压电陶瓷驱动的二维微纳定位系统迟滞建模与精密控制研究
发布时间：2021-06-24 01:33
随着精密制造技术在更多领域的广泛应用,微纳定位系统逐渐成为学术界和工业界的研究热点。在微纳定位系统当中,驱动器作为极其重要的组成部分,它的性能直接影响了整个系统的输出精度。在众多驱动器中,压电陶瓷驱动器由于超高的分辨率、极快的响应速度、较低的能耗等诸多优势已经成为微纳定位领域较为理想的一种驱动元件。然而压电陶瓷驱动器的电压-位移输出特性表现出一种非光滑的复杂非线性特征,这种特性的存在严重影响了微纳定位系统的整体性能。除此之外,在二维微纳定位系统中广泛表现出压电驱动器间的耦合效应,大大降低了微纳定位系统的输出精度,增加了平台的控制难度,限制了二维微纳定位平台的使用范围。基于以上问题,本文以二维微纳定位平台为研究对象,深入研究压电陶瓷驱动器的迟滞非线性特性及其形成机理,建立了Duhem迟滞模型,通过将迟滞曲线分成升压段与降压段分别进行参数识别的方式提高了建模精度,基于人工鱼群算法,引入蝙蝠算法提高了模型参数的辨识精度。控制方面,首先设计了x轴方向和y轴方向的前馈控制器对压电陶瓷驱动器进行迟滞补偿;又设计了x轴方向和y轴方向的解耦控制器来减少耦合效应对系统造成的影响;最后设计了x轴方向和y轴...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Preisach迟滞算子示意图
杭州电子科技大学硕士学位论文3描述不同材料的迟滞非线性现象，扩大了该模型的应用范围。Preisach模型基本表达式如下：,sytuutdd（1.1）式中：yt表示被控对象的迟滞输出；ut表示迟滞输入；S表示权重不为零的范围；u,表示迟滞算子的权重函数。其中迟滞算子的基本表达式为：11utututut，，，（1.2）式中：表示输入信号改变方向的前一时刻，迟滞算子的输出极值。图1.1Preisach迟滞算子示意图图1.2Preisach平面积分区域图1.1为Preisach迟滞算子示意图。其中算子所在的积分平面被称为Preisach平面，假设积分区域的上下限分别表示为maxu和minu，那么Preisach平面的积分区域可以表示为图1.2的形式。由图1.2可知，Preisach平面的积分区域被划分为两个部分，分别为1S和1S，其中：1S,ut1，1S,ut1。基于此，Preisach模型的数学表达式又可改写为如下形式：11,,ssytuddudd（1.3）Preisach模型的建模原理可以直观的表示为图1.3的形式。
杭州电子科技大学硕士学位论文4图1.3Preisach模型建模原理图图中，每个矩阵中的回线均代表加权迟滞算子，其中表示迟滞输入的上升阈值，则表示迟滞输入的下降阈值。Preisach模型在国内外众多专家学者们的研究过程中不断改进，逐渐成为了应用最为广泛的迟滞非线性模型之一。山东大学的李康[18]等通过选取合适的离散化平面对传统的Preisach算子进行离散化从而建立新的Preisach模型，改进后的Preisach模型与改进前相比能够更精确的描述压电陶瓷驱动器的初始化上升曲线和迟滞主环。南京航空航天大学朱玉川[19]课题组通过在Preisach迟滞算子中引入一个双曲正切函数，构造出的Preisach模型具有动态特性，实验结果表明该动态模型能够较精确地描述压电陶瓷驱动器的动态迟滞现象并具有较好的泛化能力。ZhiLi[20]等基于Preisach模型的标准表达式，用显式的输入信号表达式代替原先的隐式表达式得到改进后的Preisach模型，实现了较好的效果。北京理工大学刘向东[21]团队通过引入指数函数构造出一种不对称迟滞算子，在此基础上建立了动态的Preisach模型，通过神经网络算法进行模型参数的辨识，实验结果表明改进后的动态Preisach模型大大的提高了系统的输出精度。（2）PI模型PI模型是由俄国数学家Krasnosel’skii在深入研究Preisach迟滞算子的基础上提出的。PI模型的建模思想与Preisach模型十分相似，都是利用一定数量不同阈值的基本迟滞算子进行线性加权叠加的方式来描述不同情况下压电陶瓷驱动器的迟滞现象。与Preisach模型相比，PI模型结构更加简单，算法也更容易实现，并且能非常容易的求得解析逆模型，有助于控制器的设计，因而被广泛应用于迟滞非线性系统的建模当中。Play算子的示意图如图1.4（a）所示，在实际建模过程中，往往只用到标准play算子的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Bouc-Wen类迟滞模型的压电微动台建模[J]. 杨晓京,彭芸浩,李尧. 传感器与微系统. 2017(06)
