压电驱动纳米定位平台的高带宽控制理论和方法研究

发布时间：2017-07-06 23:26

  本文关键词：压电驱动纳米定位平台的高带宽控制理论和方法研究

  更多相关文章： 压电驱动平台 纳米定位 高带宽控制 磁滞非线性 谐振振动 输入整形 时滞控制

【摘要】：随着纳米科技的飞速发展,纳米定位平台的应用越来越广泛。压电驱动器因具有响应速度快、定位精度高、输出力大等优点被广泛用于驱动纳米定位平台的柔性铰链机构。但是,压电驱动器存在的复杂磁滞非线性,严重影响了系统的定位精度,甚至可能造成闭环系统的不稳定。同时,压电驱动定位平台的低阻尼谐振振动会产生低增益裕量问题,限制了闭环系统控制带宽的提升。当输入信号中含有高频成分时,容易激发系统的机械谐振,造成输出轨迹的振动。因此,为了实现高带宽纳米精度的运动控制,必须同时考虑如何补偿压电驱动平台的磁滞非线性和谐振振动特性。本学位论文以压电驱动纳米定位平台为研究对象,深入分析了压电驱动器的磁滞非线性和微位移平台的谐振振动特性,研究了压电驱动定位平台的高带宽纳米精度控制理论和方法,扩展了其在高速高精运动控制领域的应用,主要研究内容如下:将压电驱动纳米定位平台的动力学模型表征为静态磁滞非线性与线性系统串联的形式,设计了一种基于闭环输入整形的高带宽控制器。采用增强型P-I模型直接描述静态逆磁滞曲线,建立逆磁滞模型并作为前馈控制器补偿静态磁滞非线性。针对磁滞补偿后的线性系统设计了由环内输入整形器和Smith预估器组成的闭环输入整形器,其中,环内输入整形器用于抑制谐振振动,Smith预估器避免了闭环系统由延时时间引起的不稳定性。设计了高增益比例积分(PI)反馈控制器,补偿了外界干扰和模型不确定性等引起的误差以及蠕变、漂移等非线性,实现了高带宽纳米精度的跟踪运动。实验结果表明,相比于PI控制器,所提出的高带宽控制器使带宽从22.6Hz提高到510Hz。设计了一种基于时滞位置反馈的高带宽控制器,包括内环时滞位置反馈和外环高增益比例积分控制器。提出了一种时滞位置反馈控制器,在反馈环内引入可控的延时环节,通过极点配置提高了系统的阻尼比。由于反馈回路上存在时延,不能使用常规的极点配置方法,提出了一种基于广义Runge-Kutta法的最右极点优化配置方法,即利用广义Runge-Kutta法将时滞系统的最右极点配置问题等价转化为有限维代数方程组的最大特征值配置问题,然后结合改进型粒子群优化算法将时滞系统的最右极点配置到期望位置,从而解决了时滞系统的极点配置问题。针对振动补偿后的系统,设计高增益比例积分(PI)控制器来补偿磁滞、蠕变等非线性以及外界干扰和模型不确定性等引起的误差,利用图形化方法给出闭环系统的稳定域边界,采用反复试验误差法寻找满足系统性能要求的比例系数和积分系数。实验结果表明,相比于PI控制器,所提出的高带宽控制器使带宽从168Hz提高到710Hz。针对压电驱动平台传统动力学模型中采用静态磁滞模型的不足,提出了一种基于动态封函数的率相关Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型来描述动态磁滞非线性。在传统P-I模型中引入关于输入信号变化率的动态封函数,并保持原有权值和阈值不变,建立了一种既能表征静态磁滞非线性也能表征动态磁滞非线性的率相关P-I模型。相比于现有的通过引入动态阈值或者动态权值的其他率相关P-I模型,所提出的率相关P-I模型具有模型结构简单、模型参数少、辨识方法容易等优点,而且现有的控制方法可直接应用于此模型实现动态磁滞补偿。针对率相关P-I模型的高度非线性、不可微等特性,提出了一种改进粒子群优化算法,通过引入有效通知机制和突变策略,提高了算法的收敛速度和辨识精度,实现了率相关P-I模型参数的精确辨识。搭建了压电驱动纳米定位平台实验系统,通过各种典型轨迹实际曲线和仿真曲线的对比,验证了所提出率相关P-I模型在描述动态磁滞非线性方面的有效性。在建立的率相关P-I模型的基础上,提出了一种基于动态磁滞模型的直接逆磁滞补偿控制方法,采用率相关P-I模型直接描述逆磁滞曲线,根据改进粒子群优化算法辨识的参数,设计了动态磁滞逆补偿器,实现了压电驱动平台的动态磁滞补偿。在此基础上,分别设计含动态磁滞逆补偿器的开环跟踪控制器和闭环跟踪控制器,实现了压电驱动纳米定位平台的高速轨迹跟踪。其中,闭环跟踪控制器是由前馈通道上的动态磁滞逆补偿器和反馈通道上的反馈控制器组成。实验结果表明,引入动态磁滞逆补偿器后,无论是开环还是闭环情况下,压电驱动平台的跟踪精度都得到了显著的改善。相比于常规的基于静态磁滞逆补偿的控制器,跟踪误差的均方根值减少了80%左右。
