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《东北大学》 2016年
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微纳操作中智能材料致动器的建模与控制方法研究

孙智涌  
【摘要】:随着科学技术向着微观领域的深入发展,微纳操作技术在科学研究、工业生产等领域的作用日益突出。精密抓取技术是微纳操作的关键技术之一,它起着高效精确操作目标的作用;精密定位技术是微纳操作的另一关键技术,定位系统的精度直接影响着微纳操作设备的性能。近些年来,智能材料IPMC(Ionic Polymer Metal Composite)成为备受瞩目的精密抓取执行器的理想材料,然而它的输出力、位移性能存在着非线性、时变等特性,在控制方面极具挑战性。压电陶瓷致动器一直以来广受微纳定位系统研究者的青睐,然而其本身存在的复杂磁滞等非线性特性,给微纳定位精度带来了极大的挑战。本论文以柔性智能材料IPMC和刚性智能材料压电陶瓷致动器为研究对象,展开了建模与控制方法及应用的研究工作。为了使IPMC能够在精密抓取操作中精确输出位移与力,论文分别对IPMC输出力、位移的时变、非线性问题进行了建模研究,并提出了相应控制器设计方法;针对压电陶瓷致动器在微纳系统定位操作中所存在的问题,论文分别对其开环情况下定位问题和闭环周期信号跟踪定位问题进行了研究,并提出相应控制器的系统设计方法。鉴于 IPMC、压电陶瓷致动器在微纳操作领域有着广泛应用前景,本文将理论与实践相结合旨在开发出高精度实用的控制系统,进一步推动IPMC和压电陶瓷致动器在该领域的应用。本文的具体研究内容如下:(1)针对IPMC输出力呈现的强后向松弛特性与极易受环境影响的时变特性,本文提出了基于蠕变算子的广义蠕变模型来描述IPMC输出力的后向松弛特性,该模型能够通过实时改变其权值系数而反应IPMC的时变特性。基于该蠕变模型,论文设计出了有效的离散控制方法以便于实际应用,其中所设计控制器包括:周期反馈输出控制器(POF,Periodic Output Feedback controller)、改进型的 IPOF(Integral POF)控制器,以及具有自适应能力的AIPOF(Adaptive Integral POF)控制器。论文通过仿真与实验相结合的方式比较验证了这些控制方法的效果,证明了其有效性和实用性,为实现IPMC在精密抓取操作中的应用提供了可行输出力控制方案。(2)针对IPMC在输出位移变形过程中伴随着明显的时变后向松弛特性和磁滞现象,本文提出采用磁滞与广义蠕变模型混合建模方式对IPMC位移输出进行建模。在所建模型的基础上,论文设计了自适应逆(AI,Adaptive Inverse)控制器,并进行了实验测试。为了进一步解决建模误差以及外界干扰的问题,论文引进了类滑模控制器设计思想,将它与AI控制器设计方法相融合,最终设计出了离散自适应类滑模控制器(DASMLC,Discrete Adaptive Sliding-Mode-Like Controller),分析了它的稳定性,并通过实验验证了 DASMLC控制器的优良控制效果。为IPMC手爪的研制提供了有效可行的位移输出控制方法。(3)针对微纳操作中压电陶瓷致动器存在复杂磁滞特性影响其定位精度的问题,本文提出了一种新的改进型Prandtl-Ishlinskii(PPI)磁滞建模算子——不平行PI(UPI,Unparallel PI)算子,分析了它的建模能力。基于UPI算子,论文建立了 EUPI(Extended UPI)磁滞模型对复杂磁滞现象进行建模。基于EUPI模型,本文提出了稳定磁滞逆补偿器的设计方法,并通过对比实验验证了它的优良效果。针对典型微纳操作设备——基于原子力显微镜(AFM,Atomic Force Microscope)的微纳操作平台的开环定位控制问题,论文提出了 ESAH(Extended Scanning-range Adaptive Hybrid compensator)补偿器的设计方法以保障AFM微纳操作设备能够在不同尺度的工作空间中保持相对稳定的定位控制精度。本文在AFM微纳操作平台上进行了实验测试,验证了 ESAH方法在微纳定位控制中的可靠性和实用性。(4)针对AFM等系统中的压电陶瓷致动器在周期性动态信号的跟踪操作中存在较大误差的问题,本文提出了一种基于内模理论和复杂磁滞抑制理论的鲁棒控制算法,首先对含复杂磁滞特性的压电陶瓷致动器进行精确建模,推导了磁滞特性的上下界增益的解析计算方法。针对周期信号的跟踪控制问题,论文提出了 d-EUPI-IM(discrete EUPI Internal Model)控制器设计方法,并推导了稳定性条件,使闭环系统定位误差能够以指数函数的速度进行收敛。为了应对模型的不确定性因素,论文进一步提出了鲁棒d-EUPI-IM控制器设计方法,分析了控制器的误差收敛情况,并进行了实验,验证了所提鲁棒d-EUPI-IM控制方法的实用性。该控制器设计方法为AFM等设备扫描速度的提高提供了可靠实用的控制技术方案。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH703

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