压电微动工作台动态迟滞模型研究

为实现压电微动工作台的快速准确运动定位,研究了其运动定位模型。压电工作台的运动定位精度主要受到工作台动态特性和迟滞特性的影响。在介绍这两类典型特性模型及其适用范围的基础上,提出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,并给出了采用Prandtl-Ishlinskii (PI)迟滞算子的动态迟滞模型参数辨识方法。实验研究表明,动态迟滞模型的模型精度在压电工作台大行程、快速运动定位时较以往线性动态模型和迟滞模型有较大提高,其平均误差为0.16μm,最大误差为0.38μm,为下一步高性能运动定位工作台控制系统的设计提供了必要的模型基础。     

压电陶瓷驱动器的迟滞特性

针对压电陶瓷固有的迟滞现象对其定位控制精度的影响,对迟滞进行了特征分析和实验验证。基于微观极化机理和机电耦合效应分析了迟滞的成因,分别对不同驱动行程,全行程不同位置和不同起始电压下的迟滞特性进行了对比实验。结果表明:对10V行程的驱动,随着电压区间的递增,平均位移输出先增大后减小,平均迟滞误差从0.419 3μm减小到0.158 9μm;对100V行程的驱动,随着起始电压的增大,平均位移输出从42.882 5μm减小到25.92μm,平均迟滞误差从3.999 3μm减小到1.692 3μm;起始电压每增加15V,位移输出减小5.654 2μm,迟滞误差减小0.769μm。实验结果反映了电畴翻转状况对驱动过程机电耦合效率的影响,有效验证了电畴翻转理论。实验也表明:针对电畴翻转不同阶段所表现的的迟滞特征对压电陶瓷驱动器的迟滞误差进行补偿,可修正或减小迟滞误差带来的影响,为提高系统定位控制精度提供科学的参考依据。     

WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性建模与实验验证

为了模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间的迟滞曲线,通过采用Bouc-Wen模型模拟迟滞分量,提出了一种表征WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间迟滞关系的Bouc-Wen模型并建立了相应的参数辨识方法。为了验证Bouc-Wen模型及其相应的参数辨识方法的有效性,建立了相应的实验装置并对模型进行了实验验证。研究结果表明,Bouc-Wen模型的最大绝对误差为3.78μm,最大相对误差为5.79%,表明Bouc-Wen模型及相应的参数辨识方法能较好地模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性。     

压电超精密定位台的动态迟滞建模研究

为了提高压电超精密定位台的建模精度,采用Backlash-Like迟滞非线性模型来描述压电超精密定位台的迟滞特性,采用基于遗传因子的递推最小二乘法来辨识Backlash-Like模型的参数,并结合压电超精密定位台的动态特性,建立了压电超精密定位台的二阶动态迟滞模型。通过实验得到,对比Backlash-Like模型,动态迟滞模型在频率为30和40 Hz时,最大输出位移误差由1.21和1.39μm下降到0.32和0.44μm,且最大相对误差分别仅为3.5%和4.4%,平均位移误差由0.53和0.76μm下降到0.17和0.21μm,平均相对误差由1.93%和3.38%下降到1.11%和1.37%。实验结果验证了提出的动态迟滞模型,既能减小了因压电超精密定位台的动态特性而引起的系统误差,又能很好地模拟其迟滞特性与动态特性,并且避免了不同频率下的模型参数反复辨识问题,提高了压电超精密定位台在高频、快速、大行程定位中的精度。该方法简单且适应性强,易于工程实现。     

压电微动工作台的动态迟滞模型

为实现压电微动工作台的快速准确运动定位,研究了其运动定位模型.压电工作台的运动定位精度主要受工作台动态特性和迟滞特性的影响,在介绍这两类典型特性模型及其适用范围的基础上,提出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,并给出了采用Prandtl-Ishlinskii (PI)迟滞算子的动态迟滞模型参数辨识途径.以TRITOR100型压电工作台为例进行实验研究,结果表明:当压电工作台在30 μm的定位范围内以±900 V/s的输入电压速率进行快速运动定位时,动态迟滞模型的模型精度比以往常用的线性动态模型和迟滞模型有较大提高,其平均误差为0.16 μm,最大误差为0.38 μm,为高性能运动定位工作台控制系统的设计提供了模型基础.     

