本文關(guān)鍵詞：壓電驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)的高帶寬控制理論和方法研究

  更多相關(guān)文章： 壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái) 納米定位 高帶寬控制 磁滯非線性 諧振振動(dòng) 輸入整形 時(shí)滯控制

【摘要】：隨著納米科技的飛速發(fā)展,納米定位平臺(tái)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。壓電驅(qū)動(dòng)器因具有響應(yīng)速度快、定位精度高、輸出力大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)。但是,壓電驅(qū)動(dòng)器存在的復(fù)雜磁滯非線性,嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的定位精度,甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。同時(shí),壓電驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)的低阻尼諧振振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生低增益裕量問(wèn)題,限制了閉環(huán)系統(tǒng)控制帶寬的提升。當(dāng)輸入信號(hào)中含有高頻成分時(shí),容易激發(fā)系統(tǒng)的機(jī)械諧振,造成輸出軌跡的振動(dòng)。因此,為了實(shí)現(xiàn)高帶寬納米精度的運(yùn)動(dòng)控制,必須同時(shí)考慮如何補(bǔ)償壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的磁滯非線性和諧振振動(dòng)特性。本學(xué)位論文以壓電驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)為研究對(duì)象,深入分析了壓電驅(qū)動(dòng)器的磁滯非線性和微位移平臺(tái)的諧振振動(dòng)特性,研究了壓電驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)的高帶寬納米精度控制理論和方法,擴(kuò)展了其在高速高精運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用,主要研究?jī)?nèi)容如下:將壓電驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型表征為靜態(tài)磁滯非線性與線性系統(tǒng)串聯(lián)的形式,設(shè)計(jì)了一種基于閉環(huán)輸入整形的高帶寬控制器。采用增強(qiáng)型P-I模型直接描述靜態(tài)逆磁滯曲線,建立逆磁滯模型并作為前饋控制器補(bǔ)償靜態(tài)磁滯非線性。針對(duì)磁滯補(bǔ)償后的線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由環(huán)內(nèi)輸入整形器和Smith預(yù)估器組成的閉環(huán)輸入整形器,其中,環(huán)內(nèi)輸入整形器用于抑制諧振振動(dòng),Smith預(yù)估器避免了閉環(huán)系統(tǒng)由延時(shí)時(shí)間引起的不穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)了高增益比例積分(PI)反饋控制器,補(bǔ)償了外界干擾和模型不確定性等引起的誤差以及蠕變、漂移等非線性,實(shí)現(xiàn)了高帶寬納米精度的跟蹤運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比于PI控制器,所提出的高帶寬控制器使帶寬從22.6Hz提高到510Hz。設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)滯位置反饋的高帶寬控制器,包括內(nèi)環(huán)時(shí)滯位置反饋和外環(huán)高增益比例積分控制器。提出了一種時(shí)滯位置反饋控制器,在反饋環(huán)內(nèi)引入可控的延時(shí)環(huán)節(jié),通過(guò)極點(diǎn)配置提高了系統(tǒng)的阻尼比。由于反饋回路上存在時(shí)延,不能使用常規(guī)的極點(diǎn)配置方法,提出了一種基于廣義Runge-Kutta法的最右極點(diǎn)優(yōu)化配置方法,即利用廣義Runge-Kutta法將時(shí)滯系統(tǒng)的最右極點(diǎn)配置問(wèn)題等價(jià)轉(zhuǎn)化為有限維代數(shù)方程組的最大特征值配置問(wèn)題,然后結(jié)合改進(jìn)型粒子群優(yōu)化算法將時(shí)滯系統(tǒng)的最右極點(diǎn)配置到期望位置,從而解決了時(shí)滯系統(tǒng)的極點(diǎn)配置問(wèn)題。