[2]叠堆式压电陶瓷驱动器的复合控制[J]. 刘长利,胡守柱,郭海林,王学军,章文俊. 光学精密工程. 2016(09)
[3]基于三段PI模型的压电驱动器迟滞补偿方法[J]. 马宏伟,须颖,安冬,邵萌,池东亮. 纳米技术与精密工程. 2017(01)
[4]改进蝙蝠算法优化极限学习机的图像分类[J]. 陈海挺. 激光杂志. 2014(11)
[5]基于双曲正切函数磁滞算子的超磁致伸缩驱动器动态Preisach模型[J]. 朱玉川,徐鸿翔,陈龙,李跃松. 机械工程学报. 2014(06)
[6]来自大自然的寻优策略:像蝙蝠一样感知[J]. 刘长平,叶春明,刘满成. 计算机应用研究. 2013(05)
[7]基于不对称指数函数迟滞算子的压电陶瓷执行器动态Preisach迟滞模型[J]. 李黎,刘向东,侯朝桢,赖志林. 中国机械工程. 2009(12)
[8]基于PI模型的压电陶瓷执行器迟滞特性建模[J]. 郭国法,党选举. 微计算机信息. 2008(04)
[9]基于压电驱动技术的细胞微量注射装置[J]. 肖献强,李欣欣,杨志刚,程光明. 微特电机. 2005(10)
[10]基于双目视觉的光纤定位研究[J]. 于波,刘荣,宗光华. 机器人. 2003(04)
博士论文
[1]压电驱动器的迟滞非线性建模与控制[D]. 陈远晟.南京航空航天大学 2013
[2]三明治迟滞非线性系统的建模与控制研究[D]. 马连伟.上海交通大学 2007
[3]一种新型的智能优化方法-人工鱼群算法[D]. 李晓磊.浙江大学 2003
硕士论文
[1]基于电荷控制法的压电惯性摩擦驱动器的设计及控制研究[D]. 余婷婷.华东理工大学 2019
[2]二自由度解耦大行程微纳定位平台设计[D]. 李天翼.杭州电子科技大学 2019
[3]基于Hammerstein模型压电陶瓷执行器迟滞非线性建模及控制方法[D]. 韩婷婷.吉林大学 2017
[4]平面3-RRR压电微动平台位置域轨迹跟踪控制方法研究[D]. 胡守柱.华东理工大学 2016
[5]宏微定位平台的磁滞补偿模型与切换控制研究[D]. 戴旭飞.哈尔滨工业大学 2016
[6]基于改进KP模型的压电陶瓷执行器控制方法研究[D]. 何山波.吉林大学 2015
[7]网络化多轴运动控制系统中交叉耦合控制的研究[D]. 陶绍源.合肥工业大学 2015
[8]压电陶瓷驱动的微纳定位平台系统研究[D]. 郭明陆.东北大学 2014
[9]压电陶瓷驱动器的迟滞非线性建模与控制[D]. 李康.山东大学 2014
[10]微纳定位平台的迟滞非线性建模与控制技术[D]. 贺瑶.浙江大学 2013
本文编号：3246080
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Preisach迟滞算子示意图
杭州电子科技大学硕士学位论文3描述不同材料的迟滞非线性现象，扩大了该模型的应用范围。Preisach模型基本表达式如下：,sytuutdd（1.1）式中：yt表示被控对象的迟滞输出；ut表示迟滞输入；S表示权重不为零的范围；u,表示迟滞算子的权重函数。其中迟滞算子的基本表达式为：11utututut，，，（1.2）式中：表示输入信号改变方向的前一时刻，迟滞算子的输出极值。图1.1Preisach迟滞算子示意图图1.2Preisach平面积分区域图1.1为Preisach迟滞算子示意图。其中算子所在的积分平面被称为Preisach平面，假设积分区域的上下限分别表示为maxu和minu，那么Preisach平面的积分区域可以表示为图1.2的形式。由图1.2可知，Preisach平面的积分区域被划分为两个部分，分别为1S和1S，其中：1S,ut1，1S,ut1。基于此，Preisach模型的数学表达式又可改写为如下形式：11,,ssytuddudd（1.3）Preisach模型的建模原理可以直观的表示为图1.3的形式。
