压电驱动微定位平台迟滞动态建模与控制方法研究

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微观纳米时代的到来推动纳米驱动定位技术迅速发展。压电驱动微定位平台是由压电陶瓷材料驱动器组成,因具有微纳米级位移分辨率和快速频率响应速度得以在纳米尺度定位领域广泛应用。但是,压电驱动微定位平台内部的压电材料在极化过程中会伴随复杂的迟滞效应产生,导致平台定位精度大幅下降、定位性能严重受损,最终限制其在纳米精度驱动系统中的应用。本论文以压电驱动微定位平台为研究对象,针对内部迟滞非线性进行深入研究,旨在精确描述迟滞特性并有效消除迟滞影响,实现压电驱动微定位平台的高精密驱动定位控制,从而扩展其应用前景。本论文主要研究内容如下:考虑Duhem微分方程的输入方向改变会影响其输出特性,进而造成参数辨识困难,通过引入线性部分提出基于内点算法的Duhem静态模型表征压电驱动微定位平台的静态迟滞特性。为进一步描述平台动态迟滞特性,将对角递归神经网络与Duhem静态模型串联,建立基于梯度下降算法的在线Duhem动态模型。不同驱动信号对比建模实验结果验证了Duhem动态模型的有效性。为消除压电驱动微定位平台的复杂迟滞非线性,基于迟滞模型设计了相应的开环逆补偿控制方法。由于Duhem静态模型具有单独迟滞结构,通过直接逆推导提出基于逆乘结构的静态前馈逆补偿控制器,使平台的静态迟滞特性得到有效补偿。结合逆控制思想,基于Duhem动态模型提出参数在线调节的动态反馈逆补偿控制器,改善了控制系统的鲁棒性和自适应能力,解决了高频轨迹跟踪控制问题。采用李雅普诺夫稳定性定理对动态逆补偿控制器进行收敛性分析。不同轨迹信号对比跟踪实验结果证实了动态逆补偿控制器的有效性。针对开环逆补偿控制器的性能受迟滞逆模型精度及外部扰动影响的问题,提出无迟滞逆模型的基于扰动估计器的等效滑模闭环控制策略。考虑平台系统存在未建模动态、参数不确定性及外部扰动部分,设计扰动估计器对该部分进行有效估计。为减小稳态误差并加快响应速度,采用比例积分型滑动面切换函数设计等效控制项和基于低通滤波器的鲁棒项,实现对平台系统复杂迟滞特性的无抖振滑模控制。通过李雅普诺夫稳定性定理对控制系统的稳定性进行严格证明。不同轨迹信号重复定位实验结果验证了滑模控制器的有效性和消抖性,具有优于动态反馈逆补偿控制器的控制精度。不同轨迹信号空载和带载对比跟踪实验结果表明提出的基于扰动估计器的等效滑模控制器具有带载能力,能够保证控制系统的跟踪性能稳定。
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