壓電作動(dòng)器遲滯非線性建模與補(bǔ)償控制研究.pdf

1、隨著超精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，針對(duì)壓電作動(dòng)器的建模和控制研究逐漸成為學(xué)術(shù)熱點(diǎn)。當(dāng)前，阻礙壓電作動(dòng)器發(fā)展的一個(gè)主要因素是其遲滯非線性，特別是當(dāng)壓電作動(dòng)器應(yīng)用于精度要求很高的場(chǎng)合時(shí)，遲滯非線性對(duì)壓電作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)定位精度的影響不可忽視。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，本學(xué)位論文針對(duì)壓電陶瓷作動(dòng)器的遲滯非線性特征，從系統(tǒng)建模、控制器設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)方面展開研究。鑒于壓電材料廣闊的應(yīng)用前景，本文旨在發(fā)展遲滯非線性建模和補(bǔ)償控制技術(shù)，從理論和實(shí)踐兩方面推動(dòng)微/納制

2、造及其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　提出了用于準(zhǔn)確描述壓電陶瓷作動(dòng)器遲滯非線性的非對(duì)稱Bouc-Wen模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出壓電陶瓷作動(dòng)器的遲滯回線。提出基于粒子群優(yōu)化算法的非對(duì)稱Bouc-Wen模型參數(shù)辨識(shí)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)非對(duì)稱Bouc-Wen模型的參數(shù)辨識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的非對(duì)稱Bouc-Wen模型相較于傳統(tǒng)Bouc-Wen模型，更加符合壓電陶瓷作動(dòng)器的遲滯非線性，具有更高的建模精度。此外，提出了一種基于粒子

3、群優(yōu)化算法的遲滯非線性系統(tǒng)線性化技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于幾乎擾動(dòng)解耦的H∞魯棒控制系統(tǒng)。搭建了堆疊式壓電陶瓷作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該H∞魯棒控制系統(tǒng)，壓電陶瓷作動(dòng)器的遲滯非線性得到抑制。
　　建立了一種用于描述壓電陶瓷作動(dòng)器遲滯非線性行為的率相關(guān)非對(duì)稱Bouc-Wen模型。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型能夠?qū)弘娞沾勺鲃?dòng)器輸出位移與輸入電壓頻率之間的關(guān)系進(jìn)行合理描述?；诼氏嚓P(guān)非對(duì)稱Bouc-Wen模型，提出了一種逆遲滯前饋補(bǔ)償

4、控制器，它與壓電陶瓷作動(dòng)器串聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)率相關(guān)非對(duì)稱遲滯非線性的直接補(bǔ)償控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該逆遲滯前饋補(bǔ)償控制器能夠有效地抑制壓電陶瓷作動(dòng)器率相關(guān)遲滯非線性所帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)定位誤差。
　　提出了一種用于精確描述壓電陶瓷作動(dòng)器遲滯非線性的在線自適應(yīng)率相關(guān)遲滯非線性模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該在線自適應(yīng)率相關(guān)模型所表現(xiàn)出的良好率相關(guān)性，與壓電陶瓷作動(dòng)器真實(shí)的遲滯非線性行為相吻合。為了有效地補(bǔ)償壓電陶瓷作動(dòng)器的遲滯非線性對(duì)其運(yùn)動(dòng)精度的影響，進(jìn)

5、一步提出了一種非線性自適應(yīng)逆控制器。采用該非線性自適應(yīng)逆控制器，壓電陶瓷作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)定位精度可達(dá)數(shù)十納米級(jí)。
　　設(shè)計(jì)了一種傳感―作動(dòng)一體式壓電智能精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其能夠在無(wú)需外加傳感器的情況下對(duì)自身運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)。研制了一種壓電智能結(jié)構(gòu)，并對(duì)該壓電智能結(jié)構(gòu)的力傳感靈敏度進(jìn)行了標(biāo)定。進(jìn)一步地，通過(guò)有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了壓電智能結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的串?dāng)_現(xiàn)象。根據(jù)壓電智能結(jié)構(gòu)的物理模型以及對(duì)其串?dāng)_現(xiàn)象的分析結(jié)果，建立了傳感―作動(dòng)一體式