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《山东大学》 2009年
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压电工作台微定位系统建模与控制技术

张栋  
【摘要】: 在人类探究微观世界的过程中,微定位技术逐步发展起来。压电元件驱动的微定位器是目前常见的微定位设备,它利用压电元件的压电效应或电致伸缩效应来实现微米甚至是纳米级的精准定位,在微观检测、微机电系统加工等精密定位领域发挥着至关重要的作用。 压电工作台属典型的压电元件驱动的微定位器,在扫描探针显微镜等仪器设备中应用较广。因其内部通常采用压电陶瓷叠堆和柔性铰链支承的组合一体式机械设计结构,使得压电工作台具有微位移分辨率高、稳定性强等优点。 本文从系统和控制的角度出发,对目前应用越来越广泛的压电工作台微定位系统进行建模和控制技术研究。本文的研究结果具有一般性,保证了压电工作台的快速准确运动定位,可推广到目前常见的各种形式的压电工作台微定位控制系统设计中,主要工作概括如下: 1.针对Tritor100型压电工作台,搭建了压电工作台微定位实验系统。 2.建立了能够同时体现压电工作台动态特性和迟滞特性的动态迟滞模型结构方程,同时给出了动态迟滞模型结构方程中迟滞部分参数和动态部分参数的辨识途径。该动态迟滞模型结构方程易与现有的各种解析形式的迟滞模型相结合而变换出多种不同的形式。进一步,在介绍PI迟滞模型的基础上,建立了基于PI迟滞算子的动态迟滞模型。实验研究表明,基于PI迟滞算子的动态迟滞模型精度较高,受压电工作台运动定位速率变化影响小,为压电工作台控制系统设计提供了模型基础。 3.在动态迟滞模型的基础上,设计了压电工作台的前馈与复合控制方案。将压电工作台的动态迟滞模型进行简单的求逆运算,即可得到压电工作台的动态迟滞逆模型前馈控制器。该开环控制器简单易行,不需要额外的位移传感器,适于压电工作台的快速运动定位,在定位精度要求不是很苛刻的情况下,是一种经济的选择。进一步,为弥补开环控制自身的不足,在动态迟滞逆模型前馈控制中加入了单神经元PID反馈控制,构成了压电工作台的复合控制方案。压电工作台的复合控制方案将动态迟滞逆模型前馈控制的优点和单神经元反馈控制的优点结合在一起,形成了互补:一方面,反馈控制的加入,消弱了前馈控制中建模误差等对定位精度的影响,提高了系统的自适应性;另一方面,前馈控制提高了反馈控制系统的快速性。 4.在动态迟滞模型的基础上,设计了压电工作台的迟滞补偿控制方案。该方案的核心思想是:首先利用压电工作台的迟滞逆模型补偿掉压电工作台的迟滞特性,然后进行线性反馈控制器的设计。但通常迟滞非线性的补偿总存在一定的残差,加之其它一些不确定因素的影响,使得迟滞补偿后的线性系统参数受到较大干扰,因而为提高控制系统的性能,本文采用两种控制算法实现了迟滞补偿控制方案中的线性反馈控制器设计:一种为自校正PID控制器设计,另一种为滑模控制器设计。这两种反馈控制器在压电工作台的快速运动定位实验中均取得了满意的效果。 5.为进一步探索压电工作台的建模和控制系统设计方法,设计了压电工作台的人工神经网络在线辨识模型和人工神经网络控制器。人工神经网络能够对一对一或多对一映射关系的非线性函数进行任意精度的逼近,却难以实现对具有多对多映射关系的非线性函数的逼近。压电工作台具有典型的迟滞特性,其输入输出体现出复杂的多对多映射关系,因此本文采用刘向东等人提出的双Sigmoid激活函数对传统人工神经元激活函数进行了改进,进而建立了压电工作台的人工神经网络在线辨识模型,该模型能体现压电工作台较多的特性信息,并从结构上与PI迟滞模型统一。实验表明该神经网络模型精度较高,且能在线动态调整。最后,基于该神经网络模型,设计了神经网络自适应控制器,控制效果较好。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TH703

【引证文献】
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【同被引文献】
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