針對(duì)振動(dòng)補(bǔ)償后的系統(tǒng),設(shè)計(jì)高增益比例積分(PI)控制器來(lái)補(bǔ)償磁滯、蠕變等非線性以及外界干擾和模型不確定性等引起的誤差,利用圖形化方法給出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定域邊界,采用反復(fù)試驗(yàn)誤差法尋找滿足系統(tǒng)性能要求的比例系數(shù)和積分系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比于PI控制器,所提出的高帶寬控制器使帶寬從168Hz提高到710Hz。針對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中采用靜態(tài)磁滯模型的不足,提出了一種基于動(dòng)態(tài)封函數(shù)的率相關(guān)Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型來(lái)描述動(dòng)態(tài)磁滯非線性。在傳統(tǒng)P-I模型中引入關(guān)于輸入信號(hào)變化率的動(dòng)態(tài)封函數(shù),并保持原有權(quán)值和閾值不變,建立了一種既能表征靜態(tài)磁滯非線性也能表征動(dòng)態(tài)磁滯非線性的率相關(guān)P-I模型。相比于現(xiàn)有的通過(guò)引入動(dòng)態(tài)閾值或者動(dòng)態(tài)權(quán)值的其他率相關(guān)P-I模型,所提出的率相關(guān)P-I模型具有模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模型參數(shù)少、辨識(shí)方法容易等優(yōu)點(diǎn),而且現(xiàn)有的控制方法可直接應(yīng)用于此模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)磁滯補(bǔ)償。針對(duì)率相關(guān)P-I模型的高度非線性、不可微等特性,提出了一種改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法,通過(guò)引入有效通知機(jī)制和突變策略,提高了算法的收斂速度和辨識(shí)精度,實(shí)現(xiàn)了率相關(guān)P-I模型參數(shù)的精確辨識(shí)。搭建了壓電驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)各種典型軌跡實(shí)際曲線和仿真曲線的對(duì)比,驗(yàn)證了所提出率相關(guān)P-I模型在描述動(dòng)態(tài)磁滯非線性方面的有效性。在建立的率相關(guān)P-I模型的基礎(chǔ)上,提出了一種基于動(dòng)態(tài)磁滯模型的直接逆磁滯補(bǔ)償控制方法,采用率相關(guān)P-I模型直接描述逆磁滯曲線,根據(jù)改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法辨識(shí)的參數(shù),設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)磁滯逆補(bǔ)償器,實(shí)現(xiàn)了壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)磁滯補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)含動(dòng)態(tài)磁滯逆補(bǔ)償器的開(kāi)環(huán)跟蹤控制器和閉環(huán)跟蹤控制器,實(shí)現(xiàn)了壓電驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)的高速軌跡跟蹤。其中,閉環(huán)跟蹤控制器是由前饋通道上的動(dòng)態(tài)磁滯逆補(bǔ)償器和反饋通道上的反饋控制器組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,引入動(dòng)態(tài)磁滯逆補(bǔ)償器后,無(wú)論是開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)情況下,壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的跟蹤精度都得到了顯著的改善。相比于常規(guī)的基于靜態(tài)磁滯逆補(bǔ)償?shù)目刂破?跟蹤誤差的均方根值減少了80%左右。
【關(guān)鍵詞】：壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái) 納米定位 高帶寬控制 磁滯非線性 諧振振動(dòng) 輸入整形 時(shí)滯控制
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TH703
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-33
• 1.1 課題來(lái)源11
• 1.2 研究背景11-14
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-29
