面向压电驱动纳米定位平台的自抗扰运动控制

摘要

随着纳米科学和纳米技术的飞速发展，微纳操控系统逐渐应用到超精密成像、半导体加工、生物医学、数据存储等诸多尖端技术领域。然而，微纳操控系统固有的迟滞等非线性特性，以及系统广泛存在的内部动态示确定性和外部干扰等，都严重影响着系统的运动精度和闭环稳定性，也对实现纳米级分辨率的运动控制理论提出了严峻挑战。本学位论文以纳米压电定位平台为研究对象，深入研究了自抗扰控制理论(ADRC)，旨在满足纳米伺服系统在精确性、速度、稳定性、鲁棒性以及抗干扰性能等方面的要求。在传统ADRC算法的基础上，提出对其状态反馈算法和扩张状态观测器(ESO)设计方法的改进措施，给出相关的理论证明，具体研究内容如下:
　　(1)以自主设计的纳米压电伺服平台为控制对象，从电路特性、机械特性、压电效应和迟滞效应等多场耦合特性入手，建立了纳米定位平台的综合动力学模型，基于离散傅里叶变换算法对伺服系统进行在线辨识，得到系统的传递函数，为后续ADRC算法的设计提供模型基础。
　　(2)将ADRC算法应用于含有驱动器非线性、模型不确定性、传感器噪声等多源干扰的纳米伺服平台控制中，并通过仿真和实验验证了其有效性。
　　(3)针对传统自抗扰控制在参数调节、性能优化上的局限性，提出了基于混合非线性反馈的改进自抗扰控制设计，在不增加控制系统设计难度的前提下，提高了闭环系统瞬态响应性能，使得系统在大量内外不确定性的影响下，仍然可以保持对参考信号的良好跟踪性能，文中同时给出了混合非线性反馈作用下的闭环系统渐进稳定性分析，并证明了ESO和混合非线性反馈控制律作用下的增广系统的跟踪误差收敛性。
　　(4)提出ESO的改进措施:首先，采用遗传算法对ESO的设计参数进行了优化;接着，将可获得的控制对象信息引入到ESO设计中，并给出了其误差的收敛性证明;在此基础上设计了添加控制对象信息的变增益扩张状态观测器，在降低观测器负担的同时，避免了初始阶段的峰值现象，通过坐标变换和李雅普诺夫方法证明了观测误差的收敛性。最后，利用仿真和实验对比验证了对扩张状态观测器的两种改进措施的优越性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景及意义

1．3 纳米定位平台及其控制技术国内外研究现状

1．4 自抗扰控制技术概述

1．4．1 自抗扰控制技术的理论发展

1．4．2 自抗扰控制技术的应用发展

1．5 论文研究内容及章节安排

第2章 纳米定位平台系统搭建及动力学分析

2．1 纳米定位平台及其实时控制系统

2．1．1 压电驱动纳米定位平台

2．1．2 实时控制系统

2．2 纳米定位平台系统建模

2．2．1 压电陶瓷驱动器建模

2．2．2 电压放大电路建模

2．2．3 柔顺机构纳米运动平台建模

2．2．4 纳米定位平台系统综合模型

2．2．5 系统传递函数辨识

2．3 本章小结

第3章 基于纳米定位平台的自抗扰控制应用

3．1 自抗扰控制理论基础

3．1．1 跟踪微分器

3．1．2 扩张状态观测器

3．1．3 状态误差反馈

3．2 纳米定位平台的自抗扰控制器设计

3．3 控制算法的仿真与实验应用

3．3．1 仿真与实验模型搭建

3．3．2 仿真与实验结果分析

3．4 本章小结

第4章 基于混合非线性反馈的改进ADRC设计

4．1 混合非线性反馈理论基础

4．2 基于混合非线性反馈技术的ADRC设计

4．3 闭环系统稳定性证明

4．4 基于纳柴定位平台的改进ADRC控制器设计

4．5 控制算法的仿真与实验应用

4．5．1 仿真与实验模型搭建

4．5．2 仿真与实验结果分析

4．6 本章小结

第5章 扩张状态观测器的设计改进

5．1 基于遗传算法的ESO参数优化

5．1．1 优化设计过程

5．1．2 遗传算法实现

5．1．3 优化结果分析

5．2 含系统模型信息的ESO设计及其收敛性分析

5．3 变增益型ESO设计及其收敛性分析

5．4 基于纳米定位平台的改进型ESO设计

5．4．1 含平台模型信息的ESO参数设计

5．4．2 变增益ESO参数设计

5．5 改进型ESO的仿真与实验应用

5．5．1 改进型ESO仿真模型搭建

5．5．2 仿真与实验结果分析

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术成果

致谢