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基于PZT微定位系统控制研究

作　者: 周晓峰
导　师: 杨世锡
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 压电陶瓷驱动器柔性铰链 Preisach模型 PID控制模糊控制自适应逆控制微动工作台
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

本文系统地分析和研究了以柔性铰链机构为导轨，压电陶瓷驱动的超精密微位移系统；采用有限元法设计了一个以柔性铰链机构为导轨的二维微动台；对压电陶瓷微位移器的Preisach模型和基于Preisach模型的控制方法进行较为深入的理论分析和实验研究，并研究比较了几种不同的控制方法。全文内容如下：第一章综述了进行精密微定位系统研究的目的和意义，分析了构成微定位系统的各个组成部分的发展和优缺点，并回顾了以柔性铰链机构为导轨，压电陶瓷驱动的超精密微位移系统国内外的发展概况和研究现状，确定了本论文的研究任第二章首先对柔性铰链进行了理论分析，得出了柔性铰链的设计公式；系统的分析了平行四杆机构的运动特性，推导了采用平行四杆机构的微动工作台的静态刚度；介绍了有限元分析方法和ANSYS软件，用ANSYS软件优化设计了一个二维微动工作台，并对工作台进行了静态分析和模态分析。第三章对压电陶瓷微位移器的驱动机理和特性进行了理论分析，实验测试了WSYD型和WTDS型压电陶瓷驱动器的特性。第四章分析了压电陶瓷的极化机制及其迟滞非线性迟滞的机理，分析比较了压电陶瓷迟滞非线性几种模型；推导了压电陶瓷微位移器的Preisach模型，进行了实验建模，并对所建的Preisach模型进行实验验证。第五章构建了一个用于研究控制方法的微定位实验系统，并对实验系统进行了测试。第六章首先建立了微位移系统的控制模型，对基于Preisach模型的开环控制、PID反馈控制和Preisach模型前馈的PID控制进行仿真和实验研究。介绍了模糊控制和自适应逆控制在微位移系统控制中的应用。第七章概括了本论文的主要工作，并展望今后需要进一步开展的工作。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第1章绪论  10-25
  1.1 引言  10-12
  1.2 微定位系统的构成及其分类  12-16
    1.2.1 微定位机构  12
    1.2.2 微位移驱动器  12-13
    1.2.3 微定位机构中的导轨  13-14
    1.2.4 检测装置及控制系统  14-15
    1.2.5 微定位系统的分类  15-16
  1.3 基于柔性铰链压电陶瓷驱动的微定位系统研究现状  16-23
    1.3.1 微位移机构的研究现状  17-20
    1.3.2 控制系统的研究现状  20-23
  1.4 本文的研究内容  23-25
第2章微动工作台的设计  25-43
  2.1 柔性铰链设计  25-29
    2.1.1 柔性铰链的力学分析  25-28
    2.1.2 正圆型柔性铰链  28-29
  2.2 平台结构分析  29-31
    2.2.1 平行四杆结构运动特性  29-31
    2.2.2 微位移机构的静态刚度K  31
  2.3 微动工作台的设计  31-42
    2.3.1 设计要求  31-32
    2.3.2 有限元分析方法  32-34
    2.3.3 有限元分析的微动工作台的设计、结构分析与优化  34-42
  2.4 本章小结  42-43
第3章压电微位移器特性研究  43-56
  3.1 压电效应与电致伸缩效应  43-45
  3.2 压电陶瓷缩微位移器  45-46
  3.3 压电陶瓷微位移器特性分析  46-54
    3.3.1 迟滞特性  47-49
    3.3.2 蠕变特性  49-51
    3.3.3 非线性特性  51-52
    3.3.4 温度特性  52
    3.3.5 负载特性  52-53
    3.3.6 动态特性  53-54
  3.4 本章小结  54-56
第4章压电陶瓷建模与实验方法研究  56-72
  4.1 引言  56
  4.2 压电陶瓷产生迟滞的机理  56-60
    4.2.1 压电陶瓷的极化机制  56-58
    4.2.2 压电陶瓷的迟滞原理  58-60
  4.3 滞回曲线的小数指数幂曲线近似法  60-61
  4.4 循环滞回模型  61-62
  4.5 非线性迟滞效应的广义模型  62-63
  4.6 压电陶瓷的Preisach模型  63-68
  4.7 Preisach模型的实验研究  68-70
  4.8 本章小结  70-72
第5章微定位控制实验系统研制  72-78
  5.1 微定位控制实验系统的总体构成  72-73
  5.2 系统组成部分的设计与选取  73-76
    5.2.1 微位移机构选取和设计  73
    5.2.2 压电陶瓷微位移器驱动电源选取与工作原理  73-74
    5.2.3 检测装置和传感器的选择  74-75
    5.2.4 A／D数据采集卡的选取  75-76
    5.2.5 计算机控制软件  76
  5.3 系统测试  76-77
  5.4 本章小结  77-78
第6章压电陶瓷微位移系统控制方法的研究  78-94
  6.1 引言  78
  6.2 微位移系统数学模型建立  78-80
    6.2.1 压电陶瓷微位移驱动器传递函数  78
    6.2.2 精密定位工作台传递函数  78-79
    6.2.3 驱动系统传递函数  79
    6.2.4 微位移系统的传递函数  79-80
  6.3 基于模型的微位移系统开环控制  80-81
  6.4 微位移系统PID控制研究  81-88
    6.4.1 PID控制思想  81-83
    6.4.2 PID控制器设计  83-84
    6.4.3 PID控制仿真和实验研究  84-88
  6.5 微位移系统的模糊控制研究  88-91
    6.5.1 模糊控制的思想  88-89
    6.5.2 模糊控制在压电陶瓷微位移系统中的应用  89-91
  6.6 微位移系统的自适应逆控制研究  91-94
    6.6.1 自适应逆控制的思想  91-92
    6.6.2 自适应逆控制在压电陶瓷微位移系统中的应用  92-94
  6.7 本章小结  94
第7章总结与展望  94-96
硕士期间发表论文  96-97
参考文献  97-104
致谢  104

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