气动波纹管驱动超精密定位系统建模与控制

发布时间：2017-06-25 03:09

  本文关键词：气动波纹管驱动超精密定位系统建模与控制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超精密定位是精密加工的一项关键技术,在精密工程领域有广泛应用,在光刻技术、IT制造业、超精密数控、大面积液晶面板、微观世界扫描成像等方面,均发挥着重要的作用,成为衡量一个国家超精密制造业水平的重要标志。当前超精密定位系统主要采用电驱动模式,由压电陶瓷或者精密电机作为执行机构。压电驱动系统精度高,但行程较小,电机驱动行程较大,但是精度较低。此外,超精密的应用领域如IT制造等场所,电磁干扰是一个重要问题,电驱动存在电磁干扰,对超精密加工造成影响。采用气动执行机构电磁干扰小,但是气缸等气动设备存在摩擦部件,非线性强,定位精度不高。采用双级驱动机构可以解决行程和精度的问题,但系统机械结构复杂,不利于定位精度的提高,且精密定位依赖于电驱动,电磁干扰问题依旧不能解决。为提高超精密系统的精度和行程,减小对生产环境的电磁干扰,本文设计了一种基于气动金属波纹管单级驱动的超精密定位平台,在实现较大行程和超精密定位方面展开了研究,通过结构设计和控制算法优化,提高定位精度,主要工作和创新点如下:1.设计驱动平台的机械结构。平台采用光栅尺检测位移,气浮导轨支撑,电气压力比例阀控制波纹管的管腔压力,调整波纹管伸缩量,实现位移控制。波纹管自身没有滑动摩擦,而气浮导轨降低了系统移动平台和支撑平台间的摩擦力,为超精密定位提供了条件。2.研究波纹管的静态特性,建立了平台的动态模型,开展模型的验证实验。通过分析波纹管质量流量方程、电气压力比例阀压力-流量方程、驱动平台的动力学方程,建立了波纹管驱动平台动态模型。分析波纹管驱动平台的迟滞特性,利用实验形成的初载曲线,进行参数辨识,建立系统的PI(Prandtl-Ishlinskii)迟滞模型。最后通过实验验证,对各种模型精度进行了比较。3.设计复合控制方案。采用PID反馈控制,提高了平台定位精度,基于PI逆模型,进行了前馈控制研究。利用PI逆模型,设计了平台的复合控制方案,以PI逆模作为前馈控制,对PID反馈控制的输出进行补偿,提高平台的定位精度。为降低PI建模和求逆的运算量,提高模型的精度,通过改进迟滞算子特性,建立了平台的广义迟滞模型。提出了基于广义PI逆模型的复合控制,系统响应速度和定位精度得到进一步提高。4.研究波纹管驱动平台的弹性蠕变特性,建立驱动平台的弹性蠕变模型,设计了蠕变补偿控制方案。该方案以PI逆模型补偿系统迟滞,将PID反馈控制器输出和弹性蠕变模型输出按一定的原则运算,修正控制电压,实现蠕变补偿控制。蠕变补偿方案对改善系统低频输入和定位模式下的精度有一定的效果。5.设计上位机、下位机相结合的控制系统。上位机采用LabVIEW设计人机界面,完成对下位机的监控。下位机采用STM32系列单片机作为控制单元,和上位机之间通过串口通信,实现平台控制,并基于此控制系统对研究模型及控制算法进行了有效性验证。
【关键词】：超精密 气动波纹管 迟滞补偿 弹性蠕变 复合控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-29
• 1.1 超精密运动驱动12-13
• 1.2 国内外研究现状13-26
• 1.2.1 超精密定位的驱动技术13-16
• 1.2.2 超精密定位系统建模与控制16-24
• 1.2.3 存在主要问题24-25
• 1.2.4 超精密定位的发展趋势25-26
• 1.3 研究目的和研究意义26-27
• 1.3.1 研究目的26
• 1.3.2 研究意义26-27
• 1.4 论文研究内容27-29
• 1.4.1 主要内容27
• 1.4.2 内容安排27-29
• 第2章 波纹管驱动实验平台的搭建和特性分析29-46
• 2.1 系统总体设计方案29-31
• 2.2 基于波纹管的超精密驱动平台31-40
• 2.2.1 波纹管驱动机构31-35
• 2.2.2 气浮支撑平台35-37
• 2.2.3 光栅尺位移检测单元37-38
• 2.2.4 驱动平台的典型特性分析38-40
• 2.3 下位机系统的设计40-42
• 2.3.1 下位机的主要功能40
• 2.3.2 下位机控制系统40-42
• 2.3.3 单片机最小系统42
• 2.4 上位机系统42-44
• 2.4.1 上位机的主要功能42-43
• 2.4.2 基于LabVIEW的上位机控制系统43-44
• 2.5 本章小结44-46
• 第3章 波纹管驱动实验平台建模与特性研究46-75
• 3.1 超精密定位系统的典型模型46-51
• 3.1.1 线性动态模型47-48
• 3.1.2 迟滞模型48-51
• 3.1.3 蠕变模型51
• 3.2 驱动平台的动态模型51-65
• 3.2.1 波纹管的静态模型52-54
• 3.2.2 波纹管驱动平台的动态数学模型54-58
• 3.2.3 动态模型的特性分析58-65
• 3.3 驱动平台的迟滞模型65-74
• 3.3.1 基于PI模型的系统迟滞模型65-67
• 3.3.2 PI模型的参数辨识67-70
• 3.3.3 PI迟滞模型的特性分析70-74
• 3.4 本章小结74-75
• 第4章 驱动平台的前馈与复合控制75-100
• 4.1 驱动平台的前馈控制75-77
• 4.1.1 PI解析逆模型75-76
• 4.1.2 基于逆模型的前馈控制76-77
• 4.2 基于动态模型的反馈控制77-85
• 4.2.1 PID控制77-79
• 4.2.2 驱动平台的PID反馈控制79-82
• 4.2.3 实验与分析82-85
• 4.3 基于迟滞模型的复合控制85-88
• 4.3.1 方案设计85-86
• 4.3.2 实验与分析86-88
• 4.4 基于广义逆模型的复合控制88-99
• 4.4.1 基于广义PI模型的系统建模89-95
• 4.4.2 方案设计95
• 4.4.3 实验与分析95-99
• 4.5 本章小结99-100
• 第5章 驱动平台弹性蠕变补偿控制100-114
• 5.1 执行机构的弹性蠕变特性100-103
• 5.1.1 弹性蠕变特性及其影响101-102
• 5.1.2 波纹管驱动的弹性蠕变特性102-103
• 5.2 驱动平台弹性蠕变特性分析与实验建模103-109
• 5.2.1 驱动平台弹性蠕变模型103-106
• 5.2.2 弹性蠕变实验与建模106-109
• 5.3 波纹管弹性蠕变补偿控制109-113
• 5.3.1 基于弹性蠕变模型的补偿控制110-111
• 5.3.2 实验与分析111-113
• 5.4 本章小结113-114
• 第6章 结论与展望114-116
• 6.1 论文的主要工作和创新点114-115
• 6.2 下一步研究工作展望115-116
• 参考文献116-127
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单127-129
• 致谢129-130
• 作者简介130

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张金龙;刘阳;郭怡倩;刘京南;内田敬久;;纳米级超精密定位工作台的研究[J];机械工程学报;2011年09期

2 刘向东;修春波;李黎;刘承;;迟滞非线性系统的神经网络建模[J];压电与声光;2007年01期

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本文编号：480542