本文關鍵詞：壓電驅動納米定位平臺的高帶寬控制理論和方法研究

  更多相關文章： 壓電驅動平臺 納米定位 高帶寬控制 磁滯非線性 諧振振動 輸入整形 時滯控制

【摘要】：隨著納米科技的飛速發(fā)展,納米定位平臺的應用越來越廣泛。壓電驅動器因具有響應速度快、定位精度高、輸出力大等優(yōu)點被廣泛用于驅動納米定位平臺的柔性鉸鏈機構。但是,壓電驅動器存在的復雜磁滯非線性,嚴重影響了系統(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,壓電驅動定位平臺的低阻尼諧振振動會產(chǎn)生低增益裕量問題,限制了閉環(huán)系統(tǒng)控制帶寬的提升。當輸入信號中含有高頻成分時,容易激發(fā)系統(tǒng)的機械諧振,造成輸出軌跡的振動。因此,為了實現(xiàn)高帶寬納米精度的運動控制,必須同時考慮如何補償壓電驅動平臺的磁滯非線性和諧振振動特性。本學位論文以壓電驅動納米定位平臺為研究對象,深入分析了壓電驅動器的磁滯非線性和微位移平臺的諧振振動特性,研究了壓電驅動定位平臺的高帶寬納米精度控制理論和方法,擴展了其在高速高精運動控制領域的應用,主要研究內容如下:將壓電驅動納米定位平臺的動力學模型表征為靜態(tài)磁滯非線性與線性系統(tǒng)串聯(lián)的形式,設計了一種基于閉環(huán)輸入整形的高帶寬控制器。采用增強型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償靜態(tài)磁滯非線性。針對磁滯補償后的線性系統(tǒng)設計了由環(huán)內輸入整形器和Smith預估器組成的閉環(huán)輸入整形器,其中,環(huán)內輸入整形器用于抑制諧振振動,Smith預估器避免了閉環(huán)系統(tǒng)由延時時間引起的不穩(wěn)定性。設計了高增益比例積分(PI)反饋控制器,補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,實現(xiàn)了高帶寬納米精度的跟蹤運動。實驗結果表明,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。設計了一種基于時滯位置反饋的高帶寬控制器,包括內環(huán)時滯位置反饋和外環(huán)高增益比例積分控制器。提出了一種時滯位置反饋控制器,在反饋環(huán)內引入可控的延時環(huán)節(jié),通過極點配置提高了系統(tǒng)的阻尼比。由于反饋回路上存在時延,不能使用常規(guī)的極點配置方法,提出了一種基于廣義Runge-Kutta法的最右極點優(yōu)化配置方法,即利用廣義Runge-Kutta法將時滯系統(tǒng)的最右極點配置問題等價轉化為有限維代數(shù)方程組的最大特征值配置問題,然后結合改進型粒子群優(yōu)化算法將時滯系統(tǒng)的最右極點配置到期望位置,從而解決了時滯系統(tǒng)的極點配置問題。針對振動補償后的系統(tǒng),設計高增益比例積分(PI)控制器來補償磁滯、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,采用反復試驗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)。實驗結果表明,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。針對壓電驅動平臺傳統(tǒng)動力學模型中采用靜態(tài)磁滯模型的不足,提出了一種基于動態(tài)封函數(shù)的率相關Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型來描述動態(tài)磁滯非線性。在傳統(tǒng)P-I模型中引入關于輸入信號變化率的動態(tài)封函數(shù),并保持原有權值和閾值不變,建立了一種既能表征靜態(tài)磁滯非線性也能表征動態(tài)磁滯非線性的率相關P-I模型。相比于現(xiàn)有的通過引入動態(tài)閾值或者動態(tài)權值的其他率相關P-I模型,所提出的率相關P-I模型具有模型結構簡單、模型參數(shù)少、辨識方法容易等優(yōu)點,而且現(xiàn)有的控制方法可直接應用于此模型實現(xiàn)動態(tài)磁滯補償。針對率相關P-I模型的高度非線性、不可微等特性,提出了一種改進粒子群優(yōu)化算法,通過引入有效通知機制和突變策略,提高了算法的收斂速度和辨識精度,實現(xiàn)了率相關P-I模型參數(shù)的精確辨識。搭建了壓電驅動納米定位平臺實驗系統(tǒng),通過各種典型軌跡實際曲線和仿真曲線的對比,驗證了所提出率相關P-I模型在描述動態(tài)磁滯非線性方面的有效性。在建立的率相關P-I模型的基礎上,提出了一種基于動態(tài)磁滯模型的直接逆磁滯補償控制方法,采用率相關P-I模型直接描述逆磁滯曲線,根據(jù)改進粒子群優(yōu)化算法辨識的參數(shù),設計了動態(tài)磁滯逆補償器,實現(xiàn)了壓電驅動平臺的動態(tài)磁滯補償。在此基礎上,分別設計含動態(tài)磁滯逆補償器的開環(huán)跟蹤控制器和閉環(huán)跟蹤控制器,實現(xiàn)了壓電驅動納米定位平臺的高速軌跡跟蹤。其中,閉環(huán)跟蹤控制器是由前饋通道上的動態(tài)磁滯逆補償器和反饋通道上的反饋控制器組成。實驗結果表明,引入動態(tài)磁滯逆補償器后,無論是開環(huán)還是閉環(huán)情況下,壓電驅動平臺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)磁滯逆補償?shù)目刂破?跟蹤誤差的均方根值減少了80%左右。
