压电作动器迟滞非线性建模与补偿控制研究

摘要

随着超精密运动系统的飞速发展，针对压电作动器的建模和控制研究逐渐成为学术热点。当前，阻碍压电作动器发展的一个主要因素是其迟滞非线性，特别是当压电作动器应用于精度要求很高的场合时，迟滞非线性对压电作动器运动定位精度的影响不可忽视。为应对这些挑战，本学位论文针对压电陶瓷作动器的迟滞非线性特征，从系统建模、控制器设计和实验验证三个方面展开研究。鉴于压电材料广阔的应用前景，本文旨在发展迟滞非线性建模和补偿控制技术，从理论和实践两方面推动微/纳制造及其相关技术领域的进步。主要研究内容如下：
　　提出了用于准确描述压电陶瓷作动器迟滞非线性的非对称Bouc-Wen模型。通过实验测量得出压电陶瓷作动器的迟滞回线。提出基于粒子群优化算法的非对称Bouc-Wen模型参数辨识方法，以实现对非对称Bouc-Wen模型的参数辨识。实验结果表明，所提出的非对称Bouc-Wen模型相较于传统Bouc-Wen模型，更加符合压电陶瓷作动器的迟滞非线性，具有更高的建模精度。此外，提出了一种基于粒子群优化算法的迟滞非线性系统线性化技术，设计了一套基于几乎扰动解耦的H∞鲁棒控制系统。搭建了堆叠式压电陶瓷作动器运动控制实验平台。实验结果表明，采用该H∞鲁棒控制系统，压电陶瓷作动器的迟滞非线性得到抑制。
　　建立了一种用于描述压电陶瓷作动器迟滞非线性行为的率相关非对称Bouc-Wen模型。实验验证了该模型能够对压电陶瓷作动器输出位移与输入电压频率之间的关系进行合理描述。基于率相关非对称Bouc-Wen模型，提出了一种逆迟滞前馈补偿控制器，它与压电陶瓷作动器串联连接，实现对率相关非对称迟滞非线性的直接补偿控制。实验结果表明，该逆迟滞前馈补偿控制器能够有效地抑制压电陶瓷作动器率相关迟滞非线性所带来的运动定位误差。
　　提出了一种用于精确描述压电陶瓷作动器迟滞非线性的在线自适应率相关迟滞非线性模型。实验结果表明，该在线自适应率相关模型所表现出的良好率相关性，与压电陶瓷作动器真实的迟滞非线性行为相吻合。为了有效地补偿压电陶瓷作动器的迟滞非线性对其运动精度的影响，进一步提出了一种非线性自适应逆控制器。采用该非线性自适应逆控制器，压电陶瓷作动器的运动定位精度可达数十纳米级。
　　设计了一种传感―作动一体式压电智能精密运动平台，其能够在无需外加传感器的情况下对自身运动性能进行监测。研制了一种压电智能结构，并对该压电智能结构的力传感灵敏度进行了标定。进一步地，通过有限元分析和实验验证，揭示了压电智能结构内部存在的串扰现象。根据压电智能结构的物理模型以及对其串扰现象的分析结果，建立了传感―作动一体式压电智能精密运动平台的动力学模型，并测试了该压电智能精密运动平台对其输出位移进行有效监测的能力。为有效补偿率相关迟滞非线性对所设计的传感―作动一体式压电智能精密运动平台的影响，设计了非线性自适应逆控制器。实验结果表明，所设计的传感―作动一体式压电智能精密运动平台能够在无外加传感器的情况下，对不同频率的参考信号进行运动跟踪。

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1 绪论

1.1 课题来源与研究背景

1.2 压电陶瓷作动器

1.3 超精密微位移运动平台

1.4 压电陶瓷作动器迟滞非线性建模与补偿

1.5 论文的研究内容及结构

2 基于非对称Bouc-Wen模型的迟滞建模与鲁棒控制器设计

2.1 引言

2.2 非对称Bouc-Wen模型

2.3 基于粒子群优化算法的非对称Bouc-Wen模型参数辨识

2.4 基于非对称Bouc-Wen模型的H∞鲁棒控制器设计

2.5 实验验证

2.6 本章小结

3 基于率相关迟滞非线性模型的逆补偿控制

3.1 引言

3.2 率相关非对称Bouc-Wen模型

3.3 基于率相关非对称Bouc-Wen模型的逆补偿控制器设计

3.4 实验验证

3.5 本章小结

4 基于神经网络的迟滞非线性建模与非线性自适应逆控制

4.1 引言

4.2 基于神经网络的迟滞非线性建模

4.3 非线性自适应逆控制器设计

4.4 实验验证

4.5 本章小结

5 传感―作动一体式的压电智能精密运动平台

5.1 引言

5.2 压电智能精密运动平台设计

5.3 压电智能精密运动平台建模、分析与标定

5.4 压电智能精密运动平台非线性自适应逆控制

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 论文创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间申请的发明专利和其他成果