壓電工作臺微定位系統(tǒng)建模與控制技術(shù).pdf

1、在人類探究微觀世界的過程中，微定位技術(shù)逐步發(fā)展起來。壓電元件驅(qū)動的微定位器是目前常見的微定位設(shè)備，它利用壓電元件的壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)來實現(xiàn)微米甚至是納米級的精準定位，在微觀檢測、微機電系統(tǒng)加工等精密定位領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
　　 壓電工作臺屬典型的壓電元件驅(qū)動的微定位器，在掃描探針顯微鏡等儀器設(shè)備中應(yīng)用較廣。因其內(nèi)部通常采用壓電陶瓷疊堆和柔性鉸鏈支承的組合一體式機械設(shè)計結(jié)構(gòu),使得壓電工作臺具有微位移分辨率高、穩(wěn)定性強等

2、優(yōu)點。
　　 本文從系統(tǒng)和控制的角度出發(fā)，對目前應(yīng)用越來越廣泛的壓電工作臺微定位系統(tǒng)進行建模和控制技術(shù)研究。本文的研究結(jié)果具有一般性，保證了壓電工作臺的快速準確運動定位，可推廣到目前常見的各種形式的壓電工作臺微定位控制系統(tǒng)設(shè)計中，主要工作概括如下：
　　 l.針對Tritor1OO型壓電工作臺，搭建了壓電工作臺微定位實驗系統(tǒng)。
　　 2.建立了能夠同時體現(xiàn)壓電工作臺動態(tài)特性和遲滯特性的動態(tài)遲滯模型結(jié)構(gòu)方程，同時給

3、出了動態(tài)遲滯模型結(jié)構(gòu)方程中遲滯部分參數(shù)和動態(tài)部分參數(shù)的辨識途徑。該動態(tài)遲滯模型結(jié)構(gòu)方程易與現(xiàn)有的各種解析形式的遲滯模型相結(jié)合而變換出多種不同的形式。進一步，在介紹PI遲滯模型的基礎(chǔ)上，建立了基于PI遲滯算子的動態(tài)遲滯模型。實驗研究表明，基于PI遲滯算子的動態(tài)遲滯模型精度較高，受壓電工作臺運動定位速率變化影響小，為壓電工作臺控制系統(tǒng)設(shè)計提供了模型基礎(chǔ)。
　　 3.在動態(tài)遲滯模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了壓電工作臺的前饋與復合控制方案。將壓電

4、工作臺的動態(tài)遲滯模型進行簡單的求逆運算，即可得到壓電工作臺的動態(tài)遲滯逆模型前饋控制器。該開環(huán)控制器簡單易行，不需要額外的位移傳感器，適于壓電工作臺的快速運動定位，在定位精度要求不是很苛刻的情況下，是一種經(jīng)濟的選擇。進一步，為彌補開環(huán)控制自身的不足，在動態(tài)遲滯逆模型前饋控制中加入了單神經(jīng)元PID反饋控制，構(gòu)成了壓電工作臺的復合控制方案。壓電工作臺的復合控制方案將動態(tài)遲滯逆模型前饋控制的優(yōu)點和單神經(jīng)元反饋控制的優(yōu)點結(jié)合在一起，形成了互補：一

5、方面，反饋控制的加入，消弱了前饋控制中建模誤差等對定位精度的影響，提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性；另一方面，前饋控制提高了反饋控制系統(tǒng)的快速性。
　　 4.在動態(tài)遲滯模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了壓電工作臺的遲滯補償控制方案。該方案的核心思想是：首先利用壓電工作臺的遲滯逆模型補償?shù)魤弘姽ぷ髋_的遲滯特性，然后進行線性反饋控制器的設(shè)計。但通常遲滯非線性的補償總存在一定的殘差，加之其它一些不確定因素的影響，使得遲滯補償后的線性系統(tǒng)參數(shù)受到較大干擾，因而為

6、提高控制系統(tǒng)的性能，本文采用兩種控制算法實現(xiàn)了遲滯補償控制方案中的線性反饋控制器設(shè)計：一種為自校正PID控制器設(shè)計，另一種為滑?？刂破髟O(shè)計。這兩種反饋控制器在壓電工作臺的快速運動定位實驗中均取得了滿意的效果。
　　 5.為進一步探索壓電工作臺的建模和控制系統(tǒng)設(shè)計方法，設(shè)計了壓電工作臺的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)σ粚σ换蚨鄬σ挥成潢P(guān)系的非線性函數(shù)進行任意精度的逼近，卻難以實現(xiàn)對具有多對多映射關(guān)