多维超精密定位系统建模与控制关键技术研究

摘要

精密定位技术是超精密加工技术、电子产品组装生产线、集成电路器件制造、生物工程及纳米技术等领域的关键性技术，纳米级定位技术作为纳米技术的一个主要研究方向，已成为各国研究的热点。
　　纳米级定位技术中采用的致动器主要有微电机、压电(PZT)驱动器、形状记忆合金(SMA)驱动器等。压电陶瓷在超精密定位和微位移控制中具有其它驱动器无法比拟的优点，体积小、分辨率高、响应速度快等，是微位移技术中比较理想的驱动元件。但是，压电陶瓷驱动器具有严重的迟滞非线性特性，迟滞具有非光滑的多值映射特性，迟滞不仅会降低控制系统的精度，也会出现与激励信号幅值相关的相移及谐波失真现象，削弱控制系统的反馈作用，造成控制系统不稳定，严重影响压电陶瓷驱动器的广泛应用。为减小这种非线性特性所造成的不良影响，更好地发挥压电陶瓷的性能，很多科研机构和研究人员对压电超精密迟滞非线性系统建模与控制方面开展了相关研究。
　　Duhem模型是一种由微分方程描述的迟滞模型，与Preisach模型相比，Duhem模型最大优点是具有明确的函数表达式，由一个参数α和两个函数f(·)、g(·)描述，能反映压电陶瓷的迟滞特性。由于Duhem模型是一种动态模型，使得模型输出与输入信号的速率相关，符合实际智能材料中迟滞非线性的动态特性。通过调整Duhem模型的参数α和两个函数f(·)、g(·)可以反映不同迟滞模型，因此，Duhem模型能够更精确的描述迟滞非线性。但是，Duhem模型中参数α和函数f(·)、g(·)很难选取，这也是Duhem模型应用的瓶颈。
　　本文根据Weierstrass第一逼近定理，提出了应用多项式函数构造Duhem模型的函数f(·)和g(·)，根据不同精度的要求，选取不同的阶次，解决Duhem模型函数及参数确定难的问题。采用递推最小二乘法，在线辨识Duhem模型的各个参数，并利用辨识结果方便快捷地建立了迟滞逆模型，避免了复杂的模型求逆过程，从而实现对压电超精密定位系统的自适应逆补偿控制。在德国PI公司的三维压电陶瓷执行平台上进行了测试，验证了该算法的有效性和正确性。
　　超精密定位系统是由压电陶瓷作为驱动执行机构的装置，这样压电迟滞的输出成为不可直接测量的量，为系统的辨识带来不便。本文在分析模型的基础上，采用两步辨识方法，成功地解决这一难题。第一步，利用阶跃响应，辨识出线性部分参数。第二步，利用混合快速跟踪微分器设计出线性部分的逆函数，构成迟滞观测器，通过迟滞观测器有效观测出压电陶瓷迟滞输出。利用输入信号和观测值，辨识Duhem模型参数。成功地辨识出了超精密定位系统的模型参数，并利用逆补偿理论和反馈控制技术，实现了压电超精密平台的精密控制，通过实验验证了该方法的有效性。
　　在多维超精密压电陶瓷运动定位系统中，不仅存在严重的非线性迟滞现象，也存在着轴间耦合现象，耦合现象严重影响控制系统的精度，同时也增加了控制器设计的难度。由于维间的耦合机理复杂，因素很多，难以从机理上对其建模，可以应用神经网络建立系统模型。由于迟滞是一对多的映射，因此，神经网络模型对于类似于迟滞非线性无能为力。根据迟滞的特性，本文给出扩展输入空间法构造迟滞算子的基本原则，根据该原则可以方便快捷构造出合适的迟滞算子，应用构造出的算子对神经网络的输入空间进行扩展，实现把原来的一对多映射转化成一对一或多对一映射关系，解决了神经网络不能建立迟滞类模型的问题。本文构造了一种新的动态迟滞算子，并证明了该算子可实现一对一的映射。为了选取最优参数采用遗传算法实现迟滞算子参数自动寻优。应用该算子建立了多维压电陶瓷执行器的迟滞正模型和逆模型。利用迟滞的正、逆模型，观测出多维系统中的维间输出耦合量，根据该观测值，应用前馈补偿实现了多维系统的解耦控制。
　　本文从压电陶瓷的迟滞非线性入手，应用多项式逼近理论和辨识理论，成功应用Duhem模型描述了压电陶瓷的迟滞非线性，并采用两步辨识方法，辨识出由压电陶瓷构成的超精密定位系统的模型。针对该模型设计了迟滞逆补偿器和系统控制器，实验和实践效果良好。在一维的基础上，根据维间存在迟滞强耦合性特点，构造了一种新动态迟滞算子，扩展了输入空间，使得输入输出成为一一映射。利用神经网络建立了耦合系统的正、逆模型，应用该正逆模型设计了前馈控制器实现了维间的解耦控制，应用前馈-反馈控制技术，实现了多维超精密系统的解耦和控制，实验结果验证了该理论的正确性，该算法具有一定的实用价值和推广价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微位移驱动器的现状

1．3 压电微位移系统中存在的问题

1．4 压电微位移系统国内外的研究现状

1．5 论文研究的主要内容及安排

1．6 本章小结

第二章 压电微位移执行器常见模型与控制

2．1 引言

2．2 压电微位移执行器常见模型

2．3 压电微位移系统控制算法

2．4 本章小结

第三章 压电超精密执行器的参数辨识与逆补偿

3．1 引言

3．2 压电超精密执行器Duhem模型中函数的确立

3．3 压电超精密执行器Duhem模型的逆补偿

3．4 实验验证

3．5 本章小结

第四章 压电超精密定位系统的建模与控制

4．1 引言

4．2 压电超精密定位系统结构及模型

4．3 跟踪-微分法压电超精密定位系统模型辨识

4．4 实验验证

4．5 本章小结

第五章 扩展输入空间法超精密定位系统神经网络建模

5．1 引言

5．2 扩展输入空间法迟滞算子的构造原则及方法

5．3 基于遗传算法的迟滞算子参数自寻优

5．4 基于扩展空间法超精密定位系统神经网络建模

5．5 本章小结

第六章 多维超精密定位系统的解耦控制与实现

6．1 引言

6．2 多维超精密定位系统解耦控制

6．3 多维超精密压电定位平台简介

6．4 德国PI公司三维精密压电陶瓷超精密定位系统建模与控制

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 论文主要的创新点

7．3 发展与展望

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文

攻读博士期间参加的科研项目

致谢