压电陶瓷驱动平台的迟滞补偿控制方法研究
发布时间：2021-10-07 08:10
科技的高速发展拓宽了人类的研究领域,从传统的宏观对象研究逐步转变为微观世界的探索已经成为主流。在众多超精密制造、测量以及加工等高精度的操作中,均需要驱动设备提供微纳米级别的步进位移,同时也需要保障系统具有较高的动态性能。压电陶瓷驱动平台凭借其体积小、驱动力大以及超高的位移分辨率成为探索微观领域中的一个理想的驱动设备,但是由于其本身固有的迟滞等非线性因素降低对样品进行扫描成像时的定位精度,同时还影响了系统的稳定性。为了对压电陶瓷驱动平台的迟滞非线性进行补偿,并使平台具备良好的动态性能,本文首先分别建立平台的Prandtl-Ishlinshii（P-I）迟滞数学模型、线性动态模型以及两者相结合的串接模型,并进行了相关验证来证明模型建立的有效性。然后,以P-I迟滞数学模型为基础,求取其逆模型作为压电陶瓷驱动平台的前馈控制器来对平台的迟滞非线性进行补偿,并验证其有效性。同时,为了提高平台的动态性能,本文设计了压电陶瓷驱动平台的线性自抗扰反馈控制方法,并验证该方法可以有效地提高平台的动态性能,增强平台的鲁棒性。考虑到前馈控制器对平台的补偿效果取决于模型建立的精确程度,为进一步补偿平台的迟滞非线性...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
堆叠式压电陶瓷驱动器结构
第2章压电陶瓷驱动平台建模20表2.1P-611型三轴微位移平台具体参数参数数值单位公差开环行程200μm0~20%开环分辨率0.2nm线性误差0.1%刚性0.3N/μm无负载共振频率(X/Y/Z轴)350/220/250Hz+20%/-20%表2.2PCI8501采集卡参数参数典型值分频系数50~232,32位宽通道切换方式8通道8芯片独立工作每通道存储深度32MB触发源软件触发，模拟量触发，数字量触发触发方向下降沿触发，上升沿触发，上下边沿触发触发电平-10V~10V控制压电陶瓷驱动平台进行样品扫描工作的流程大致描述为：首先利用上位机中PIMikroMove软件发出一个数字电压信号，通过D/A转换模块将数字电压信号转换成模拟电压信号，随后由模拟信号的放大模块将模拟电压信号放大后加载在压电陶瓷驱动器上使其发生微小位移进而带动平台执行扫描工作，再通过应变式位移传感器将压电陶瓷驱动器的位移量转换成为电信号输送至A/D转换模块，并将位移信息发送到上位机，并由PIMikroMove软件显示位移信息。hú图2.4微纳操纵系统结构框图
第2章压电陶瓷驱动平台建模21由于所采用的压电陶瓷驱动平台在X，Y，Z三轴向上的结构是完全相同的且相互间的影响可以忽略不计，而且为了避免外力对压电陶瓷驱动平台的位移产生影响，本文对压电陶瓷驱动平台的相关实验在空载条件下进行，并且仅对平台X轴向的迟滞非线性进行分析和建立数学模型，该条件亦是后续章节中所涉及的控制部分的相关设计的前提条件。零初始状态下，通过PIMikroMove软件对微纳操纵系统施加幅值为10V的等幅三角波信号，记录压电陶瓷驱动平台的实际输出位移数据，得到该平台的初载曲线（电压-位移曲线），如图2.5所示。本文在MatlabR2014b的编译环境下，选用梯度下降法来对P-I迟滞模型的各个参数进行辨识。图2.5压电陶瓷驱动平台的初载曲线梯度下降法是求解非线性系统模型参数中最为常用且有效的方法之一，它是沿着梯度下降的方向对目标函数进行求解并以最终实现目标函数的值最小为参数估计的依据，假设有目标函数J(w)，其数学表达式如下：()(){()()}22111122kkTiiJwekiWVk====×（2-10）将估计值()Wk沿着负梯度方向修正，公式（2-11）给出了估计算法的递推公式：()()()()()()1TWk=Wk+RkVkiW×Vk（2-11）其中，R(k)为权矩阵，且它是一个N×N的对称矩阵，并满足：()()21RkVk=（2-12）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三线性插值法的preisach模型及数值实现[J]. 范青武,张恒,刘旭东,徐辽,张跃飞. 压电与声光. 2018(05)
[2]基于复合ADRC的压电陶瓷驱动器自适应控制[J]. 高金海,郝丽娜,项超群,祁紫轩. 东北大学学报(自然科学版). 2018(08)
[3]基于改进J-A模型的气动肌肉迟滞建模及其补偿控制[J]. 于晓文,杨辉,郝丽娜. 液压与气动. 2018(07)