【關鍵詞】：壓電驅動平臺 納米定位 高帶寬控制 磁滯非線性 諧振振動 輸入整形 時滯控制
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH703
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-33
• 1.1 課題來源11
• 1.2 研究背景11-14
• 1.3 國內外研究現(xiàn)狀14-29
• 1.3.1 壓電驅動納米定位平臺14-18
• 1.3.2 磁滯非線性建模及補償18-24
• 1.3.3 諧振振動控制24-29
• 1.3.4 研究現(xiàn)狀小結29
• 1.4 論文研究問題、內容及結構29-33
• 1.4.1 問題的提出29-30
• 1.4.2 論文研究內容及結構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33-35
• 2.3 高帶寬控制器的設計35-40
• 2.3.1 磁滯補償器35-36
• 2.3.2 輸入整形器36-37
• 2.3.3 Smith預估器37-39
• 2.3.4 反饋控制器39-40
• 2.4 高帶寬控制器的實現(xiàn)40-46
• 2.4.1 實驗系統(tǒng)介紹40-42
• 2.4.2 磁滯補償器42-43
• 2.4.3 輸入整形器43-45
• 2.4.4 反饋控制器45-46
• 2.5 實驗研究46-52
• 2.5.1 階躍響應測試47-48
• 2.5.2 正弦跟蹤測試48-50
• 2.5.3 頻響測試50-51
• 2.5.4 抗干擾測試51-52
• 2.6 本章小結52-53
• 第三章 基于時滯位置反饋的高帶寬控制策略53-71
• 3.1 引言53
• 3.2 壓電驅動定位平臺系統(tǒng)模型53-54
• 3.3 高帶寬控制器的設計54-63
• 3.3.1 時滯位置反饋控制器54-59
• 3.3.2 高增益反饋控制器59-63
• 3.4 實驗研究63-69
• 3.4.1 帶寬測試63-64
• 3.4.2 三角波跟蹤測試64-68
• 3.4.3 磁滯補償測試68
• 3.4.4 魯棒性能測試68-69
• 3.5 本章小結69-71
• 第四章 基于P-I模型的動態(tài)磁滯建模方法71-93
• 4.1 引言71
• 4.2 描述靜態(tài)磁滯的率無關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 增強型P-I模型73-74
• 4.3 描述動態(tài)磁滯的率相關P-I模型74-82
• 4.3.1 基于動態(tài)封函數(shù)的率相關Play算子75-77
• 4.3.2 基于動態(tài)封函數(shù)的率相關P-I模型77-78
• 4.3.3 率相關P-I模型參數(shù)辨識78-82
• 4.4 實驗研究82-91
• 4.4.1 壓電驅動平臺系統(tǒng)介紹82-84
• 4.4.2 磁滯測試及參數(shù)辨識84-85
• 4.4.3 模型實驗驗證85-91
• 4.5 本章小結91-93
• 第五章 基于率相關P-I模型的逆磁滯補償控制方法93-107
• 5.1 引言93
• 5.2 逆磁滯補償控制方法93-97
• 5.2.1 直接逆磁滯補償器93-95
• 5.2.2 位置跟蹤控制器的設計95-97
• 5.3 實驗研究97-105
• 5.3.1 動態(tài)磁滯逆補償器參數(shù)辨識97-99
• 5.3.2 開環(huán)跟蹤控制器性能測試99-103
• 5.3.3 閉環(huán)跟蹤控制器性能測試103-105
• 5.4 本章小結105-107
• 第六章 總結與展望107-113
• 6.1 工作總結107-109
• 6.2 論文創(chuàng)新點109-110
• 6.3 研究展望110-113
• 附錄A Floquet轉換矩陣的推導113-117
• 附錄B 高增益反饋控制器參數(shù)的推導117-119
• 參考文獻119-135
• 攻讀博士學位論文期間的科研成果135-139
• 致謝139-142

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