二维纳米位移台测量系统的搭建和实验研究

研制了压电陶瓷(PZT)驱动叠加柔性铰链运动机构的二维纳米位移台。介绍了位移系统的结构并分析了位移系统的工作位移刚度,理论和仿真结果误差在6.3%以内。根据线性干涉仪原理构建了一套激光干涉测量系统,阐述了测量系统的布局及位移测试原理并测量纳米位移台行程及定位准确性。实验结果表明:位移台在100μm行程内,x轴和y轴的测试位移为99.6μm和97.7μm。同时分析了测试系统的误差来源并评估测量系统的不确定度,得到该测量系统x轴和y轴的合成标准不确定分别为10.04 nm和13.93 nm。     

基于电流控制的压电陶瓷驱动器

为了解决电压控制型压电陶瓷驱动器驱动压电陶瓷时存在的迟滞、蠕变和带宽窄的问题,设计了基于电流控制的压电陶瓷驱动器,利用压电陶瓷致动器位移与其所带电荷量间的线性关系,该驱动器通过控制压电陶瓷的充电电流和时间控制其位移量．在此基础上,提出了以分辨率换取稳定性的动态保持控制方法,采用该电流型驱动器,实现了开环下对压电陶瓷致动器的稳定、快速、高精度定位．实验结果表明,该驱动器驱动行程为10μm的压电陶瓷时,满行程带宽大于1．5kHz,重复定位精度小于4nm（0．4％）．     

基于二维精密电容微位移传感器的二维纳米定位系统

设计并研制了一种结构小巧的纳米级精密定位平台.该系统采用正交簧片式设计,有效地抑制了正交运动的耦合,同时应用一个二维电容微位移传感器作为位移标准来对定位平台实行反馈控制,有效地克服了压电陶瓷执行机的非线性和迟滞效应.实验结果表明,该系统定位精度优于1nm,可在0.5μm×0.5μm范围内实行任意二维纳米循迹定位.给出了半径为2.5nm的圆及外接圆半径约为5nm的五角星形的定位轨迹图.该系统基本满足高精度引力实验精确定位的需求.     

剪切压电陶瓷块微位移测量及非线性修正

通过搭建的剪切压电陶瓷块微位移测量系统,进行了5个不同目标电压的剪切压电陶瓷微位移测量实验,对实验数据分别进行二阶、三阶、四阶最小二乘拟合后进行非线性修正实验,其中采用三阶最小二乘拟合进行修正时效果最好,其位移1 050 nm行程时最大非线性误差为3 nm。对所得三阶最小二乘拟合多项式的系数进行样条插值拟合,从而实现对不同目标位移的非线性修正,其中位移900 nm行程时最大非线性误差为4 nm,仅为原始非线性误差的11%。     

新型纳米分辨率位移定位平移台的研制

为克服已有压电驱动器存在的结构及控制系统复杂、定位行程小等缺陷,利用压电陶瓷的逆压电效应设计并制作了一种新型的压电纳米步进驱动器,建立光栅测试系统对这种压电驱动器的动态性能进行了测试.将压电纳米步进驱动器与电磁伺服马达耦合,设计新颖驱动结构,利用微机通过步进运动控制卡统一控制,实现大范围一维纳米分辨率位移定位.系统样机解决了所研制压电纳米步进驱动器双向运动、实用定位等问题.位移定位分辨率为50 nm,定位行程为100mm,纳米分辨率定位最大速度为0.6 mm/s.     

空间引力波望远镜超前瞄准机构致动器电荷驱动位移行为研究

超前瞄准机构(PAAM)是空间引力波探测望远镜的关键部件,其主要通过给压电致动器输入电压或电荷精确控制位移量,实现对望远镜高精度角度控制。因此,压电陶瓷致动器位移响应直接影响超前瞄准机构指向控制性能。本文提出等效电容量计算方法定量分析压电致动器在电荷驱动下的位移响应特性,并通过数值模拟仿真和实验验证等方式验证了计算方法的准确性和可行性。结果表明：在使用幅值5 V、频率0.05 Hz～5 Hz的正弦波信号控制的电荷放大器驱动某型号压电致动器时,采用本文方法分析结果与实验结果相比,二者位移响应最大偏差小于1.35%,为空间引力波探测望远镜超前瞄准机构的高精度指向控制提供了可能的分析方法和实现途径。     