【关键词】：压电驱动平台 纳米定位 高带宽控制 磁滞非线性 谐振振动 输入整形 时滞控制
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-33
• 1.1 课题来源11
• 1.2 研究背景11-14
• 1.3 国内外研究现状14-29
• 1.3.1 压电驱动纳米定位平台14-18
• 1.3.2 磁滞非线性建模及补偿18-24
• 1.3.3 谐振振动控制24-29
• 1.3.4 研究现状小结29
• 1.4 论文研究问题、内容及结构29-33
• 1.4.1 问题的提出29-30
• 1.4.2 论文研究内容及结构30-33
• 第二章 基于闭环输入整形的高带宽控制策略33-53
• 2.1 引言33
• 2.2 输入整形控制技术33-35
• 2.3 高带宽控制器的设计35-40
• 2.3.1 磁滞补偿器35-36
• 2.3.2 输入整形器36-37
• 2.3.3 Smith预估器37-39
• 2.3.4 反馈控制器39-40
• 2.4 高带宽控制器的实现40-46
• 2.4.1 实验系统介绍40-42
• 2.4.2 磁滞补偿器42-43
• 2.4.3 输入整形器43-45
• 2.4.4 反馈控制器45-46
• 2.5 实验研究46-52
• 2.5.1 阶跃响应测试47-48
• 2.5.2 正弦跟踪测试48-50
• 2.5.3 频响测试50-51
• 2.5.4 抗干扰测试51-52
• 2.6 本章小结52-53
• 第三章 基于时滞位置反馈的高带宽控制策略53-71
• 3.1 引言53
• 3.2 压电驱动定位平台系统模型53-54
• 3.3 高带宽控制器的设计54-63
• 3.3.1 时滞位置反馈控制器54-59
• 3.3.2 高增益反馈控制器59-63
• 3.4 实验研究63-69
• 3.4.1 带宽测试63-64
• 3.4.2 三角波跟踪测试64-68
• 3.4.3 磁滞补偿测试68
• 3.4.4 鲁棒性能测试68-69
• 3.5 本章小结69-71
• 第四章 基于P-I模型的动态磁滞建模方法71-93
• 4.1 引言71
• 4.2 描述静态磁滞的率无关P-I模型71-74
• 4.2.1 Play算子71-72
• 4.2.2 传统P-I模型72-73
• 4.2.3 增强型P-I模型73-74
• 4.3 描述动态磁滞的率相关P-I模型74-82
• 4.3.1 基于动态封函数的率相关Play算子75-77
• 4.3.2 基于动态封函数的率相关P-I模型77-78
• 4.3.3 率相关P-I模型参数辨识78-82
• 4.4 实验研究82-91
• 4.4.1 压电驱动平台系统介绍82-84
• 4.4.2 磁滞测试及参数辨识84-85
• 4.4.3 模型实验验证85-91
• 4.5 本章小结91-93
• 第五章 基于率相关P-I模型的逆磁滞补偿控制方法93-107
• 5.1 引言93
• 5.2 逆磁滞补偿控制方法93-97
• 5.2.1 直接逆磁滞补偿器93-95
• 5.2.2 位置跟踪控制器的设计95-97
• 5.3 实验研究97-105
• 5.3.1 动态磁滞逆补偿器参数辨识97-99
• 5.3.2 开环跟踪控制器性能测试99-103
• 5.3.3 闭环跟踪控制器性能测试103-105
• 5.4 本章小结105-107
• 第六章 总结与展望107-113
• 6.1 工作总结107-109
• 6.2 论文创新点109-110
• 6.3 研究展望110-113
• 附录A Floquet转换矩阵的推导113-117
• 附录B 高增益反馈控制器参数的推导117-119
• 参考文献119-135
• 攻读博士学位论文期间的科研成果135-139
• 致谢139-142

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本文编号：528164