压电微夹钳的自感知控制方法研究

摘要

为省掉外部传感器，本文在对已研制压电微夹钳进行改进设计和静动态特性有限元分析的基础上，探索了钳指位移的自感知方法及控制方法，具体工作如下：
　　1)基于压电双晶片执行器，考虑到钳体整体安装定位、指尖便于夹持及电极线易于引出，改进了已研制压电微夹钳的结构；采用ANSYS对改进后的微夹钳进行了静动态特性分析，结果表明：在90 V的最大驱动电压作用下，钳指的最大位移为98.4μm；钳指的一阶固有频率为661Hz；在20 V的阶跃电压作用下，钳指末端达到稳态时的位移约为21.5μm，响应时间约为0.08 s；在仿真分析的基础上，制作出了微夹钳实物。
　　2)根据压电陶瓷晶体的变形与表面电荷的关系，提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法；基于Smits压电悬臂梁理论，推导出自感知钳指位移与加持力的数学模型；设计了自感知电路，给出了自感知电路必须满足的平衡条件，即压电晶片的等效电容与漏电阻之积必须等于积分电容与平衡电阻之积；通过实验验证了自感知方法的有效性，结果表明：通过自感知方法所获得的钳指位移与外部传感器所获得的结果具有较好的一致性。
　　3)基于改进Prandtl-Ishilinskii模型建立了压电微夹钳的迟滞模型，设计了其前馈控制器，通过实验验证了前馈控制的有效性，结果表明：前馈控制系统能显著降低微夹钳的迟滞误差，提高其响应速度，钳指达到5μm参考位移的响应时间约为0.12 s；在0~15.2μm的参考位移范围内，钳指的迟滞误差由无前馈控制时的3.2μm左右减小到了1.1μm左右；在前馈控制下，通过自感知方法所获得的电荷曲线同独立传感器所获得的位移曲线具有较好的一致性。
　　4)通过改进常规PID控制，设计出抛物线积分与微分先行的微夹钳PID反馈控制器，实验验证了PID反馈控制的有效性，结果表明：在独立传感器反馈下，PID控制能够完全消除微夹钳的迟滞误差，但响应时间变慢，钳指达到5μm参考位移的响应时间约为0.18 s；在自感知反馈下，经PID控制后钳指位移的稳态误差小于前馈控制，但响应时间变慢，钳指达到0.35μC参考电荷（对应于5μm参考位移）的响应时间为0.4 s。
　　5)将改进前馈控制同改进PID反馈控制相结合，设计出微夹钳的复合控制器，实验验证了复合控制的有效性，结果表明：无论是独立传感器反馈下，还是自感知反馈下，复合控制均兼有前馈控制和PID反馈控制二者的优点，即响应时间更快并且稳态精度更高。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3论文的主要工作

2 微夹钳的结构改进设计及静动态特性分析

2.1微夹钳结构的改进设计

2.2微夹钳的静动态特性有限元分析

2.3 本章小结

3 微夹钳输出自感知方法的实现

3.1 钳指位移与夹持力的自感知原理

3.2 自感知电路设计

3.3 自感知实验验证

3.4 本章小结

4 微夹钳的前馈控制

4.1 基于改进PI模型的微夹钳迟滞建模

4.2 基于改进PI模型的微夹钳前馈控制器设计

4.3 前馈控制的实验验证

4.4 本章小结

5 微夹钳的反馈控制

5.1 基于改进PID的微夹钳反馈控制器设计

5.2 PID反馈控制的实验验证

5.3本章小结

6 微夹钳的复合控制

6.1 微夹钳复合控制器的设计

6.2 复合控制的实验验证

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 进一步工作展望

参考文献

在校期间研究成果

致谢