压电陶瓷驱动器的迟滞建模与控制

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随着科技的发展,微纳米技术在机械领域中占有越来越重要的地位。纳米驱动与控制技术作为纳米技术发展的关键,成为了国内外研究的热点。利用压电陶瓷的逆压电效应制成的压电陶瓷微位移驱动器因其精度高,输出力大,快速响应等优良的特性成为纳米驱动中理想的微位移驱动器,广泛应用于生物工程、纳米加工、航天工程等尖端科技领域。然而由于压电陶瓷驱动器材料本身的特性而产生的固有迟滞非线性往往成为实际应用时需要解决的一个关键问题。  本文针对压电陶瓷驱动器的迟滞非线性,采用理论与实践相结合的方法,研究了对迟滞非线性的数学建模以及在此基础上的控制方法。首先深入分析了压电陶瓷的微观机理,给出了压电效应产生的微观解释,并从电畴的角度分析了产生迟滞非线性的原因。其次,在对比几种现有的迟滞模型以及控制方法后,通过对压电陶瓷驱动器迟滞曲线形成特点的分析,提出了一种能够精确描述迟滞非线性的数学模型,给出迟滞主环的有理分式拟合函数,并通过实验验证了模型的准确性。再则,根据压电陶瓷驱动器的迟滞模型,给出了基于迟滞逆模型的前馈开环控制方法以及在此基础上结合负反馈的复合控制方法,通过实验验证了基于逆模型的前馈开环控制的有效性,并进一步验证了加入PID控制器的负反馈控制对于控制精度以及抵抗外界干扰能力的提高。最后,在分析外载荷对压电陶瓷驱动器迟滞曲线影响的基础上,利用一个全柔顺二级微位移放大机构对压电陶瓷驱动器的输出位移进行放大,并通过复合控制策略实现了对整个压电陶瓷驱动的位移放大机构系统的精确控制。
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