压电执行器改进Bouc-Wen模型及其定位补偿控制研究EI北大核心CSCD

针对多数迟滞模型无法描述压电陶瓷执行器(piezoelectric actuator,PEA)的非对称、率相关迟滞非线性,提出一种改进Bouc-Wen(improved Bouc-Wen,IBW)模型并基于提出的IBW模型对其补偿控制进行试验研究。首先,基于传统Bouc-Wen(classical Bouc-Wen,CBW)迟滞模型引入两项非对称项并引入二阶IIR滤波器以精确描述压电陶瓷执行器的迟滞非线性,进一步分析了模型参数值与频率变化规律并修正率相关参数。然后,搭建基于NI CompactRIO测控系统压电陶瓷执行器精密定位试验平台,对提出的IBW模型进行了试验验证并基于IBW模型对其补偿控制进行了试验研究。试验结果表明:IBW模型性能显著优于传统Bouc-Wen模型和增强型Bouc-Wen(enhanced Bouc-Wen,EBW)模型,对于激励频率10~100 Hz多频正弦信号,IBW模型均方根误差相较于CBW模型和EBW模型分别下降了82.07%和62.10%,试验中压电陶瓷执行器实测最大输出位移6.15μm,基于IBW模型所提出复合补偿控制均方根误差为0.039μm,仅为最大输出位移的0.64%,最大跟踪误差仅为0.153μm。若忽略测量噪声,定位误差接近于零,说明所提出的IBW模型及其补偿控制算法有助于实现压电陶瓷执行器的高速、宽频超精密定位及主动振动控制。     

高控位精度横向模压电微位移器的研究

介绍了d31横向伸缩模式压电徽位移驱动器的制作过程,应用高稳定的填满钨青铜型压电陶瓷作为该器件制备的基料,利用P-F干涉仪原理测量了电场-位移特性曲线,由此计算了压电常数d31并进行了讨论。该器件具有电控应变(位移)线性度高、滞后量小以及结构简单、制作工艺方便等特点,它在精密光学等技术领域有一定应用价值。     

线性压电马达的动态模拟与性能评估

提出了一个模拟线性压电马达运动特性的动态模型.该模型考虑了马达压电元件的运动顺序,将压电马达视为一个具有变接触刚度与变阻尼系数的两自由度动态系统.其本构方程考虑了压电元件的机-电耦合效应.该模型使用Co-quad图、波特图和根轨迹图进行表述以及实验验证.结果表明,该模型能够预测线性压电马达的运动特性,并可用于改进或设计新的线性压电马达.性能评估表明,实验中使用的线性压电马达具有5 nm的分辨率、20mm/s的行走速度以及220 N的驱动力.     

光栅计量型的垂直扫描位移工作台及其误差分析

为满足精密测量中垂直扫描白光干涉以及千分表、电感位移传感器、表面粗糙度触针位移传感器标定对垂直方向的高精度定位和高分辨率运动要求,研制出一种纳米级垂直扫描位移工作台.该工作台采用柔性铰链结构,压电陶瓷驱动位移,满足纳米级微位移驱动要求,同时利用两级杠杆放大结构,扩大了位移行程.针对压电陶瓷驱动的位移随电压变化的非线性特点,利用衍射光栅对压电驱动进行实时监控,对这种非线性误差进行实时补偿.衍射光栅固定在工作台的微定位板上,工作台的移动量可由衍射光栅二次衍射干涉后产生的条纹变化得到.根据衍射光栅的计量特点,分析垂直扫描位移工作台测量误差的主要影响因素.通过试验验证,优化系统误差,进一步提高了垂直扫描位移工作台的定位精度.     

压电驱动器的非对称迟滞模型

为了补偿压电驱动器的非对称迟滞,提出了改进型Maxwell迟滞模型.Goldfarb提出的经典Maxwell迟滞模型由多个基础单元并联叠加而成,其基础单元为单个弹簧-物块单元,迟滞特性为平行四边形,故只能描述对称迟滞.为了能描述压电驱动器非对称迟滞,提出了基础单元迟滞特性为梯形的模型.为了简化算法程序,将梯形单元优化为两个三角形单元组合而成.为了验证该模型,以压电工作台为实验对象,运用该迟滞模型的逆模型进行迟滞补偿控制.单独的迟滞逆模型前馈开环控制实验结果表明,位移跟踪相对误差从7.37％降到了1.56％,输入输出基本呈线性关系.逆模型结合PID复合反馈闭环控制实验结果表明,位移跟踪相对误差进一步降低到0.53％,输入输出呈很好的线性关系.这表明本文所建立的迟滞模型能很好地描述压电驱动器非对称迟滞特性.     