杭州电子科技大学硕士学位论文4图1.3Preisach模型建模原理图图中，每个矩阵中的回线均代表加权迟滞算子，其中表示迟滞输入的上升阈值，则表示迟滞输入的下降阈值。Preisach模型在国内外众多专家学者们的研究过程中不断改进，逐渐成为了应用最为广泛的迟滞非线性模型之一。山东大学的李康[18]等通过选取合适的离散化平面对传统的Preisach算子进行离散化从而建立新的Preisach模型，改进后的Preisach模型与改进前相比能够更精确的描述压电陶瓷驱动器的初始化上升曲线和迟滞主环。南京航空航天大学朱玉川[19]课题组通过在Preisach迟滞算子中引入一个双曲正切函数，构造出的Preisach模型具有动态特性，实验结果表明该动态模型能够较精确地描述压电陶瓷驱动器的动态迟滞现象并具有较好的泛化能力。ZhiLi[20]等基于Preisach模型的标准表达式，用显式的输入信号表达式代替原先的隐式表达式得到改进后的Preisach模型，实现了较好的效果。北京理工大学刘向东[21]团队通过引入指数函数构造出一种不对称迟滞算子，在此基础上建立了动态的Preisach模型，通过神经网络算法进行模型参数的辨识，实验结果表明改进后的动态Preisach模型大大的提高了系统的输出精度。（2）PI模型PI模型是由俄国数学家Krasnosel’skii在深入研究Preisach迟滞算子的基础上提出的。PI模型的建模思想与Preisach模型十分相似，都是利用一定数量不同阈值的基本迟滞算子进行线性加权叠加的方式来描述不同情况下压电陶瓷驱动器的迟滞现象。与Preisach模型相比，PI模型结构更加简单，算法也更容易实现，并且能非常容易的求得解析逆模型，有助于控制器的设计，因而被广泛应用于迟滞非线性系统的建模当中。Play算子的示意图如图1.4（a）所示，在实际建模过程中，往往只用到标准play算子的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Bouc-Wen类迟滞模型的压电微动台建模[J]. 杨晓京,彭芸浩,李尧. 传感器与微系统. 2017(06)
[2]叠堆式压电陶瓷驱动器的复合控制[J]. 刘长利,胡守柱,郭海林,王学军,章文俊. 光学精密工程. 2016(09)
[3]基于三段PI模型的压电驱动器迟滞补偿方法[J]. 马宏伟,须颖,安冬,邵萌,池东亮. 纳米技术与精密工程. 2017(01)
[4]改进蝙蝠算法优化极限学习机的图像分类[J]. 陈海挺. 激光杂志. 2014(11)
[5]基于双曲正切函数磁滞算子的超磁致伸缩驱动器动态Preisach模型[J]. 朱玉川,徐鸿翔,陈龙,李跃松. 机械工程学报. 2014(06)
[6]来自大自然的寻优策略:像蝙蝠一样感知[J]. 刘长平,叶春明,刘满成. 计算机应用研究. 2013(05)
[7]基于不对称指数函数迟滞算子的压电陶瓷执行器动态Preisach迟滞模型[J]. 李黎,刘向东,侯朝桢,赖志林. 中国机械工程. 2009(12)
[8]基于PI模型的压电陶瓷执行器迟滞特性建模[J]. 郭国法,党选举. 微计算机信息. 2008(04)
[9]基于压电驱动技术的细胞微量注射装置[J]. 肖献强,李欣欣,杨志刚,程光明. 微特电机. 2005(10)
[10]基于双目视觉的光纤定位研究[J]. 于波,刘荣,宗光华. 机器人. 2003(04)
博士论文
[1]压电驱动器的迟滞非线性建模与控制[D]. 陈远晟.南京航空航天大学 2013
[2]三明治迟滞非线性系统的建模与控制研究[D]. 马连伟.上海交通大学 2007
[3]一种新型的智能优化方法-人工鱼群算法[D]. 李晓磊.浙江大学 2003
硕士论文
[1]基于电荷控制法的压电惯性摩擦驱动器的设计及控制研究[D]. 余婷婷.华东理工大学 2019
[2]二自由度解耦大行程微纳定位平台设计[D]. 李天翼.杭州电子科技大学 2019
[3]基于Hammerstein模型压电陶瓷执行器迟滞非线性建模及控制方法[D]. 韩婷婷.吉林大学 2017
[4]平面3-RRR压电微动平台位置域轨迹跟踪控制方法研究[D]. 胡守柱.华东理工大学 2016
[5]宏微定位平台的磁滞补偿模型与切换控制研究[D]. 戴旭飞.哈尔滨工业大学 2016
[6]基于改进KP模型的压电陶瓷执行器控制方法研究[D]. 何山波.吉林大学 2015
[7]网络化多轴运动控制系统中交叉耦合控制的研究[D]. 陶绍源.合肥工业大学 2015
[8]压电陶瓷驱动的微纳定位平台系统研究[D]. 郭明陆.东北大学 2014
[9]压电陶瓷驱动器的迟滞非线性建模与控制[D]. 李康.山东大学 2014
[10]微纳定位平台的迟滞非线性建模与控制技术[D]. 贺瑶.浙江大学 2013
本文编号：3246080
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