面向微操作的电热驱动器阻抗控制研究

发布时间：2020-04-02 10:21

【摘要】：微操作技术是指对于微观尺度下的对象进行操作的相关技术,是支撑微机电、半导体、生物研究、医药开发等领域快速发展的关键技术。微操作的操作效果由操作工具的性能直接决定。操作工具通常由驱动器和执行器构成。其中,驱动器作为操作工具的核心驱动元件,决定了操作工具的响应能力和操作水平。但是,大多数驱动器的响应速度和动力学特性等指标不能满足复杂操作的要求,需要通过设计控制系统来改善其响应能力,最终提高微操作的效率和适应性。而目前大多数关于驱动器的控制研究还只停留在位置控制层面,没有考虑驱动器与环境间的交互问题,这限制了微操作操作水平的提高和应用范围的拓展。本文以常用的电热驱动器为主要研究对象,将主要用于宏观领域的阻抗控制技术引入微操作领域,从控制角度改善驱动器的响应速度和动态交互能力,从而提高操作工具性能,促进微操作技术的发展与应用。具体研究内容包括以下几个方面:(1)建立了电热驱动器的控制模型,并根据模型进行了控制系统的响应特性、稳态误差、稳定性和频率响应等分析,揭示了电热驱动器的响应特性。以分析结果作为理论依据,分别设计了比例控制器、比例微分控制器和前馈控制器,改善了电热驱动器的位置响应特性,为后续实现阻抗控制奠定了基础。(2)针对电热驱动器的特性,制定了有效的阻抗控制实现方案,分析并提出了阻抗控制器的设计方法。通过仿真和实验,检验了阻抗控制在改善电热驱动器交互能力方面的效果,并具体研究了各个阻抗参数对于控制系统响应的影响,为阻抗参数的设计提供指导。(3)为细胞操作实验平台开发了配套的操作软件,能够对显微相机、动平台、机械手、驱动电源等硬件进行程序控制,实现了图像实时显示、宏观运动控制、离散采样、数字控制器、数据输出与保存等功能,用于开展阻抗控制研究和细胞操作实验。(4)建立了电热驱动夹持器的控制模型,并通过参数辨识确定了模型参数。分析并研究了夹持器在细胞操作过程中的响应特性和阻抗参数对于夹持器交互能力的影响。针对电热驱动夹持器设计阻抗控制器,实现了对细胞的柔顺夹持操作。
【图文】：

a) 微吸管 b) 夹持器[12]a) Micropipette b) Microgripper[12]图 1-5 用于细胞操作的两种典型工具Fig.1-5 Two typical tools for cell manipulation如何合理地进行细胞夹持，实际上是个控制问题。目前，大多数有关细胞夹持器的研究并没有考虑细胞夹持的控制问题，少数文献也只研究了夹持器的位置控制[13]和单纯的接触力控制[12, 14]，尚没有文献从阻抗的角度，综合考虑夹持器与细胞间的动态交互特性，从而实现柔顺的细胞夹持过程。因此，针对细胞夹持操作进行阻抗控制研究，有助于提高细胞操作的研究水平和实际效果。1.2.2 微驱动器微操作器通常由执行器和驱动器构成。执行器决定了微操作的具体形式，而驱动器则决定了操作器的响应性能，进而决定了微操作的实际效果。因此，研究驱动器的阻抗控制对于提升微操作的操作水平具有决定意义。

图 2-4 变化时的控制系统根轨迹图2-4 Root locus of the control system with the variation of 了当 变化时，，控制系统极点在 s 平面上的位置变闭环控制系统有唯一极点，且该极点始终位于实轴系统始终是稳定的。随着 增大，系统极点沿实轴响应特性越发接近纯刚体。由于该控制系统为一阶会存在超调、振荡问题，故只需要通过选取适当的态误差即可。 有助于加快响应速度，下面进一步分析稳态误差 )的作用时，根据式(2-10)可得系统的响应误差为：1( ) ( )1 ( ) ( )rcE s X sG s G s
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH702

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本文编号：2611821