压电定位平台Hammerstein建模与反馈线性化控制

压电定位平台以压电陶瓷、柔性铰链作为驱动及放大机构,具有高定位精度和快响应速度,被广泛应用于各种精密/超精密定位领域。压电定位平台面临的主要挑战是压电陶瓷的固有迟滞非线性特性,这严重影响平台的定位和跟踪精度。针对此问题,提出一种基于Hammerstein结构的迟滞建模方法及基于此模型的输入-输出反馈线性化控制策略。首先,建立Hammerstein结构的迟滞模型,并进行模型参数估计。接着,以基于Hammerstein模型的输入-输出反馈线性化控制策略设计跟踪控制器。最后,在压电定位平台上对建立的模型和设计的跟踪控制器进行实验验证。模型辨识实验结果表明：提出的Hammerstein模型能有效地拟合压电定位平台输入量与输出量之间的迟滞非线性特性,其均方根误差小于0.5μm。轨迹跟踪实验结果表明：设计的跟踪控制器对期望信号（幅值60μm,频率100 Hz）的跟踪均方根误差为0.926 6μm,相较于基于改进的速率相关PI(Modified Rate-dependent Prandtl-Ishlinskii,MRPI)模型的前馈补偿跟踪控制、基于MRPI模型的前馈补偿与PID反馈复合跟踪控制,精...     

压电陶瓷微位移驱动器建模与控制

考虑利用白光干涉仪进行表面三维形貌测量时压电陶瓷(PZT)的蠕变效应对微位移驱动器位移精度的影响,提出了一种沿参考镜光轴方向提高该驱动器位移精度的方法.系统研究了该驱动器的位移检测回路、PID闭环控制以及蠕变补偿控制;利用光电位置传感器和光学杠杆调节位移检测回路,将压电陶瓷驱动器微位移反馈至控制系统,建立PID闭环控制.充分考虑了PZT蠕变特性对测量过程的影响,建立了"电压蠕变"补偿模型,实现了基于PID闭环控制与蠕变补偿控制相结合的复合控制方法.利用XL-80激光干涉仪测量压电陶瓷驱动器在PID闭环控制和复合控制二种情况下的微位移,实验结果显示前者位移误差为0.007 μm,后者位移误差为0.005 μm.结果表明该方法可有效克服压电陶瓷迟滞非线性和蠕变对测量结果的影响,满足表面三维形貌测量的高精度要求.     

宏微双级驱动精密定位平台的建模与控制

为实现定位系统在大行程中高精度定位,设计了一种宏微双级驱动精密定位平台。采用金属波纹管直接驱动宏动平台,实现了系统大行程进给。安装在宏动平台上的音圈电机驱动微动平台,补偿宏动平台产生的误差并实现系统的高精度定位。采用双光栅检测方案,增量式光栅反馈宏动平台的位置信号,绝对式高精度光栅反馈微动平台的位置信号,实现二级精密驱动定位系统的全闭环控制设计。分别对宏动平台和微动平台建立数学模型,提出宏动平台带前馈的PID闭环控制和微动平台的神经网络PID复合控制方案。实验结果表明:该定位系统能满足大行程高精度的定位要求,在50mm的行程中重复定位精度能达到0.6μm。     

基于改进PID的压电微定位平台反馈控制

为使压电微定位平台具有良好的性能,采用改进PID控制器对其进行反馈控制。首先,对压电执行器机电特性及平台动力学特性进行分析,建立并辨识出了平台动力学模型;其次,采用非饱和积分和钝化微分分别改进PID控制器中的常规积分和常规微分,以减小平台响应的超调量以及对干扰的敏感性;最后,对平台控制系统进行了仿真并实验验证了其有效性,结果表明,平台对5μm阶跃目标位移的响应为0.3 s,且无超调,稳态误差中线由无控制时的0.57~0.66μm减小为几乎为0;在跟踪由正弦信号、常值信号、斜坡信号所组成的目标位移时,跟踪误差几乎为0。改进PID控制器可消除平台的定位误差,并使平台具有较快的响应,且无超调。     

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。     

压电陶瓷驱动微位移平台的磁滞补偿控制理论和方法研究

正随着纳米科学和纳米技术的飞速发展,压电陶瓷驱动的微位移平台逐渐成为精密制造装备中实现微观操作和加工的核心部件。但是压电陶瓷驱动器存在复杂的非线性磁滞效应,会造成系统精度超差,易产生振荡,甚至闭环系统的不稳定。此外,压电陶瓷驱动微位移平台是含输入磁滞非线性的动力学系统,现有数学模型无法精确描述这种复杂动力学特性,造成基于精确数学模型的控制与优化策略难以直接应用。这给磁滞补偿控制器的设计带来了极大的挑战。     