扫描电化学显微镜压电工作台的建模与控制

为提高扫描电化学显微镜(SECM)微定位系统的运动定位精度,对其压电工作台的数学模型和控制器设计进行了研究.介绍了压电工作台的动态迟滞模型方程和采用Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞算子的动态迟滞模型,并在此基础上设计了压电工作台的复合控制方案.以CHI900B型扫描电化学显微镜的三维压电工作台为实验对象,对动态迟滞模型的具体建模过程进行了阐述,并验证了控制器的性能.在100 V/s和900 V/s两种不同输入电压速率下进行运动定位实验,动态迟滞模型平均误差分别为0.08μm和0.11μm,精度明中显优于压电工作台的线性动态模型和PI迟滞模型.复合控制方案下,系统跟踪±400μm/s任意三角波的平均误差为0.085μm,最大误差为0.105μm;跟踪复频波的平均误差为0.105μm,最大误差为0.115μm.控制效果较好.     

WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性模拟

为了模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间的迟滞曲线,本文通过采用Bouc-Wen模型模拟迟滞分量提出了一种表征WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间的迟滞关系的Bouc-Wen模型并建立了相应的参数辨识方法。为了验证Bouc-Wen模型及其相应的参数辨识方法的有效性,建立了相应的实验装置并对模型进行了实验验证。研究结果表明,本文提出并研究的WTYD型压电陶瓷微位移器的Bouc-Wen模型及相应的参数辨识方法能较好地模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性。     

压电陶瓷微位移工作台的建模方法

压电陶瓷存在着迟滞非线性特性,而且在运行过程中,特性的变化规律也是未知的、不确定的,难以用传统方法获取既有足够精确性又不至于过分复杂的压电陶瓷微位移工作台的数学模型。基于神经网络,本文提出了一种新的建模方法。分析了微位移工作台的结构和建模方法,利用神经网络的自学习和自适应能力,在线调整模型结构和参数,减小工作台的建模误差,为控制系统提供了更为准确的模型信息。采用工作台的位移数据对网络模型进行了训练,实验结果表明,在80 μm行程范围内,工作台的平均定位误差为80 nm,最大误差为100 nm,基本满足纳米定位的精度要求。     

压电陶瓷驱动器蠕变特性的研究

压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高、体积小、响应快、输出力大、不发热等优点，但其固有的迟滞、蠕变和非线性，严重影响了它的定位精度。在大行程微动工作台中，需要借助于位移放大机构来克服压电陶瓷驱动器位移行程小的缺点，但放大机构在放大位移的同时，也放大了压电陶瓷蠕变和迟滞误差的影响。本文通过对一种大行程压电陶瓷微动工作台蠕变特性的研究性实验，得到了该机构的蠕变特性曲线，找到了压电陶瓷驱动器蠕变的规律，为进一步修正和减少蠕变误差的影响、提高系统的定位精度，提供了科学的依据。     

基于Bouc-Wen模型的压电执行器的前馈线性化控制器

本文提出并研究了利用Bouc-Wen模型构建压电陶瓷执行器的迟滞位移在线观测器的方法,并采用迟滞位移在线观测器构成前馈控制系统实现了压电陶瓷执行器的输出位移与输入控制电压之间迟滞关系的线性化。在此基础上设计了相应的数字控制算法,实现了一种基于数字信号处理器的前馈线性化控制器,建立了相应的实验装置并进行了实验验证。实验结果表明,当前馈线性化控制器的输入控制电压为频率0.5 Hz幅值5 V的正弦电压时(功率放大器放大倍数为20倍),压电陶瓷执行器输出位移的最大绝对误差和非线性度分别为1.25μm和2.37%;当前馈线性化控制器的输入控制电压为频率0.5 Hz幅值递增的三角波电压时,压电陶瓷执行器输出位移的最大绝对误差和非线性度分别为1.80μm和3.06%。采用DSP实现的前馈线性化控制器能够较好地实现压电陶瓷执行器输出位移与输入控制电压之间迟滞关系的线性化,而且由于是开环控制,成本较低。     

