本文關(guān)鍵詞：壓電陶瓷驅(qū)動微位移平臺的磁滯補償控制理論和方法研究　出處：《上海交通大學(xué)》2012年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：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(qū)動器存在復(fù)雜的非線性磁滯效應(yīng),會造成系統(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)動微位移平臺是含輸入磁滯非線性的動力學(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。這給磁滯補償控制器的設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)。 本學(xué)位論文以壓電陶瓷驅(qū)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(qū)動器的磁滯效應(yīng)對驅(qū)動精度的影響,實現(xiàn)壓電陶瓷驅(qū)動微位移平臺的納米精度運動控制,擴展壓電陶瓷驅(qū)動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)計和實驗驗證三個層次展開,主要研究內(nèi)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(chǔ)上,直接應(yīng)用增強型P-I模型描述壓電陶瓷驅(qū)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(qū)動平臺實現(xiàn)逆磁滯補償。實驗結(jié)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(yīng)、壓電效應(yīng)和機械振動等多場耦合特性分析入手,提出了完整表征壓電陶瓷驅(qū)動微位移平臺的綜合機電動力學(xué)模型。為便于模型參數(shù)辨識,將綜合動力學(xué)模型表征為含輸入磁滯驅(qū)動的三階線性系統(tǒng),進而采用線性動力學(xué)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(jié)果證明了所提的綜合動力學(xué)模型很好的表征了壓電陶瓷驅(qū)動微位移平臺的動態(tài)特性和磁滯效應(yīng)。為后續(xù)魯棒控制器的設(shè)計提供了模型基礎(chǔ)。 設(shè)計了無需磁滯逆模型的魯棒自適應(yīng)控制器。在建立的系統(tǒng)綜合機電動力學(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的線性函數(shù)和依賴于輸入信號的有界非線性擾動。結(jié)合滑�？刂坪妥赃m應(yīng)控制的優(yōu)點,設(shè)計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�？刂破餮a償有界擾動、未知非線性和未建模動態(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,并通過實驗證明了所設(shè)計的控制器實現(xiàn)了壓電陶瓷驅(qū)動平臺的快速納米精度運動。 設(shè)計了含估計逆磁滯模型補償?shù)聂敯糇赃m應(yīng)控制器。針對一類含輸入非對稱Backlash磁滯非線性驅(qū)動的非線性系統(tǒng),分析了非對稱Backlash磁滯非線性的特性,構(gòu)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(chǔ)上,設(shè)計魯棒自適應(yīng)控制算法。所設(shè)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。仿真實驗證明了該控制方法的正確性和有效性。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TP273

【參考文獻】

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