[4]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)
[5]基于模糊控制的微操作平台位置精度补偿方法[J]. 胡俊峰,李永明,郑昌虎. 工程设计学报. 2018(02)
[6]压电叠堆执行器迟滞建模与前馈补偿研究[J]. 朱斌,朱玉川,李宇阳,王晓露,张鑫彬. 压电与声光. 2018(01)
[7]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)
[8]采用变间隔阈值PI模型的压电平台前馈控制[J]. 孙中梁,崔玉国,刘康,万光继,赵余杰,李勇. 压电与声光. 2017(03)
[9]基于PI逆模型的压电执行器复合控制[J]. 江国栋,王晓东. 压电与声光. 2016(04)
[10]压电陶瓷迟滞建模及控制仿真[J]. 王晓东,江国栋. 压电与声光. 2015(06)
博士论文
[1]基于GMA的二自由度精密微定位平台及控制系统研究[D]. 喻曹丰.安徽理工大学 2017
[2]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
[3]压电陶瓷驱动微位移平台的磁滞补偿控制理论和方法研究[D]. 谷国迎.上海交通大学 2012
[4]基于压电陶瓷迟滞非线性建模及控制系统的研究[D]. 王希花.哈尔滨工程大学 2010
[5]压电工作台微定位系统建模与控制技术[D]. 张栋.山东大学 2009
硕士论文
[1]压电陶瓷执行器的建模及控制方法研究[D]. 付裕.哈尔滨理工大学 2018
[2]压电微定位平台率相关Hammerstein模型及神经网络滑模控制方法研究[D]. 王晨阳.吉林大学 2018
[3]光电稳瞄系统视轴稳定控制策略研究[D]. 彭业光.长春理工大学 2018
[4]基于自抗扰控制的压电陶瓷作动器的建模与控制[D]. 蔡建.西南交通大学 2018
[5]压电驱动微定位平台的迟滞补偿控制方法研究[D]. 马亦婧.华侨大学 2018
[6]压电陶瓷微定位平台的迟滞非线性补偿方法研究[D]. 刘莹.吉林大学 2017
[7]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
[8]面向压电驱动纳米定位平台的自抗扰运动控制[D]. 孙玉琼.山东大学 2016
[9]压电陶瓷驱动微定位平台迟滞非线性建模及控制方法研究[D]. 赵宇.吉林大学 2016
[10]基于超精密定位的压电陶瓷驱动及其控制技术研究[D]. 江国栋.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
本文编号：3421674
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
堆叠式压电陶瓷驱动器结构
第2章压电陶瓷驱动平台建模20表2.1P-611型三轴微位移平台具体参数参数数值单位公差开环行程200μm0~20%开环分辨率0.2nm线性误差0.1%刚性0.3N/μm无负载共振频率(X/Y/Z轴)350/220/250Hz+20%/-20%表2.2PCI8501采集卡参数参数典型值分频系数50~232,32位宽通道切换方式8通道8芯片独立工作每通道存储深度32MB触发源软件触发，模拟量触发，数字量触发触发方向下降沿触发，上升沿触发，上下边沿触发触发电平-10V~10V控制压电陶瓷驱动平台进行样品扫描工作的流程大致描述为：首先利用上位机中PIMikroMove软件发出一个数字电压信号，通过D/A转换模块将数字电压信号转换成模拟电压信号，随后由模拟信号的放大模块将模拟电压信号放大后加载在压电陶瓷驱动器上使其发生微小位移进而带动平台执行扫描工作，再通过应变式位移传感器将压电陶瓷驱动器的位移量转换成为电信号输送至A/D转换模块，并将位移信息发送到上位机，并由PIMikroMove软件显示位移信息。hú图2.4微纳操纵系统结构框图
