壓電微夾鉗的自感知控制方法研究.pdf

1、為省掉外部傳感器，本文在對已研制壓電微夾鉗進行改進設計和靜動態(tài)特性有限元分析的基礎上，探索了鉗指位移的自感知方法及控制方法，具體工作如下：
　　1)基于壓電雙晶片執(zhí)行器，考慮到鉗體整體安裝定位、指尖便于夾持及電極線易于引出，改進了已研制壓電微夾鉗的結構；采用ANSYS對改進后的微夾鉗進行了靜動態(tài)特性分析，結果表明：在90 V的最大驅動電壓作用下，鉗指的最大位移為98.4μm；鉗指的一階固有頻率為661Hz；在20 V的階躍電壓作用

2、下，鉗指末端達到穩(wěn)態(tài)時的位移約為21.5μm，響應時間約為0.08 s；在仿真分析的基礎上，制作出了微夾鉗實物。
　　2)根據(jù)壓電陶瓷晶體的變形與表面電荷的關系，提出了基于積分電荷的鉗指位移與夾持力的自感知方法；基于Smits壓電懸臂梁理論，推導出自感知鉗指位移與加持力的數(shù)學模型；設計了自感知電路，給出了自感知電路必須滿足的平衡條件，即壓電晶片的等效電容與漏電阻之積必須等于積分電容與平衡電阻之積；通過實驗驗證了自感知方法的有效性，

3、結果表明：通過自感知方法所獲得的鉗指位移與外部傳感器所獲得的結果具有較好的一致性。
　　3)基于改進Prandtl-Ishilinskii模型建立了壓電微夾鉗的遲滯模型，設計了其前饋控制器，通過實驗驗證了前饋控制的有效性，結果表明：前饋控制系統(tǒng)能顯著降低微夾鉗的遲滯誤差，提高其響應速度，鉗指達到5μm參考位移的響應時間約為0.12 s；在0~15.2μm的參考位移范圍內(nèi)，鉗指的遲滯誤差由無前饋控制時的3.2μm左右減小到了1.1μ

4、m左右；在前饋控制下，通過自感知方法所獲得的電荷曲線同獨立傳感器所獲得的位移曲線具有較好的一致性。
　　4)通過改進常規(guī)PID控制，設計出拋物線積分與微分先行的微夾鉗PID反饋控制器，實驗驗證了PID反饋控制的有效性，結果表明：在獨立傳感器反饋下，PID控制能夠完全消除微夾鉗的遲滯誤差，但響應時間變慢，鉗指達到5μm參考位移的響應時間約為0.18 s；在自感知反饋下，經(jīng)PID控制后鉗指位移的穩(wěn)態(tài)誤差小于前饋控制，但響應時間變慢，鉗