压电驱动微定位平台迟滞动态建模与控制方法研究
发布时间：2020-12-26 19:33
微观纳米时代的到来推动纳米驱动定位技术迅速发展。压电驱动微定位平台是由压电陶瓷材料驱动器组成,因具有微纳米级位移分辨率和快速频率响应速度得以在纳米尺度定位领域广泛应用。但是,压电驱动微定位平台内部的压电材料在极化过程中会伴随复杂的迟滞效应产生,导致平台定位精度大幅下降、定位性能严重受损,最终限制其在纳米精度驱动系统中的应用。本论文以压电驱动微定位平台为研究对象,针对内部迟滞非线性进行深入研究,旨在精确描述迟滞特性并有效消除迟滞影响,实现压电驱动微定位平台的高精密驱动定位控制,从而扩展其应用前景。本论文主要研究内容如下:考虑Duhem微分方程的输入方向改变会影响其输出特性,进而造成参数辨识困难,通过引入线性部分提出基于内点算法的Duhem静态模型表征压电驱动微定位平台的静态迟滞特性。为进一步描述平台动态迟滞特性,将对角递归神经网络与Duhem静态模型串联,建立基于梯度下降算法的在线Duhem动态模型。不同驱动信号对比建模实验结果验证了Duhem动态模型的有效性。为消除压电驱动微定位平台的复杂迟滞非线性,基于迟滞模型设计了相应的开环逆补偿控制方法。由于Duhem静态模型具有单独迟滞结构,通...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
实验系统装置图
第2章压电驱动微定位平台Duhem动态模型的建立23图2.7实验系统结构图2.4.2模型实验验证为了验证提出的Duhem动态模型的有效性和优越性，采用不同频率f的正弦电压信号vt45sin2ft1245分别激励压电驱动微定位平台、Duhem静态模型和Duhem动态模型，将位移传感器测量而来并经数据采集卡转换得到的平台实际输出与Duhem静态模型输出和Duhem动态模型输出做对比，在线完成对比建模实验。实验结果如图2.8-图2.10所示，其中（a）图是不同频率正弦信号下Duhem静态模型、Duhem动态模型及平台实际的输出迟滞环对比曲线；（b）图是Duhem静态模型和Duhem动态模型的误差对比曲线。从纵向分析，根据图2.8-图2.10（a）所示的实验结果得知，压电驱动微定位平台的实际输出迟滞环随着输入驱动电压频率的增加而变宽，并表现出最大输出位移减小，最小输出位移增大的趋势。由此得出输入频率越高，迟滞作用越大的结论。然后分析Duhem静态模型和Duhem动态模型的实验现象，结果表明在10Hz以下的低频信号驱动下，Duhem静态模型和Duhem动态模型都能很好得拟合平台实际输出。然而在20Hz以上的高频信号激励下，相比于Duhem静态模型，Duhem动态模型能够更加准确地描述平台的动态迟滞非线性，建模精度更高。通过对图2.8-图2.10（b）所示的实验结果进行分析，明显看出不同频率正弦信号驱动下的Duhem动态模型的误差均比Duhem静态模型的误差小，进一步证实了提出的Duhem动态模型对率相关迟滞特性出色的描述能力。（a）迟滞环输出曲线（b）建模误差曲线图2.8正弦波激励下对比建模实验（1Hz）
第4章压电驱动微定位平台的滑模控制方法55图4.10带载情况下的压电驱动微定位平台表4.3正弦信号下空载与带载滑模控制对比误差（1Hz）负载重量RMSE（μm）MAE（μm）MER（%）0g0.01660.01330.20100g0.01660.01330.21200g0.01660.01330.22300g0.01660.01330.22400g0.01660.01320.22500g0.01660.01320.21表4.4正弦信号下空载与带载滑模控制对比误差（20Hz）负载重量RMSE（μm）MAE（μm）MER（%）0g0.16930.13160.93100g0.16960.13210.94200g0.16990.13240.92300g0.17000.13260.94400g0.17020.13250.93500g0.17030.13260.93
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物技术和纳米技术的统计和指标报告[J]. Steffi Friedrichs. 科学观察. 2019(03)
[2]基于Preisach模型的深度学习网络迟滞建模[J]. 武毅男,方勇纯. 控制理论与应用. 2018(06)
[3]压电超精密定位台的动态迟滞建模研究[J]. 杨晓京,李庭树,刘浩. 仪器仪表学报. 2017(10)
[4]空间柔性机械臂弯扭耦合振动的主动控制研究[J]. 娄军强,魏燕定,杨依领,谢锋然. 振动工程学报. 2014(03)
[5]基于动态PREISACH算子的压电陶瓷动态迟滞智能建模[J]. 张新良,谭永红. 系统仿真学报. 2009(09)
[6]滑模变结构控制理论研究综述[J]. 穆效江,陈阳舟. 控制工程. 2007(S2)
