基于自抗扰与当前循环迭代学习的压电作动器系统高精度运动控制

摘要

作为一种典型的非线性特性，迟滞非线性广泛的存在于现代工业领域之中，并受到众多学者的关注，成为了热门的研究方向之一。为了满足在航空航天、国防科技以及精密微电子等工业生产中对微定位、微操作和微振动控制方面已经达到纳米级别的精度需求，迫切需要对动态迟滞非线性系统的建模与控制进行研究。然而在实际的工程应用中迟滞非线性系统在输入和输出关系上往往呈现出多因素耦合的动态特性，这一复杂的动态特性不仅会限制系统的控制精度，还有可能引起系统不稳定甚至导致系统振荡。传统的非线性理论与控制方法已经不能很好的应对与解决这一复杂的问题。因此，本研究以由智能材料所构成的压电作动器和六自由度立方体结构压电Stewart平台作为控制对象，研究了率相关迟滞非线性系统的建模和高精度运动控制方法，并通过MATLAB-Simulink数值仿真以及dSPACE平台对比实验验证了所提出方法的有效性、优越性和工程适用性。本文的主要工作内容包含以下几个方面：　　(1)基于压电作动器的电气/机械作动机理，将系统的率相关迟滞非线性特性当作外部的扰动，提出了一种SODB压电作动器综合动态模型，摆脱了对具体的系统迟滞模型的依赖，避免了复杂且繁琐的迟滞建模过程，并且该模型的结构简单，便于控制器的设计；　　(2)在SODB模型的基础之上，提出了一种基于ADRC的压电作动器动态迟滞补偿方法。利用LESO对系统状态和扰动进行实时在线估计，并设计控制律对系统迟滞进行消除与控制。通过对压电作动器进行多频率、多类型的参考信号下的跟踪控制实验，并与纯PI控制进行比较，验证了所提出方法能有效地对系统率相关迟滞非线性特性进行补偿；　　(3)在ADRC补偿系统迟滞的基础之上，提出了一种基于CILC的压电作动器高精度运动控制方法，并在迭代域分析及推导了系统误差的学习收敛性条件。在1-200Hz频率范围内的多种类型参考信号输入下进行了跟踪控制实验，并与NPI控制和ASM控制进行对比，实验结果表明了所提出方法的有效性和优越性，显著地提高了系统的控制表现，极大地减小了系统的跟踪误差。最大绝对值误差最低为16.3nm，能够满足工程实际需求；　　(4)在单自由度压电作动器高精度运动控制的基础之上，提出了一种基于ADRC的六自由度立方体结构压电Stewart平台空间高精度运动控制方法。对Stewart平台进行了几何学与运动学分析，设计了平台的运动学逆解和运动学正解方法，并在建立系统综合动态模型的过程中加入了驱动支腿的压电作动器的模型，同时引入了作动器固有的率相关迟滞非线性特性的影响。通过MATLAB-Simulink仿真实验，证明了所提出方法的有效性。

目录

声明

第1章绪论

1.1 课题的背景来源及研究意义

1.2 动态迟滞非线性系统及其研究现状

1.2.1 压电作动器

1.2.2 动态迟滞非线性

1.2.3 压电作动器的国内外研究现状

1.2.4 Stewart平台的国内外研究现状

1.3 本文的研究目标及内容

1.4 本文的研究思路及章节安排

第2章动态迟滞非线性系统建模与控制理论

2.1 迟滞非线性建模理论

2.1.1 物理模型

2.1.2 唯象模型

2.2 动态率相关性建模方法

2.2.1 分离式建模

2.2.2 整体式建模

2.3 动态迟滞非线性系统的控制方法

2.3.1 基于迟滞模型的逆补偿控制

2.3.2 无迟滞模型的直接控制

2.4 本章小结

第3章基于ADRC的压电作动器动态迟滞补偿

3.1 无迟滞模型建模方法

3.2 自抗扰控制器设计

3.2.1 线性扩张状态观测器

3.2.2 控制律

3.3 压电作动器迟滞补偿控制实验

3.3.1压电作动器实验系统

3.3.2 纯PI控制

3.3.3 自抗扰控制

3.4 本章小结

第4章基于CILC的压电作动器高精度运动控制

4.1 CILC方法

4.1.1 控制器设计

4.1.2 收敛性分析

4.1.3 Q滤波器设计

4.1.4 学习滤波器设计

4.2 压电作动器跟踪控制实验

4.2.1 NPI控制

4.2.2 ASM控制

4.2.3 当前循环迭代学习控制

4.3 本章小结

第5章基于ADRC的Stewart平台高精度运动控制

5.1 几何学与运动学分析

5.1.1 运动学逆解

5.1.2 运动学正解

5.2 综合动态建模方法

5.2.1 上移动平台建模

5.2.2 支腿作动器建模

5.2.3 状态空间描述

5.3 ADRC方法

5.4 Stewart平台跟踪控制仿真

5.4.1 PI控制

5.4.2 自抗扰控制

5.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录A 定理3-1证明

附录B 定理4-1证明

攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果