压电自感知微夹钳

研制了不需要外部附加微位移与微力传感器、采用自感知方法来获取压电微夹钳的钳指位移与夹持力的压电自感知微夹钳。根据压电陶瓷晶片在驱动电压与外力作用下发生变形会在其表面产生电荷的思想,提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法;基于Jan G.Smits的压电悬臂梁弯曲变形理论,给出了钳指位移与夹持力的自感知表达式,即用钳指上压电陶瓷晶片表面的电荷来表达钳指位移与夹持力。设计了获取晶片表面电荷的积分电路,给出了其平衡条件为晶片电容与其绝缘电阻之积同积分电容与反馈电阻之积相等。自感知验证实验结果表明:修正后在31.59μm最大钳指位移范围内的自感知位移最大偏差为0.78μm;在35.91mN最大钳指夹持力范围内的自感知夹持力的最大偏差为0.24mN。实验结果验证了所提自感知方法是有效的。     

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。     

压电微动工作台的位移复合控制

为解决稳态精度和稳定性之间的矛盾,提高压电陶瓷执行器的控制性能,进而提高其驱动的微动工作台的定位精度,构造了一种前馈补偿同反馈调节相结合的复合控制算法。其中,前馈补偿为基于压电陶瓷执行器迟滞非线性模型的前馈控制,通过自学习算法来实现,用来补偿压电陶瓷执行器的迟滞非线性,提高对参考位移信号的跟踪能力;反馈调节为PID反馈控制,用来进一步校正前馈补偿没有消除的偏差以及由模型的不确定性所引起的误差,且为了减小积分饱和作用以及微分对扰动的敏感性,对PID算法进行了改进,使之成为一种变系数积分与加权微分的PID算法。试验验证了该算法的有效性,并将该算法同其他控制算法——开环控制、前馈控制、PID 反馈控制进行了对比试验研究,结果表明,复合控制算法比其他控制算法具有更好的性能。     

压电微动工作台的位移自感知控制

使用自感知方法测量压电微动工作台的位移,省去独立传感器,构成位移自感知控制系统.压电陶瓷执行器晶片上的自由电荷中包含执行器的位移信息,据此提出基于积分器的压电执行器位移自感知方法,并设计了获取执行器晶片上自由电荷的积分器电路.该方法使得自感知电路的调节和感知信号的获取变得容易,可克服电桥法自感知电路阻抗不易匹配的不足.将该位移自感知方法作为压电微动工作台控制系统的反馈方式,并为提高工作台的动静态性能,构造一种前馈补偿同反馈调节相结合的复合控制算法,实现了自感知复合控制.试验验证了自感知复合控制的有效性,并将该控制方法同其他控制方法--前馈控制、独立传感器常规PID反馈控制、独立传感器复合控制进行了对比试验研究,结果表明自感知复合控制具有独立传感器复合控制的良好性能.     

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.     

四自由度压电微夹钳的设计

为降低微夹钳前端执行机构的复杂度,探索四自由度压电微夹钳的实现问题。通过在被设计成夹钳形状的两个压电单晶片的非黏结面上制作相互绝缘的驱动电极,且使两个非黏结面上驱动电极相互对齐的方法,设计出了可同时产生夹持方向与垂直于夹持方向位移的四自由度压电微夹钳;采用压电悬臂梁变形理论,推导出了钳指位移同钳指几何参数、驱动电压的关系,进而在对钳指进行尺寸优化的基础上,采用有限元方法分析了其静动态特性;最后,对微夹钳的静动态特性进行了测试,结果表明：当驱动电压为60 V时,左钳指、右钳指在夹持方向上的位移分别为25.7 μm、26.1 μm,左、右钳指在垂直于夹持方向上的位移分别为33.5 μm、32.8 μm,钳指位移具有很好的重复性;微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的固有频率分别为2.35 kHz、0.62 kHz;在15 V的阶跃电压作用下,微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的响应时间均为0.23 s。     