压电驱动器的非线性模型及其精密定位控制研究

压电驱动器的非线性特性和迟滞特性是影响微动平台定位控制精度的主要因素。采用改进的Preisach模型对压电驱动器的迟滞特性进行建模，利用建立的Preisach模型进行开环精密定位控制和作为PID反馈控制的前馈环节的研究。实验结果表明，该模型能够有效地降低非线性迟滞特性对压电驱动器位移输出精度的影响，提高驱动器的动态响应特性。     

基于支持向量机的压电微操作平台非线性特性描述

压电驱动器的迟滞现象会使微操作平台出现非线性问题,严重影响了其运动精度和重复定位精度。为了解决该问题,提出了一种基于Preisach模型与支持向量机的联合建模方法来描述微操作平台的非线性特性。以一种一维微操作平台为对象,以压电驱动电压和所对应的平台输出位移为样本点,采用支持向量机理论建立反映平台非线性回归模型,利用该模型预测非样本点所对应的平台输出位移,结合Preisach模型可精确预测平台在任意电压序列作用下的输出位移。为了验证所建立模型的有效性,进行了实验研究,任意选取2组不同的输入电压序列,利用支持向量机回归模型和Preisach模型分别得到所选取的电压序列对应的输出位移的预测值,在相同的电压序列作用下进行实验得到其实测值,将实测值与预测值进行比较分析,结果表明,2组实测值与预测值之间的相对误差范围分别为0.6%～2.1%、0.02%～2.1%,预测位移与实测位移非常接近,说明所建立的模型能精确描述微操作平台的非线性特性,以实现其精确运动。     

压电驱动微型精密夹持机构设计与实验研究

为了简化压电精密夹持机构的结构以及降低其加工制造难度,提出了一种基于柔性铰链和两夹持臂的压电微型精密夹持机构,并分析了该夹持机构的工作原理。利用压电材料的非线性应变关系建立了压电精密夹持机构的输出位移和受力模型,通过数值仿真分析了精密夹持机构的输出特性。搭建了实验平台,通过实验测试验证了压电精密夹持机构的输出性能以及理论模型的正确性。结果表明：两夹持臂的实验与仿真位移均存在迟滞现象,在120 V驱动电压下,两夹持臂的最大径向位移测试值分别为73.8 μm和68.6 μm;当驱动电压大于50 V时,夹持臂输出位移测试值与仿真值间的误差在10%以内;当驱动电压为120 V时,夹持机构最大切向和轴向摩擦夹持力的实验值分别为7.8 N和5.7 N。     

杠杆式尺蠖压电直线驱动器

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器,用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构,在保证钳紧力的同时,可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理,对杠杆式柔性放大机构的位移损失、压电陶瓷与柔性机构的耦合特性及箝位机构与中间驱动机构的刚度进行了分析。利用有限元软件Ansys对钳位机构和驱动机构的变形、应力、输出位移和固有频率等参数进行了仿真分析。最后,搭建了实验平台,测试了驱动器的各项性能。测试结果显示,该驱动器的行程为±25mm,钳紧力为17N,承载力为11N,最大和最小步距分别为55μm和60nm。当驱动电压为150V时,驱动器的最高驱动速度为1.259mm/s。得到的性能指标满足光学领域精密定位需要。     