第2章压电陶瓷驱动平台建模21由于所采用的压电陶瓷驱动平台在X，Y，Z三轴向上的结构是完全相同的且相互间的影响可以忽略不计，而且为了避免外力对压电陶瓷驱动平台的位移产生影响，本文对压电陶瓷驱动平台的相关实验在空载条件下进行，并且仅对平台X轴向的迟滞非线性进行分析和建立数学模型，该条件亦是后续章节中所涉及的控制部分的相关设计的前提条件。零初始状态下，通过PIMikroMove软件对微纳操纵系统施加幅值为10V的等幅三角波信号，记录压电陶瓷驱动平台的实际输出位移数据，得到该平台的初载曲线（电压-位移曲线），如图2.5所示。本文在MatlabR2014b的编译环境下，选用梯度下降法来对P-I迟滞模型的各个参数进行辨识。图2.5压电陶瓷驱动平台的初载曲线梯度下降法是求解非线性系统模型参数中最为常用且有效的方法之一，它是沿着梯度下降的方向对目标函数进行求解并以最终实现目标函数的值最小为参数估计的依据，假设有目标函数J(w)，其数学表达式如下：()(){()()}22111122kkTiiJwekiWVk====×（2-10）将估计值()Wk沿着负梯度方向修正，公式（2-11）给出了估计算法的递推公式：()()()()()()1TWk=Wk+RkVkiW×Vk（2-11）其中，R(k)为权矩阵，且它是一个N×N的对称矩阵，并满足：()()21RkVk=（2-12）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三线性插值法的preisach模型及数值实现[J]. 范青武,张恒,刘旭东,徐辽,张跃飞. 压电与声光. 2018(05)
[2]基于复合ADRC的压电陶瓷驱动器自适应控制[J]. 高金海,郝丽娜,项超群,祁紫轩. 东北大学学报(自然科学版). 2018(08)
[3]基于改进J-A模型的气动肌肉迟滞建模及其补偿控制[J]. 于晓文,杨辉,郝丽娜. 液压与气动. 2018(07)
[4]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)
[5]基于模糊控制的微操作平台位置精度补偿方法[J]. 胡俊峰,李永明,郑昌虎. 工程设计学报. 2018(02)
[6]压电叠堆执行器迟滞建模与前馈补偿研究[J]. 朱斌,朱玉川,李宇阳,王晓露,张鑫彬. 压电与声光. 2018(01)
[7]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)
[8]采用变间隔阈值PI模型的压电平台前馈控制[J]. 孙中梁,崔玉国,刘康,万光继,赵余杰,李勇. 压电与声光. 2017(03)
[9]基于PI逆模型的压电执行器复合控制[J]. 江国栋,王晓东. 压电与声光. 2016(04)
[10]压电陶瓷迟滞建模及控制仿真[J]. 王晓东,江国栋. 压电与声光. 2015(06)
博士论文
[1]基于GMA的二自由度精密微定位平台及控制系统研究[D]. 喻曹丰.安徽理工大学 2017
[2]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
[3]压电陶瓷驱动微位移平台的磁滞补偿控制理论和方法研究[D]. 谷国迎.上海交通大学 2012
[4]基于压电陶瓷迟滞非线性建模及控制系统的研究[D]. 王希花.哈尔滨工程大学 2010
[5]压电工作台微定位系统建模与控制技术[D]. 张栋.山东大学 2009
硕士论文
[1]压电陶瓷执行器的建模及控制方法研究[D]. 付裕.哈尔滨理工大学 2018
[2]压电微定位平台率相关Hammerstein模型及神经网络滑模控制方法研究[D]. 王晨阳.吉林大学 2018
[3]光电稳瞄系统视轴稳定控制策略研究[D]. 彭业光.长春理工大学 2018
[4]基于自抗扰控制的压电陶瓷作动器的建模与控制[D]. 蔡建.西南交通大学 2018
[5]压电驱动微定位平台的迟滞补偿控制方法研究[D]. 马亦婧.华侨大学 2018
[6]压电陶瓷微定位平台的迟滞非线性补偿方法研究[D]. 刘莹.吉林大学 2017
[7]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
[8]面向压电驱动纳米定位平台的自抗扰运动控制[D]. 孙玉琼.山东大学 2016
[9]压电陶瓷驱动微定位平台迟滞非线性建模及控制方法研究[D]. 赵宇.吉林大学 2016
[10]基于超精密定位的压电陶瓷驱动及其控制技术研究[D]. 江国栋.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
本文编号：3421674
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