基于压电驱动器的微动平台开环精密定位控制研究

针对压电驱动器的非线性和迟滞特性,首先介绍了一种基于迭代学习控制的压电驱动器的快速电压/位移线性化方法,利用此方法所得的线性化数据对二维微动平台进行了开环精密定位控制;然后介绍了采用改进的Preisach模型对压电驱动器的迟滞特性进行建模的方法,并利用此模型也进行了开环精密定位控制研究。试验结果表明,两种方法均能达到亚微米级的开环定位精度,且前者定位精度稍优于后者,但是当控制序列发生转折时,前者必须先回到零电压或者饱和控制电压,才能进行下一次定位控制,而后者可以实现任意序列的连续控制。     

高速宏微运动平台及精密定位方法

围绕微电子精密制造封装装备的高性能要求,在宏微复合定位技术的基础上,提出一种新型宏微复合精密定位平台及其精密定位方法。首先利用ADAMS/view对平台进行动力学分析与仿真,明确弹簧刚度与预紧力因素对系统性能的影响,使得符合封装装备高频往复的工作要求。然后提出宏微复合运动的PID切换控制方法,实现平台的控制系统开发,搭建其宏微复合定位平台,并开展其定位性能的实验。结果表明,在速度为0.25 m/s,加速度为5 g的20 mm运行条件下,平台能够实现40 nm的定位精度且稳定时间小于105 ms。     

不确定性X-Y定位平台PID控制方法研究

X-Y定位平台属于强耦合非线性系统,且由于结构复杂性及外界干扰,当前测量水平难以获得其精确的数学模型,提出基于自适应神经网络的PID控制策略。考虑到X-Y定位平台系统精确的数学模型难以获得,利用神经网络良好的学习能力来逼近系统未知非线性模型,设计神经网络控制器;为了保证神经网络在学习的初期阶段的控制精度,设计PID控制器来进行辅助补偿控制;为加快学习速度,提高运动控制的实时性,设计变学习率的优化算法来实现神经网络权值的在线调整。试验结果验证了所提控制方法的有效性。     

压电驱动串级菱形位移放大微定位平台的设计

针对二维微定位平台普遍具有体积大、行程小的问题,提出一种串级菱形位移放大机构,设计了嵌套式压电驱动二维微定位平台。根据平台运动原理建立了平台的力学模型并进行放大比分析;对平台进行静态特性分析,研究平台所受驱动力与输出位移的关系并进行理论与仿真对比,测试平台的输出位移特性;对平台进行动态特性分析,建立平台的动力学模型,研究平台闭环阶跃响应进行仿真与实验对比;对平台进行闭环最小位移分辨率、重复定位精度和平台运动偏转误差分析。实验结果表明,该压电驱动串级菱形位移放大微定位平台具有大行程、体积小、精度高的特点。     

压电陶瓷驱动器迟滞建模与控制研究

压电陶瓷驱动器存在迟滞非线性,在超精密定位应用中影响定位精度和系统性能。针对这一问题,提出了一种减小迟滞的自适应逆控制算法。基于Prandtl-Ishlinskii迟滞算子建立压电陶瓷迟滞模型,构建自适应逆控制系统并进行实验研究。结果证明,利用该算法,系统输出的非线性误差从17.7%下降到1.43%,系统性能显著提高。     

压电陶瓷驱动系统及控制方法研究

给出了一种压电陶瓷驱动系统的控制方法,利用VB中的Timer控件和压电陶瓷电源的DLL动态连接库函数,实现了控制电压的实时可编程输出。针对压电陶瓷驱动器的非线性和迟滞特性,应用MATLAB分别拟合出压电陶瓷驱动器在往返行程中电压与位移值的多项式拟合曲线,得到了电压与位移的关系式,为进一步修正和减少非线性及迟滞误差的影响、提高系统的定位精度,提供了分析的依据。     

