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面向压电驱动纳米定位平台的自抗扰运动控制

孙玉琼  
【摘要】:随着纳米科学和纳米技术的飞速发展,微纳操控系统逐渐应用到超精密成像、半导体加工、生物医学、数据存储等诸多尖端技术领域。然而,微纳操控系统固有的迟滞等非线性特性,以及系统广泛存在的内部动态不确定性和外部干扰等,都严重影响着系统的运动精度和闭环稳定性,也对实现纳米级分辨率的运动控制理论提出了严峻挑战。本学位论文以纳米压电定位平台为研究对象,深入研究了自抗扰控制理论(ADRC),旨在满足纳米伺服系统在精确性、速度、稳定性、鲁棒性以及抗干扰性能等方面的要求。在传统ADRC算法的基础上,提出对其状态反馈算法和扩张状态观测器(ESO)设计方法的改进措施,给出相关的理论证明,具体研究内容如下:(1)以自主设计的纳米压电伺服平台为控制对象,从电路特性、机械特性、压电效应和迟滞效应等多场耦合特性入手,建立了纳米定位平台的综合动力学模型,基于离散傅里叶变换算法对伺服系统进行在线辨识,得到系统的传递函数,为后续ADRC算法的设计提供模型基础。(2)将ADRC算法应用于含有驱动器非线性、模型不确定性、传感器噪声等多源干扰的纳米伺服平台控制中,并通过仿真和实验验证了其有效性。(3)针对传统自抗扰控制在参数调节、性能优化上的局限性,提出了基于混合非线性反馈的改进自抗扰控制设计,在不增加控制系统设计难度的前提下,提高了闭环系统瞬态响应性能,使得系统在大量内外不确定性的影响下,仍然可以保持对参考信号的良好跟踪性能,文中同时给出了混合非线性反馈作用下的闭环系统渐进稳定性分析,并证明了ESO和混合非线性反馈控制律作用下的增广系统的跟踪误差收敛性。(4)提出ESO的改进措施:首先,采用遗传算法对ESO的设计参数进行了优化;接着,将可获得的控制对象信息引入到ESO设计中,并给出了其误差的收敛性证明;在此基础上设计了添加控制对象信息的变增益扩张状态观测器,在降低观测器负担的同时,避免了初始阶段的峰值现象,通过坐标变换和李雅普诺夫方法证明了观测误差的收敛性。最后,利用仿真和实验对比验证了对扩张状态观测器的两种改进措施的优越性。


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