二维并联压电微动平台的自适应控制方法研究

摘要

为了减小压电微动平台的迟滞误差，提高其定位精度，在建立其数学模型的基础上，关于其控制方法开展了相关研究，具体研究工作如下：
　　1)采用各阈值区间初载曲线上采样点斜率和相等的阈值划分方式，建立了压电微动平台的迟滞模型，所建模型算子个数仅为7个，当微动平台的位移为16.115μm时，最大误差为0.4284μm，平均误差为0.1175μm；在分析压电执行器的机电输入输出特性及微动平台的动力学特性的基础上，建立了微动平台的传递函数及CARMAX(Controlled Auto-Regressive Moving Average)模型；
　　2)基于所建立的压电微动平台迟滞模型，设计了其前馈控制器，实验验证了前馈控制的有效性。实验结果表明：前馈控制具有较快的响应速度，响应时间几乎与无控制情况下相同，在5μm的阶跃输入作用下，经前馈控制后微动平台的响应时间为0.01 s；前馈控制也可有效减小压电微动平台的迟滞误差，在0~17μm的参考位移范围内，施加前馈控制后，实际位移与参考位移之间的最大误差由1.5749μm减少到0.6968μm，平均误差由0.6214μm减小到0.1718μm；
　　3)基于所建立的压电微动平台传递函数，设计了具有滤波器效果的压电微动平台增量式PID反馈控制器，仿真分析和实验验证了反馈控制的有效性，实验结果表明：在5μm的阶跃输入作用下，经 PID反馈控制后微动平台的响应时间为0.3 s，比前馈控制慢；但PID反馈控制完全消除了压电微动平台的迟滞误差，在0~17μm的参考位移范围内，反馈控制的最大误差、平均误差分别比前馈控制减小了0.1093μm、0.0278μm；
　　4)将前馈控制同 PID反馈控制相结合，设计了压电微动平台的复合控制器，实验验证了复合控制的有效性。实验结果表明：在5μm的阶跃输入作用下，经复合控制后微动平台的响应时间为0.18 s，虽慢于前馈控制，但远快于 PID反馈控制；在最大位移为17μm的变幅值三角波参考输入作用下，微动平台的最大跟踪误差为0.3973μm，平均误差为0.1167μm，均小于前馈控制和PID反馈控制；
　　5)基于所建立的压电微动平台CARMAX模型，设计了压电微动平台自适应控制器，仿真分析和实验验证了其有效性。实验结果表明：在5μm的阶跃输入作用下，经自适应控制后微动平台的响应时间为0.23 s，略慢于复合控制，在最大位移为17μm的变幅值三角波参考输入作用下，微动平台的跟踪位移最大误差为0.3196μm，平均误差为0.0796μm，均小于复合控制。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要工作

2 微动平台的数学模型

2.1 微动平台迟滞模型的建立

2.2 微动平台动力学模型的建立

2.3 本章小结

3 微动平台的前馈控制

3.1 微动平台的前馈控制器设计

3.2 微动平台前馈控制的实验验证

3.3 本章小结

4 微动平台的PID反馈控制

4.1 PID控制原理

4.2 微动平台PID反馈控制器的设计

4.3 PID控制器的参数整定方法

4.4 微动平台PID反馈控制的仿真分析

4.5 微动平台PID反馈控制的实验验证

4.6 本章小结

5 微动平台的复合控制

5.1 微动平台复合控制器的设计

5.2 微动平台复合控制的实验验证

5.3 本章小结

6 微动平台的自适应控制

6.1 微动平台自适应控制原理

6.2 微动平台自适应控制器的设计

6.3 微动平台自适应控制的仿真分析

6.4 微动平台自适应控制的实验验证

6.5 微动平台各控制方法的比较

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 进一步工作展望

参考文献

在校期间研究成果

致谢