扫描隧道显微镜微位移工作台的神经网络PID控制方法研究

提出了一种基于神经网络理论的微位移工作台控制方案。该工作台以压电陶瓷作为微位移驱动元件,对伺服电机大位移进行位移补偿。分析了压电陶瓷微位移驱动器的原理,建立了工作台的数学模型。神经网络PID控制器对工作台进行闭环控制,利用BP网络的自学习和自适应能力,实时调整网络加权值,改变PID控制器的控制系数,减小工作台的位移误差。采用专用的压电陶瓷驱动电源对工作台的位移进行了实验,相对于常规PID控制器,微位移为11.41 μm时的响应时间从1.5 s缩短到1 s,稳态位移误差从3.13％减小到1.05％,工作台的稳定性和定位精度得以提高,改善了扫描隧道显微镜的工作性能。     

扫描隧道显微镜扫描器的迟滞非线性控制

压电驱动器被广泛应用于扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,简称STM)的扫描器,但压电材料本身的迟滞非线性特性影响了STM的扫描精度。为了补偿由于迟滞非线性带来的扫描器控制误差,提高STM的扫描精度,基于迟滞非线性模型,设计了前馈控制器,并与PID反馈控制相结合。利用所设计的控制器进行了扫描实验,并与位移反馈控制扫描进行对比。实验结果表明,采用位移反馈控制时光栅周期相对测量误差和光栅线宽相对测量误差分别为4.41%和2.65%,采用迟滞逆模型与PID反馈的复合控制后,光栅周期相对测量误差和光栅线宽相对测量误差分别减小到1.26%和0.27%,迟滞引起的非线性误差得到了补偿,减小了扫描器控制误差,提高了扫描精度。     

叠堆式压电陶瓷驱动器的复合控制

提出了逆Bouc-Wen前馈控制与反馈控制相结合的复合控制算法,用于改善压电陶瓷驱动器对目标轨迹的跟踪性能。建立了压电陶瓷驱动器的Bouc-Wen迟滞动力学模型,并用粒子群算法(PSO)对该模型的参数进行识别。基于Bouc-Wen迟滞模型,提出了逆Bouc-Wen前馈补偿控制。最后,为消除迟滞模型的不确定性,引入比例积分(PI)反馈控制,并与前馈补偿控制构成复合控制算法。建立了基于dSPACE实时系统的压电陶瓷驱动实验平台,迟滞实验结果表明:压电陶瓷的迟滞误差量几乎为0,线性度高达96.5%;目标轨迹跟踪实验结果表明:复合控制算法的最大跟踪误差为0.180 5μm,均方根(RMS-Root mean square)跟踪误差为0.055 4μm,跟踪精度达到了10-8 m。相比于开环控制、前馈控制及PI反馈控制,提出的复合控制算法能够基本消除压电陶瓷的迟滞非线性,同时具有很好的轨迹跟踪性能。     

扫描隧道显微镜精密工作台及其控制技术研究

针对扫描隧道显微镜工作台高精度控制的需求，设计了一种基于神经网络理论的控制系统，其微位移工作台由压电陶瓷驱动器和柔性铰链机构组成。在对驱动器结构进行分析的基础上，建立了工作台的数学模型。以三层神经网络自学习PID控制器代替常规PID控制器，实现了样本的在线采集和优化，有效地克服了神经网络控制器需要离线训练的缺点；采用BP算法对神经网络进行在线训练，增强了系统的实时控制性能。实验结果表明，10μm下的过渡时间从3．25s缩短到1．6s，稳态误差从2．78％减小到1．39％。     

PID控制在卷取温度控制中的应用

卷取温度是影响带钢组织性能的重要工艺参数之一。将经典PID反馈控制应用到热轧带钢卷取温度的控制中,通过合理地设置温度采样时间和调节周期,并且考虑不同化学成分、不同厚度等带钢规格参数分别调整比例、积分和微分系数,取得了良好的效果,提高了卷取温度控制精度和产品成材率。     

多模式模糊控制理论在速度反馈式液压电梯系统中的应用

本文通过液压电梯速度控制系统的研究，提出一种多模式模糊控制方式，介绍了多模式模糊控制的原理，并给出系统实验的结果。     

挖掘装置操作臂末端轨迹控制的试验研究

对排雷机器人挖掘装置的操作臂系统进行了动力学分析，建立了其动力学方程；利用PD反馈控制法对操作臂的末端轨迹控制进行了测试试验。测试结果表明，控制系统使操作臂具有较好的摆角收敛性；位置精度在X方向的误差值小于23mm，误差率小于2．3％，在Y方向的误差值小于16mm，误差率小于2．0％，能实现较精确的轨迹控制。     