基于输出预估自抗扰策略的加筋壁板结构多模态振动主动控制

针对加筋壁板结构中存在的模型难以精确确定和多模态外界干扰等问题,基于加速度传感器,提出了一种不依赖结构精确数学模型的多模态线性自抗扰振动主动控制(Linear Active Disturbance Rejection Control)策略。由于加速度传感器和压电驱动器的异位配置不可避免地使得整个控制系统存在时延。为解决该问题,利用Smith预估器的原理,引入输出预估器来补偿时延,这样设计的自抗扰振动主动控制器能够很好地解决时延对结构振动性能的影响。基于dSPACE实时仿真平台、利用加速度传感器、压电片驱动器,设计并建立四面固支压电加筋壁板结构实验系统,对提出的控制方法进行试验比较研究。最后的试验结果表明,采用提出的具有输出预估功能的自抗扰振动控制器,能够快速有效地抑制结构的多模态振动。     

基于PI迟滞模型的压电驱动器自适应辨识与逆控制

压电陶瓷驱动器的迟滞非线性特性严重影响了其跟踪定位精度,甚至引起闭环系统失稳.本文采用经典PI模型描述压电驱动器的迟滞非线性,利用自适应投影算法对PI模型的权向量进行在线辨识,并与传统的最小二乘辨识方法进行比较.迟滞PI模型的优点是模型存在解析逆,因此本文对压电驱动器采用自适应逆跟踪控制,利用驱动器的输出位移与参考位移之差使用自适应投影算法在线辨识PI模型的权向量,并计算PI逆模型的权向量和阈值,最终得到要输入的电压值.最后实验结果表明自适应逆跟踪控制比传统的逆模型跟踪控制精度提高了49.8%.     

基于迟滞观测器的压电堆补偿控制

压电堆具有反应速度快、能量密度高等特点被广泛应用于精密仪器的作动装置.然而,压电堆输出位移与驱动电压之间存在的迟滞效应会严重影响控制精度.为了补偿迟滞效应带来的影响,提升控制效果,提出了一种基于滑模变结构理论的类Luenberger迟滞观测器,观测器的设计不仅考虑到了模型中的不确定因素,还可在一定程度上减小外部扰动带来...     

用迈克尔逊干涉仪测微定位工作台的位移

将迈克尔逊干涉实验装置用于用压电陶瓷驱动和柔性铰链导向的一体化微定位工作台,通过实验研究了其位移与电压的关系.实验结果表明它们在限定的工作范围内具有良好的二次曲线关系.另外,还对影响系统定位的误差作了相关分析.     

压电陶瓷致动器的动态控制模型及逻辑规则控制

提出了一种新的压电陶瓷致动器的动态控制模型．该控制模型建立在泛布尔代数理论基础上;它依赖于压电陶瓷的控制经验．通过一系列控制规则,采用泛布尔代数的符号进行控制模型的表述．在所建模型基础上,结合PID控制器对压电陶瓷进行了Rule＋PI控制的离线仿真研究;仿真结果表明,该控制模型结构简单,控制方便,易于实现．     

压电式二维微定位平台的率相关迟滞建模

为了描述压电式多维微定位平台的率相关迟滞非线性特性,提出了一种基于Hammerstein模型的建模方法。以一种二维微定位平台为对象,平台动态模型是由静态迟滞非线性部分和一个线性动态系统部分串联组成。静态非线性部分由改进的Prandtl-Ishlinskii模型描述,线性动态系统部分由外因输入自回归模型(ARX)模型描述,并给出了模型参数辨识方法。为了验证所建立的Hammerstein模型有效性,搭建了实验平台进行实验验证。实验结果表明,对平台施加不同频率电压信号,由Hammerstein模型得到的预测位移和实测位移相对误差范围为1%~5%,预测位移与实测位移接近,说明所建立的模型能精确描述微定位平台的率相关迟滞特性。     

晶体结构对压电陶瓷微位移驱动器特性的影响

对钙钛矿结构的ＰＺＴ－５和钨青铜结构的ＰＢＮＮ二种压电陶瓷制成的压电微位移器进行了电压－位移特性的比较和分析，发现我们所研制的ＰＢＮＮ压电微位移器具有线性好、回零好、等优点。     

一种新型并联XYY微定位平台动力学建模及控制仿真

介绍了一种新型的压电陶瓷驱动的并联XYY结构微定位平台。该平台通过Y方向两个压电驱动器的实时校正,能够避免因加工装配误差引起的结构非对称性对平台运动直线度的影响。推导了微定位平台的动力学模型。通过引入过程噪声的数学模型增广LQG控制器,实现了微定位平台解耦和跟踪,仿真发现这种方法能够有效抑制窄带随机扰动,提高定位精度。