压电陶瓷驱动器多段改进动态PI模型研究与精度控制

发布时间：2020-04-13 13:10

【摘要】：近年来纳米科学、纳米技术蓬勃发展,微纳米精密定位系统成为研究热点,定位精度对于微纳米定位系统是一个很重要的指标,而定位系统中驱动器件的性能对定位精度有很大影响。在众多驱动器件中压电陶瓷驱动器具有体积小、承载力大、分辨率高、无噪声、不发热等优点,被广泛应用于微定位系统。但是压电陶瓷驱动器的电压位移输出特性有着复杂的非线性关系,在开环条件下给精确定位带来了困难。基于此,本文以压电陶瓷驱动器为研究对象,在研究其迟滞非线性特性的基础上,通过基本算子加权叠加来达到拟合迟滞曲线的目的的基础上,建立了多段改进动态PI模型,并通过MATLAB仿真验证模型与实验数据的拟合程度;以设计模型的逆模型为前馈控制器对压电陶瓷驱动器进行迟滞补偿,并通过仿真对不同频率下的正弦信号跟踪效果进行分析,验证了前馈控制器的精度控制效果。本文具体研究内容如下:(1)设计了一种多段PI模型。该模型以压电陶瓷驱动器迟滞曲线速度变化规律为基础,对基本算子的阈值进行分段辨识进而建立一种改进的PI模型,并通过MATLAB仿真对比传统PI模型,验证模型准确性。(2)设计了一种与输入频率和输入频率导数有关的新型算子(OSP算子)。针对压电陶瓷驱动器具有随着输入频率增加,迟滞环变“宽”的特性,用OSP算子替代多段PI模型中的基本算子,使得新模型能够更精确拟合输入频率变化下的新的迟滞曲线,通过MATLAB仿真验证模型准确性。(3)设计了一种前馈控制器补偿压电陶瓷驱动器的迟滞性。以设计的多段改进动态PI逆模型为基础,通过前馈控制使压电陶瓷驱动器输出理想位移,并对不同频率下的正弦信号跟踪效果做了仿真分析验证控制器的有效性。本论文针对压电陶瓷驱动器设计了一种多段改进动态PI模型并以其逆模型为基础设计相应前馈控制器,通过仿真验证了模型的有效性和控制器的精准度。
【图文】：

压电陶瓷,控制器,电阻应变片,单电压

逡逑图２．４单电压输入实验系统逡逑通过控制器与工作台连接，，研宄压电陶瓷相关特性。本次实验是开环控制，逡逑即虽然使用了控制器，但是是整个系统是开环状态，控制器只起到输入单点电压逡逑以及电路放大的作用，同时通过控制器中的电阻应变片测量压电陶瓷驱动器的位逡逑移量，电阻应变片精度为±０．１％ＦＳ，激光位移传感器作为辅助工具对所测得的位逡逑１５逡逑

单电压,实验系统

１邋时间ｔ邋（Ｓ）邋７逦输入电压Ｕ（Ｖ）邋Ｕｎ逡逑（ａ）输入电压曲线逦（ｂ）压电陶瓷输出曲线逡逑图２．３压电陶瓷主迟滞环与小迟滞环的形成逡逑现实生活中还有很多数学模型可用于说明迟滞现象。如Ｐｒｅｉｓａｃｈ算子就是其逡逑中最为常见的一种。但是由于模型对其在辨识阶段的误差变化、输入输出数据特逡逑别敏感，所以在具体应用时存在诸多因素，不利于收敛计算结果，而最终影响模逡逑型的正确性；另外就现有控制方法来看，大多需要基于迟滞数学模型获取逆模型，逡逑但是获取迟滞逆变模型的过程十分复杂，甚至有可能不存在逆变模型。逡逑从迟滞数学模型的角度来说，只有符合如下要求的模型才可称得上理想的模逡逑型：首先是数学描述应准确、简便，仅涉及到少部分模型参数，且易于获得；其逡逑次具有一定鲁棒性，即系统在一定参数扰动或未知误差下仍能保持其特性；最后逡逑要易于获得迟滞逆变模型，能够准确的拟合迟滞非线性。逡逑２．３压电陶瓷驱动器实验逡逑２．３．１实验平台搭建逦逦逡逑逦压电陶瓷集成式控制器
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273;TM282

【参考文献】