压电微定位台的率相关动态迟滞建模及参数辨识

针对压电微定位台固有的率相关迟滞非线性严重限制其微定位精度的问题,研究了基于Backlash-Like的Hammerstein率相关迟滞非线性模型及其建模方法。以改进的Backlash-Like分段辨识模型描述压电微定位台的静态非线性特性,结合ARX(Auto Regressive eXogenous)模型,建立描述压电微定位台的率相关动态迟滞模型。同时,针对传统的粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)进行模型参数辨识时易陷入局部最优的问题,提出一种具有交叉变异策略的改进型粒子群算法进行模型的参数辨识。实验结果表明:与传统的Backlash-Like模型相比,改进的Backlash-Like分段辨识模型在输入电压为60V,频率为2Hz的信号时,模型辨识的最大误差由0.68μm下降到了0.104μm,最大相对误差由2.69%下降为0.35%。当压电微定位台输入电压为60V,频率分别为30Hz,60Hz和90Hz的单频信号时,Hammerstein率相关迟滞模型较Backlash-Like分段辨识模型,均方根误差由0.393 1～0.700 6μm下降至0.054 1～0.190 4μm,相对误差由1.721%～3.087%下降至0.236%～0.831%。验证了基于改进Backlash-Like的Hammerstein率相关迟滞模型较传统的Backlash-Like静态迟滞模型能精确地描述压电微定位台的率相关动态迟滞特性,具有较好的频率泛化能力,提高了压电微定位平台的定位精度。     

压电陶瓷微动台的复合控制

压电陶瓷微动台的迟滞非线性严重影响其动态定位精度,为了解决这一问题,采用一种改进的PI模型对微动台的迟滞非线性进行了建模.为了提高传统PID算法对压电陶瓷微动台的动态定位性能,将改进的PI模型与传统PID算法组合构成前馈复合控制算法,并进行了微动台的慢速与快速动态定位实验.结果表明,对同频曲线定位时,前馈PID复合算法的最大误差为传统PID算法的40％左右,平均误差为传统算法的20％～30％左右;对多频曲线定位时,前馈PID复合算法的最大误差和平均误差为传统PID算法的33％左右.数据表明前馈PID复合算法的动态定位性能明显优于传统PID算法.     

双向作动大行程二自由度稳像机构

针对光学稳像系统的双向动态大行程的设计要求,本文设计了一种可伸缩双向作动的压电作动器,并基于此压电作动器设计了二自由度稳像机构。压电作动器由一个收缩式三角位移放大机构和一个伸张式三角位移放大机构组成。位移放大机构可为压电平台提供足够的行程,柔性铰链可使平台结构更加紧凑。接着,利用有限元分析软件ANSYS对平台结构进行静力学仿真,模拟了平台的位移和应力变化。最后对原理样机进行了实验分析,实验结果显示所设计压电平台在低电压和低频率下有足够大的行程和足够快的响应速度,作动器在120V电压下的输出位移在67μm左右,基本满足稳像系统的性能要求,故平台结构的设计方案是可行的。     

压电驱动器迟滞非线性的分数阶建模及实验验证

存在于压电陶瓷全工作范围内的迟滞非线性特性,往往会导致压电陶瓷执行器的系统精度下降、振荡,甚至造成系统的不稳定。针对周期性的正弦输入信号,提出一种基于分数阶算子的迟滞建模方法。首先,在分析压电特性和分数阶算子特性的基础上,采用结构简单参数少的分数阶算子来描述压电陶瓷的迟滞特性;然后,搭建了基于dSpace的压电驱动微位移定位实验平台;最后,将基于分数阶算子的迟滞建模方法应用于压电驱动微位移定位平台中,对压电陶瓷的迟滞非线性特性进行辨识。实验结果表明采用基于分数阶的迟滞模型(FOM)比传统的Prandtl-Ishlinskii模型(PIM)及其改进的增强型Prandtl-Ishlinskii模型(EPIM)更有优势;在低频段,FOM模型比PIM模型和EPIM模型精度略有提高,但是在高频段,FOM模型比PIM模型和EPIM模型精度则提高显著。在输入频率为100HZ的情况下,所提出的FOM模型较PIM模型的均方根误差(RMSE)值精度提高69.84%,较EPIM模型的RMSE值精度提高68.88%。