聲光;2009年03期

4 張紅新;朱思洪;;主動座椅懸架電磁作動器仿真研究[J];機械設(shè)計;2008年04期

5 李煒懌;成洋;;電靜液作動器的設(shè)計與仿真[J];測控技術(shù);2010年11期

6 張定;郭勤濤;金超武;;基于電磁作動器的柔性結(jié)構(gòu)振動控制仿真及實驗研究[J];機械與電子;2013年04期

7 張磊,付永領(lǐng),劉永光,何琳;磁致伸縮作動器的建模與控制研究[J];壓電與聲光;2005年05期

8 方有亮,武哲;配置壓電自感作動器智能板振動的主動控制[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報;2000年01期

9 韓志華;李小民;夏立群;;基于DSP的直接驅(qū)動閥式作動器控制技術(shù)研究[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報;2008年S2期

10 張希農(nóng),謝石林,李俊寶,張景繪;書本式分布作動器及可控約束阻尼層結(jié)構(gòu)控制的實驗研究[J];西安交通大學(xué)學(xué)報;1999年10期

相關(guān)會議論文 前10條

1 胡務(wù)農(nóng);胡長勝;;電靜液作動器新概念[A];中國航空學(xué)會液壓氣動專業(yè)2005年學(xué)術(shù)討論會論文集[C];2005年

2 胡務(wù)農(nóng);胡長勝;;電靜液作動器新概念[A];中國航空學(xué)會控制與應(yīng)用第十二屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2006年

3 夏立群;謝增榮;;民機作動器研究[A];大型飛機關(guān)鍵技術(shù)高層論壇暨中國航空學(xué)會2007年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2007年

4 李素強;蔡新鎖;李素梅;;一種多功能作動器及其高低溫疲勞試驗方法研究與應(yīng)用[A];第二屆中國航空學(xué)會青年科技論壇文集[C];2006年

5 陳勇;馬閱軍;夏立群;尹子棟;張偉;熊峻江;;飛機舵機作動器局部應(yīng)力與疲勞壽命分析[A];中國力學(xué)大會——2013論文摘要集[C];2013年

6 張曉旭;孫宜強;徐鑒;;電磁作動器的非線性動力特性研究及控制[A];第十四屆全國非線性振動暨第十一屆全國非線性動力學(xué)和運動穩(wěn)定性學(xué)術(shù)會議摘要集與會議議程[C];2013年

7 康榮杰;焦宗夏;尚耀星;吳帥;;電動靜液作動器框圖建模與控制仿真[A];第五屆全國流體傳動與控制學(xué)術(shù)會議暨2008年中國航空學(xué)會液壓與氣動學(xué)術(shù)會議論文集[C];2008年

8 賈靜波;王亞斌;李修峰;;電磁作動器安全性與可靠性仿真分析[A];北京力學(xué)會第20屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2014年

9 王少華;黃玖琦;;CAE技術(shù)在作動器設(shè)計中的應(yīng)用[A];第三屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集[C];2007年

10 馬小艷;李明強;王國勝;;主動式作動器性能試驗研究[A];2013年中國航空學(xué)會結(jié)構(gòu)強度專業(yè)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 楊柳;壓電陶瓷作動器的納米定位與跟蹤控制方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2015年

2 池維超;基于電磁作動器的整星主被動一體化隔振技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

3 姜晶;光控作動器本構(gòu)建模及板殼結(jié)構(gòu)振動模態(tài)控制的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

4 韓廣才;機械作動器在船舶減振上的應(yīng)用研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2005年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 任孟雄;針對壓電陶瓷遲滯環(huán)節(jié)的UDE控制方法研究[D];浙江大學(xué);2016年

2 郭瑤仙;大應(yīng)變PSN-PNN-PZT壓電陶瓷的制備與性能研究[D];天津大學(xué);2016年

3 楊成;基于磁致伸縮作動器的拉索PID控制[D];湖南科技大學(xué);2015年

4 朱晨曦;空間二自由度電磁作動器設(shè)計與研制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

5 李玉川;襟翼作動器控制系統(tǒng)設(shè)計及安全性評估[D];中國民航大學(xué);2015年

6 吳奇;彈藥用壓電發(fā)火火藥作動器原理和動態(tài)特性研究[D];南京理工大學(xué);2017年

7 王丹梅;具有遲滯特性的作動器建模及逆補償控制[D];西南交通大學(xué);2017年

8 孫桂蘭;基于光致伸縮作動器的柔性板殼結(jié)構(gòu)非接觸精密控制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

9 范會娟;新型串接式高能電磁作動器的研制與性能測試[D];江蘇大學(xué);2007年

10 任元;高可靠性電動作動器的研究和設(shè)計[D];江蘇大學(xué);2008年

，

本文編號：1377233