汽车悬架混沌系统的速度反馈控制研究

基于磁流变减振器的汽车悬架系统具有明显的滞后非线性，这直接导致了系统存在分岔与混沌的可能性。分析了汽车悬架系统在路面单频周期激励下的受迫振动，揭示了该系统振动存在：昆沌的可能性，并在此基础上，利用速度反馈控制方法对这类混沌行为进行了控制，为利用混沌序列提供了理论基础。     

气动位置伺服系统状态反馈控制的改进

基于一种能反映气动位置伺服系统特性的线性化数学模型,对压力差反馈的控制性能进行了理论分析,由分析结果可知,压力差反馈虽然能够该善系统的动态性能,但会引起较大的稳态偏差。在此基础上,提出以压力差微分反馈代替压力差反馈,采用位置、速度和压力差微分反馈控制来改善系统的控制性能,理论分析了该方法的有效性。为了抑制气动位置伺服系统存在的期望值附近的位移波动现象,提高系统的控制精度,提出压力差辅助控制方法。将所提出的控制方法应用于摆动气缸位置伺服系统,试验结果表明,系统获得了较好的控制性能。     

电液多变量位置系统的解耦控制

采用对角矩阵法对电液比例双阀控缸位置耦合控制系统进行解耦设计。并在实验装置中得到了实现。解耦控制中,针对结构耦合和外扰力作用,分别采用了反馈解耦和反馈全解耦方案,实验结果表明,该方法具有较好的解耦效果,且仅需采用两液压缸活塞的位移值就能实现,算法简单,易于工程应用。     

反馈信号的滞后对混沌控制的影响

针对Pyragas延时反馈控制方法和自适应延时反馈控制方法，研究反馈信号滞后对混沌控制效果的影响。以信号滞后时间τ0作为分岔参数，得到控制系统状态变量对τ0的分岔图，该图表明信号滞后对两种混沌控制方法的控制效果均有不同程度的影响。与Pyragas延时反馈控制方法相比，自适应延时反馈控制方法具有较强的鲁棒性。另外，该方法能够在较短的时间内将混沌系统稳定在期望的周期轨道上。     

Bonhoeffer-van der Pol方程中双吸引子的混沌控制

基于延时反馈混沌控制方法和相空间压缩法,提出一种改进的延时反馈混沌控制方法。该方法不仅可用于单个吸引子混沌系统的控制,而且由于克服了Pyragas控制方法的不能简便地将混沌系统稳定到嵌入在不同混沌吸引子内周期轨道的不足,也可以用于多个混沌吸引子混沌系统的控制。以Bonhoeffer-van der Pol系统为例,数值验证此改进方法用于两个混沌吸引子系统控制的有效性,结果表明,在延时反馈控制中增加适当的相空间限制器,可以快捷地将系统稳定在期望的周期轨道上。     

机组非线性模型的多变量内模控制

大型火力发电机组的协调控制系统是一个复杂的多变量非线性控制系统。随着科学技术和生产的迅速发展,对复杂和不确定性系统实行自动控制的要求不断提高,为进一步改善控制品质,必须采用先进控制器。内模控制由于具有良好的跟踪性能和抗干扰能力,并对模型失配有一定的鲁棒性,使其在工业控制中获得了广泛的应用。为了克服非线性环节以及能量供需之间关联耦合作用对协调系统控制品质的影响,本文结合反馈线性化方法与多变量内模控制,对机组非线性模型设计出非线性内模控制器。     

多单元协调传动控制系统的研究

在总结传统调速方法的基础上,利用交流变频调速技术实现多单元协调传动,详细地叙述了多单元协调传动系统的控制方案及主要控制电路,并说明了变频器主要参数的设置方法及主要环节的调试方法,为闭环调速系统的技术改造提供了一种新的控制方法.