[7]精密定位技术研究[J]. 孙麟治,李鸣鸣,程维明. 光学精密工程. 2005(S1)
博士论文
[1]压电微纳定位平台轨迹跟踪控制方法研究[D]. 徐瑞.吉林大学 2019
[2]高速高精度运动平台误差分析与精度补偿方法研究[D]. 卢林林.中国科学技术大学 2019
硕士论文
[1]原子力显微镜纳米级定位平台设计与测试技术研究[D]. 武兴盛.中北大学 2019
[2]微透镜阵列的约束电化学刻蚀加工技术与系统[D]. 赵相晖.上海交通大学 2014
本文编号：2940337
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
实验系统装置图
第2章压电驱动微定位平台Duhem动态模型的建立23图2.7实验系统结构图2.4.2模型实验验证为了验证提出的Duhem动态模型的有效性和优越性，采用不同频率f的正弦电压信号vt45sin2ft1245分别激励压电驱动微定位平台、Duhem静态模型和Duhem动态模型，将位移传感器测量而来并经数据采集卡转换得到的平台实际输出与Duhem静态模型输出和Duhem动态模型输出做对比，在线完成对比建模实验。实验结果如图2.8-图2.10所示，其中（a）图是不同频率正弦信号下Duhem静态模型、Duhem动态模型及平台实际的输出迟滞环对比曲线；（b）图是Duhem静态模型和Duhem动态模型的误差对比曲线。从纵向分析，根据图2.8-图2.10（a）所示的实验结果得知，压电驱动微定位平台的实际输出迟滞环随着输入驱动电压频率的增加而变宽，并表现出最大输出位移减小，最小输出位移增大的趋势。由此得出输入频率越高，迟滞作用越大的结论。然后分析Duhem静态模型和Duhem动态模型的实验现象，结果表明在10Hz以下的低频信号驱动下，Duhem静态模型和Duhem动态模型都能很好得拟合平台实际输出。然而在20Hz以上的高频信号激励下，相比于Duhem静态模型，Duhem动态模型能够更加准确地描述平台的动态迟滞非线性，建模精度更高。通过对图2.8-图2.10（b）所示的实验结果进行分析，明显看出不同频率正弦信号驱动下的Duhem动态模型的误差均比Duhem静态模型的误差小，进一步证实了提出的Duhem动态模型对率相关迟滞特性出色的描述能力。（a）迟滞环输出曲线（b）建模误差曲线图2.8正弦波激励下对比建模实验（1Hz）
第4章压电驱动微定位平台的滑模控制方法55图4.10带载情况下的压电驱动微定位平台表4.3正弦信号下空载与带载滑模控制对比误差（1Hz）负载重量RMSE（μm）MAE（μm）MER（%）0g0.01660.01330.20100g0.01660.01330.21200g0.01660.01330.22300g0.01660.01330.22400g0.01660.01320.22500g0.01660.01320.21表4.4正弦信号下空载与带载滑模控制对比误差（20Hz）负载重量RMSE（μm）MAE（μm）MER（%）0g0.16930.13160.93100g0.16960.13210.94200g0.16990.13240.92300g0.17000.13260.94400g0.17020.13250.93500g0.17030.13260.93
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物技术和纳米技术的统计和指标报告[J]. Steffi Friedrichs. 科学观察. 2019(03)
[2]基于Preisach模型的深度学习网络迟滞建模[J]. 武毅男,方勇纯. 控制理论与应用. 2018(06)
[3]压电超精密定位台的动态迟滞建模研究[J]. 杨晓京,李庭树,刘浩. 仪器仪表学报. 2017(10)
[4]空间柔性机械臂弯扭耦合振动的主动控制研究[J]. 娄军强,魏燕定,杨依领,谢锋然. 振动工程学报. 2014(03)
[5]基于动态PREISACH算子的压电陶瓷动态迟滞智能建模[J]. 张新良,谭永红. 系统仿真学报. 2009(09)
[6]滑模变结构控制理论研究综述[J]. 穆效江,陈阳舟. 控制工程. 2007(S2)
[7]精密定位技术研究[J]. 孙麟治,李鸣鸣,程维明. 光学精密工程. 2005(S1)
博士论文
[1]压电微纳定位平台轨迹跟踪控制方法研究[D]. 徐瑞.吉林大学 2019
[2]高速高精度运动平台误差分析与精度补偿方法研究[D]. 卢林林.中国科学技术大学 2019
硕士论文
[1]原子力显微镜纳米级定位平台设计与测试技术研究[D]. 武兴盛.中北大学 2019
[2]微透镜阵列的约束电化学刻蚀加工技术与系统[D]. 赵相晖.上海交通大学 2014
本文编号：2940337
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