壓電作動器遲滯非線性建模與補償控制研究.pdf

1、隨著超精密運動系統(tǒng)的飛速發(fā)展，針對壓電作動器的建模和控制研究逐漸成為學術(shù)熱點。當前，阻礙壓電作動器發(fā)展的一個主要因素是其遲滯非線性，特別是當壓電作動器應用于精度要求很高的場合時，遲滯非線性對壓電作動器運動定位精度的影響不可忽視。為應對這些挑戰(zhàn)，本學位論文針對壓電陶瓷作動器的遲滯非線性特征，從系統(tǒng)建模、控制器設計和實驗驗證三個方面展開研究。鑒于壓電材料廣闊的應用前景，本文旨在發(fā)展遲滯非線性建模和補償控制技術(shù)，從理論和實踐兩方面推動微/納制

2、造及其相關技術(shù)領域的進步。主要研究內(nèi)容如下：
　　提出了用于準確描述壓電陶瓷作動器遲滯非線性的非對稱Bouc-Wen模型。通過實驗測量得出壓電陶瓷作動器的遲滯回線。提出基于粒子群優(yōu)化算法的非對稱Bouc-Wen模型參數(shù)辨識方法，以實現(xiàn)對非對稱Bouc-Wen模型的參數(shù)辨識。實驗結(jié)果表明，所提出的非對稱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)，設計了一套基于幾乎擾動解耦的H∞魯棒控制系統(tǒng)。搭建了堆疊式壓電陶瓷作動器運動控制實驗平臺。實驗結(jié)果表明，采用該H∞魯棒控制系統(tǒng)，壓電陶瓷作動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器遲滯非線性行為的率相關非對稱Bouc-Wen模型。實驗驗證了該模型能夠?qū)弘娞沾勺鲃悠鬏敵鑫灰婆c輸入電壓頻率之間的關系進行合理描述?；诼氏嚓P非對稱Bouc-Wen模型，提出了一種逆遲滯前饋補償

4、控制器，它與壓電陶瓷作動器串聯(lián)連接，實現(xiàn)對率相關非對稱遲滯非線性的直接補償控制。實驗結(jié)果表明，該逆遲滯前饋補償控制器能夠有效地抑制壓電陶瓷作動器率相關遲滯非線性所帶來的運動定位誤差。
　　提出了一種用于精確描述壓電陶瓷作動器遲滯非線性的在線自適應率相關遲滯非線性模型。實驗結(jié)果表明，該在線自適應率相關模型所表現(xiàn)出的良好率相關性，與壓電陶瓷作動器真實的遲滯非線性行為相吻合。為了有效地補償壓電陶瓷作動器的遲滯非線性對其運動精度的影響，進

5、一步提出了一種非線性自適應逆控制器。采用該非線性自適應逆控制器，壓電陶瓷作動器的運動定位精度可達數(shù)十納米級。
　　設計了一種傳感―作動一體式壓電智能精密運動平臺，其能夠在無需外加傳感器的情況下對自身運動性能進行監(jiān)測。研制了一種壓電智能結(jié)構(gòu)，并對該壓電智能結(jié)構(gòu)的力傳感靈敏度進行了標定。進一步地，通過有限元分析和實驗驗證，揭示了壓電智能結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的串擾現(xiàn)象。根據(jù)壓電智能結(jié)構(gòu)的物理模型以及對其串擾現(xiàn)象的分析結(jié)果，建立了傳感―作動一體式