压电陶瓷二维微位移定位平台系统的建模及控制方法研究

发布时间：2019-11-12 15:05

【摘要】：压电陶瓷致动的微纳米定位操作平台简称压电微定位平台,具有响应速度快,位移分辨率高,可重复操作性强等优点,在微观的测量与操作,精密的定位控制场合被广泛应用,成为推动尖端科技实现的技术攻坚。由于本身结构及材料特性,压电微定位平台的输入电压与输出位移间呈现严重的迟滞非线性,该特性会降低其在应用中的操作或定位精度,成为系统不稳定的重要原因之一。因此,本文就建立高精度的迟滞非线性模型,设计有效的控制方案以补偿和消除迟滞非线性的影响等方面进行了探索与研究。首先对压电微定位平台执行器的种类和位移传动机构的工作特性进行了简要介绍,对已有的迟滞非线性模型及迟滞非线性补偿控制策略进行了总结与研究。给出了在线Krasnosel'skii-Pokrovkii(KP)迟滞模型的离散表达形式,模型的权值参数通过自适应线性神经网络在线辨识得到,此外,对传统的KP算子进行了改进,使其包含了可以描述蠕变特性的函数,以提高KP迟滞模型的建模精度。最后以一种压电陶瓷二维微定位平台为被控对象,在快速控制原型实验平台上对KP迟滞模型在线描述压电微定位平台迟滞非线性的精度进行了验证与分析。基于KP迟滞模型可以实时的在线描述迟滞非线性的特性,设计了迭代学习前馈控制器对压电微定位平台的迟滞非线性进行补偿。其特点在于迭代更新控制律是以KP迟滞模型的输出为依据,且由于迟滞环的上升和下降阶段表现出非对称性,所以采用不同的迭代更新律求取实际的加载电压。为了提高定位系统的控制性能,设计了基于迭代学习前馈控制的整数阶PID复合控制器。在正弦波,三角波,阶梯波三种典型的参考位移下,对提出的前馈补偿及整数阶PID复合控制的性能进行了位移追踪实验的对比与分析,结果表明,迟滞非线性可以通过迭代学习前馈控制得到有效的补偿,且基于迭代学习前馈补偿的整数阶PID复合控制器可以进一步提高位移追踪精度。考虑到迟滞非线性具有非局部记忆特性,其输出不仅与当前时刻的驱动电压有关,也与历史的输入电压和输出位移有关系,而分数阶微积分算子本身具有记忆特性和遗传特性,具有可以记录函数在一段时间内的全部信息的优点,这与迟滞非线性特性极为相似。鉴于此,设计了一种基于迭代学习前馈补偿的分数阶PID复合控制方案。在上述三种典型参考位移信号下,进行对比试验,结果表明,相对于整数阶PID复合控制而言,分数阶PID复合控制具有较快的调整速度和较小的位移误差,可以进一步消除迟滞非线性的影响。针对分数阶PID复合控制方法待调参数多的缺点,本文提出了一种分数阶自适应控制方案来消除迟滞非线性对定位精度的影响,其控制律利用了KP迟滞模型的当前输出及前两时刻的位移输出,控制过程中涉及的系统参数可通过在线辨识获得。在不同形式及不同频率参考位移下对此控制方案进行验证与分析,结果表明,所提出的分数阶自适应控制器可以更加有效的消除迟滞非线性,提高压电微定位平台位移追踪控制精度。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP273

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