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。     

单管压电扫描器建模方法的研究及标定精度分析

文章对扫描探针显微镜中的单管压电执行器在x-y平面扫描的电压-位移特性进行了物理和数据分析,提出了一种新的基于采集数据的建模方法。仿真及实验证明,建立的模型能有效的消除扫描速度、扫描角度、非正交和耦合误差,提高了精度。避免了建模时对压电陶瓷内部机理（极化等）的分析,使模型参数的个数降低到很少,并对其标定精度进行了分析。该方法是一种在工程实践中非常实用的建模方法。     

压电微位移台的动态迟滞建模及实验验证

为了提高压电微位移平台快速定位的精确度,建立了一种表征压电微位移平台驱动电压与输出位移关系的定位模型。考虑压电工作台在快速、大行程精确定位过程中会受压电陶瓷迟滞特性及本身动态特性的影响,本文采用BoucWen模型描述压电陶瓷迟滞特性,并结合压电工作台的动态特性进行共同建模,使模型同时体现压电工作台的动态特性与迟滞特性。为了验证模型的正确性,搭建了基于压电微位移平台和相关驱动器的实验设备对模型进行了实验验证,并进行了测控程序的二次开发。研究结果表明,与单纯的Bouc-Wen模型相比,提出模型在最大位移输出为40μm,输入电压频率为40Hz时的最大误差由3.04μm下降到了0.67μm,此时最大相对误差为1.68%。得到的结果验证了提出的模型可较好地模拟压电工作台的迟滞特性与动态特性,大大提高压电微位移平台在快速、大行程定位中的精确度。     

压电驱动三自由度柔顺精密定位平台研究

设计了一种由压电陶瓷驱动的整体式平面3-PRR柔顺并联定位平台,平台每条支链采用半圆型柔性转动铰链和直角型柔性直线铰链代替传统的转动副和移动副,消除了传统机构的铰链配合间隙和摩擦,通过Ansys软件对两种铰链进行了刚度分析,并在支链的输入端设计了柔性杠杆位移放大机构以提高平台的工作空间。基于“伪刚体模型法”建立了柔顺定位平台的运动学模型,采用Ansys软件对柔顺并联平台进行有限元分析,得到其静力学特性,最后搭建了平台测试实验系统进行了验证实验。通过运动学模型解析结果和有限元仿真结果与实验结果对比,得到在x方向、y方向和转动角φp的最大误差分别为10.81%,9.66%和9.79%,验证了运动学理论模型建模方法的可行性。     

压电工作台的神经网络建模与控制

建立了压电工作台的神经网络在线辨识模型并设计了相应的自适应控制器以抑制压电工作台迟滞特性、蠕变特性及动态特性对其微定位精度的影响.采用双Sigmoid激活函数对神经网络激活函数进行了改进,同时分析了改进激活函数的神经网络模型与PI迟滞模型在迟滞建模上的异同.设计了基于改进激活函数的3层BP神经网络作为压电工作台的在线辨识模型,推导了网络权值、阈值及激活函数阈值修正公式.最后,基于神经网络模型设计了压电工作台的自适应控制方案,该控制方案利用另外一个神经网络来完成对PID控制器参数的自适应调整.实验结果表明:提出的神经网络在线辨识模型平均误差为0.095 μm,最大误差为0.32 μm;自适应控制方案跟踪三角波的平均误差为0.070 μm,最大误差为0.100 μm;跟踪复频波的平均误差为0.80 μm,最大误差为0.105 μm.实验数据显示压电工作台的定位精度得到了有效提高.     

基于压电陶瓷的微进给平台的实验研究

超精密加工技术是机械制造业中最重要的部分,基于压电陶瓷的微位移机构是近年来发展起来的一种新型微位移机构,设计了基于压电陶瓷为驱动的,以弹性铰链为支撑的微进给平台.并进行了大量的试验,从中得出适于应用的线性电压一位移曲线.采用不同的升降压步长对平台进行驱动,改善了电压一位移的迟滞度.     

基于纳米定位的压电陶瓷执行器控制方法的研究进展

压电陶瓷执行器在较高电场的作用下将产生严重的非线性，迟滞和蠕变，从而大大降低了它的定位精度。从控制方式，驱动方式和控制算法上，分析，总结了国内外关于纳米定位中压电陶瓷执行器的各种控制方法，进而提出：压电陶瓷执行器在静态或对频响要求不高的场合下，应采用电压驱动，电容传感器反馈并同优良控制算法相结合的控制方法；而在对频响要求较高的场合下，应采用电荷驱动、电容传感器反馈并同优良控制算法相结合的控制方法。