• 1.3.1 壓電驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)14-18
• 1.3.2 磁滯非線性建模及補(bǔ)償18-24
• 1.3.3 諧振振動(dòng)控制24-29
• 1.3.4 研究現(xiàn)狀小結(jié)29
• 1.4 論文研究問(wèn)題、內(nèi)容及結(jié)構(gòu)29-33
• 1.4.1 問(wèn)題的提出29-30
• 1.4.2 論文研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)30-33
• 第二章 基于閉環(huán)輸入整形的高帶寬控制策略33-53
• 2.1 引言33
• 2.2 輸入整形控制技術(shù)33-35
• 2.3 高帶寬控制器的設(shè)計(jì)35-40
• 2.3.1 磁滯補(bǔ)償器35-36
• 2.3.2 輸入整形器36-37
• 2.3.3 Smith預(yù)估器37-39
• 2.3.4 反饋控制器39-40
• 2.4 高帶寬控制器的實(shí)現(xiàn)40-46
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹40-42
• 2.4.2 磁滯補(bǔ)償器42-43
• 2.4.3 輸入整形器43-45
• 2.4.4 反饋控制器45-46
• 2.5 實(shí)驗(yàn)研究46-52
• 2.5.1 階躍響應(yīng)測(cè)試47-48
• 2.5.2 正弦跟蹤測(cè)試48-50
• 2.5.3 頻響測(cè)試50-51
• 2.5.4 抗干擾測(cè)試51-52
• 2.6 本章小結(jié)52-53
• 第三章 基于時(shí)滯位置反饋的高帶寬控制策略53-71
• 3.1 引言53
• 3.2 壓電驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)系統(tǒng)模型53-54
• 3.3 高帶寬控制器的設(shè)計(jì)54-63
• 3.3.1 時(shí)滯位置反饋控制器54-59
• 3.3.2 高增益反饋控制器59-63
• 3.4 實(shí)驗(yàn)研究63-69
• 3.4.1 帶寬測(cè)試63-64
• 3.4.2 三角波跟蹤測(cè)試64-68
• 3.4.3 磁滯補(bǔ)償測(cè)試68
• 3.4.4 魯棒性能測(cè)試68-69
• 3.5 本章小結(jié)69-71
• 第四章 基于P-I模型的動(dòng)態(tài)磁滯建模方法71-93
• 4.1 引言71
• 4.2 描述靜態(tài)磁滯的率無(wú)關(guān)P-I模型71-74
• 4.2.1 Play算子71-72
• 4.2.2 傳統(tǒng)P-I模型72-73
• 4.2.3 增強(qiáng)型P-I模型73-74
• 4.3 描述動(dòng)態(tài)磁滯的率相關(guān)P-I模型74-82
• 4.3.1 基于動(dòng)態(tài)封函數(shù)的率相關(guān)Play算子75-77
• 4.3.2 基于動(dòng)態(tài)封函數(shù)的率相關(guān)P-I模型77-78
• 4.3.3 率相關(guān)P-I模型參數(shù)辨識(shí)78-82
• 4.4 實(shí)驗(yàn)研究82-91
• 4.4.1 壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)介紹82-84
• 4.4.2 磁滯測(cè)試及參數(shù)辨識(shí)84-85
• 4.4.3 模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證85-91
• 4.5 本章小結(jié)91-93
• 第五章 基于率相關(guān)P-I模型的逆磁滯補(bǔ)償控制方法93-107
• 5.1 引言93
• 5.2 逆磁滯補(bǔ)償控制方法93-97
• 5.2.1 直接逆磁滯補(bǔ)償器93-95
• 5.2.2 位置跟蹤控制器的設(shè)計(jì)95-97
• 5.3 實(shí)驗(yàn)研究97-105
• 5.3.1 動(dòng)態(tài)磁滯逆補(bǔ)償器參數(shù)辨識(shí)97-99
• 5.3.2 開(kāi)環(huán)跟蹤控制器性能測(cè)試99-103
• 5.3.3 閉環(huán)跟蹤控制器性能測(cè)試103-105
• 5.4 本章小結(jié)105-107
• 第六章 總結(jié)與展望107-113
• 6.1 工作總結(jié)107-109
• 6.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)109-110
• 6.3 研究展望110-113
• 附錄A Floquet轉(zhuǎn)換矩陣的推導(dǎo)113-117
• 附錄B 高增益反饋控制器參數(shù)的推導(dǎo)117-119
• 參考文獻(xiàn)119-135
• 攻讀博士學(xué)位論文期間的科研成果135-139
• 致謝139-142

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