压电陶瓷驱动的微动工作台建模与控制研究
发布时间：2017-10-11 04:17
本文关键词：压电陶瓷驱动的微动工作台建模与控制研究
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【摘要】：微动工作台是超精密加工、精密驱动、精密测量等前沿学科研究中应必备的关键仪器设备。压电陶瓷由于具有压电效应,可以产生纳米级别的伸缩变形,目前广泛作为微动工作台的驱动器。然而压电式的微动工作台固有的迟滞特性、蠕变特性和动态特性严重影响了微动工作台的定位精度。本文主要以压电陶瓷作为驱动器,以柔性铰链作为支撑导轨的一体式的压电微动工作台作为研究对象,设计了压电微动工作台的上位机数据采集程序和控制软件,然后针对压电微动工作台的迟滞特性和动态特性进行建模和控制研究。具体的研究内容有以下几个方面：1.针对XP-611型压电微动工作台,搭建了压电微动工作台的的实验系统。实验系统由以下几个工作模块组成：位移传感模块、驱动电源模块、压电微动工作台、计算机机控制系统。2.在搭建的实验系统基础上,在Labview开发环境下编写了数据采集程序,对压电微动工作台的迟滞特性、动态特性和蠕变特性进行了测试分析。分析结果表明,压电微动工作台的蠕变特性对定位精度影响较小,在对定位精度要求不是极高的情况下蠕变特性可以忽略不予考虑。而迟滞特性和动态特性对于压电微动工作台的定位精度影响较大。当压电微动工作台工作在小范围慢速定位条件下迟滞特性和动态特性都体现的不明显,当工作在慢速定位条件下主要体现迟滞特性,动态特性表现不明显。而在大范围快速定位条件下,这时候动态特性和迟滞特性表现的较为严重,对定位精度影响极大。3.综合考虑微动工作台的动态特性和迟滞特性,建立了微动工作台的数学模型。其中迟滞特性建模采用PI模型,阈值采用非等分阈值法确定,权重系数首先在离线条件下拟合初载曲线进行辨识,然后在工作台工作条件下进行在线修正。动态特性建模采用二阶系统,其传递函数模型中的各参数通过频率分析法进行确定。通过精密微动实验平台,进行了二阶系统模型参数识别和PI迟滞模型参数识别。4.将具有快速响应特性的CMAC神经网络引入到压电微动工作台的控制中来,综合考虑CMAC神经网络控制和传统的PID控制,将二者相互结合,设计了压电微动工作台的CMAC-PID复合控制器。利用Matlab对PID控制和CMAC-PID复合控制分别进行了仿真。在Labview的开发环境下编写了压电微动工作台的上位机控制程序,分别对两种控制进行了跟踪实验对比。通过对仿真和实验数据的分析,得出CMAC-PID复合控制对于压电微动工作台的控制是有效的。
【关键词】：微定位 压电微动工作台 特性测试 动态迟滞建模 复合控制
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH703.8
【目录】：
- 摘要5-7
- Abstract7-11
- 第一章 绪论11-25
- 1.1 论文的研究背景与意义11-12
- 1.2 压电微动工作台的建模与控制研究现状12-21
- 1.2.1 压电微动工作台的数学模型研究现状12-18
- 1.2.2 压电微动工作台控制技术研究现状18-21
- 1.3 论文的研究目的和内容21-25
- 第二章 压电微动工作台系统实验平台及相关特性分析25-45
- 2.1 压电微定位系统组成25-26
- 2.2 压电微动工作台26-33
- 2.2.1 压电陶瓷驱动器27-31
- 2.2.2 柔性铰链支撑导向机构31-33
- 2.3 压电控制器33-35
- 2.4 压电微动工作台相关特性测试35-44
- 2.4.1 实验平台35
- 2.4.2 上位机数据采集程序35-36
- 2.4.3 重复性试验36-37
- 2.4.4 压电微动工作台蠕变特性测试37-39
- 2.4.5 压电微动工作台的输入电压实验39-44
- 2.5 本章小结44-45
- 第三章 基于动态迟滞特性的压电微动工作台复合模型45-61
- 3.1 压电微动工作台的内部工作机制45-47
- 3.2 压电微动工作台的数学模型47-51
- 3.2.1 压电微动工作台的迟滞模型47-49
- 3.2.2 压电微动工作台的线性比例动态模型49-50
- 3.2.3 压电微动工作台的动态迟滞复合模型50-51
- 3.3 压电微动工作台动态迟滞复合模型建模过程51-60
- 3.3.1 二阶系统参数的辨识51-53
- 3.3.2 迟滞非线性H~+[*]的辨识53-57
- 3.3.3 基于实验的参数辩识57-60
- 3.4 本章小结60-61
- 第四章 压电微动工作台的CMAC-PID复合控制方案61-83
- 4.1 CMAC网络61-68
- 4.1.1 CMAC网络简介61
- 4.1.2 CMAC网络的结构61-63
- 4.1.3 CMAC网络的工作原理63-68
- 4.1.4 CMAC网络的学习算法68
- 4.2 CMAC-PID控制方案的设计68-70
- 4.3 压电微动工作台的CMAC-PID复合控制仿真与结果分析70-76
- 4.3.1 PID参数整定70-74
- 4.3.2 压电微动工作台单点控制仿真分析74-76
- 4.4 压电微动工作台控制实验与结果分析76-82
- 4.4.1 微动工作台上位机控制程序76-79
- 4.4.2 控制实验与结果分析79-82
- 4.5 本章小结82-83
- 第五章 总结与展望83-85
- 5.1 总结83-84
- 5.2 展望84-85
- 致谢85-87
- 参考文献87-93
- 附录：在学期间的研究成果93
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本文编号：1010416
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