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压电陶瓷物镜驱动器控制系统研究

作　者: 董钊明
导　师: 陈华
学　校: 广西大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 数字共焦显微技术 压电陶瓷驱动器 PID控制 离线优化遗传算法 模糊控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


数字共焦显微技术是一种新型的共焦显微技术,该技术以普通光学显微镜为基础,采集一系列生物细胞的序列切片图像,并在计算机上采用数学算法对切片图像进行去卷积处理,从而获取高分辨率的序列图像,通过三维重建,实现高分辨率的细胞三维显示。在数字共焦显微技术中,为了获取精确的等间隔生物细胞序列切片图像,需通过驱动显微镜物镜与载物台之间数十纳米的相对步进微位移来进行采集。而采用压电陶瓷控制技术进行显微镜物镜驱动,可以高精度地实现显微镜物镜与载物台之间的相对步进微位移。为了发挥压电陶瓷物镜驱动器的高精度和高响应速度的特点,控制技术是控制系统的核心。本课题重点研究了压电陶瓷物镜驱动器控制系统的构建及其控制技术,构建了一套应用于数字共焦显微系统中的压电陶瓷物镜驱动器控制系统,并提出一种基于离线优化的控制方法。在基于离线优化的控制方法中,将初始参数的优化从在线实时调整中分离出来,在离线状态下采用遗传算法完成全局优化,以减小系统在线调整的时间和次数,提高系统响应速度。经优化的初始参数配置于模糊PID控制中,对系统进行在线反馈实时调整,控制系统进行步进定位驱动。同时,在MATLAB环境下对该闭环控制方法进行仿真实验,实验结果表明,该方法实现了系统的控制精度和响应速度要求。在本研究构建的控制系统硬件平台上进行实验测试,结果显示,控制系统可实现高精度且快速地对压电陶瓷驱动器进行定位控制,满足课题控制要求。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-16
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 压电陶瓷驱动器控制系统的研究现状  11-14
    1.2.1 压电陶瓷驱动器的控制模型  11-12
    1.2.2 压电陶瓷驱动器的控制方法  12-14
    1.2.3 压电陶瓷驱动器控制系统  14
  1.3 论文研究的主要目的与内容  14-15
  1.4 全文安排  15
  1.5 本章小结  15-16
第二章 压电陶瓷驱动器特性及控制算法  16-27
  2.1 压电陶瓷驱动机理分析  16-18
    2.1.1 正压电效应  16-17
    2.1.2 逆压电效应  17
    2.1.3 电致伸缩效应  17-18
  2.2 压电陶瓷驱动器的基本特性  18-20
    2.2.1 迟滞特性  18-19
    2.2.2 蠕变特性  19-20
    2.2.3 温度特性  20
    2.2.4 电容特性  20
  2.3 数字PID控制  20-24
    2.3.1 PID控制原理  20-22
    2.3.2 PID控制器参数整定  22-23
    2.3.3 模糊PID控制器  23-24
  2.4 遗传算法  24-26
    2.4.1 遗传算法的基本原理  24-25
    2.4.2 遗传算法操作流程  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章 压电陶瓷物镜驱动器控制系统设计方案及硬件实现  27-40
  3.1 系统结构总体设计方案  27-28
  3.2 控制系统组成  28-38
    3.2.1 压电陶瓷物镜驱动器  28-30
    3.2.2 驱动电源  30-33
    3.2.3 微位移传感器  33-34
    3.2.4 信号调理电路  34-35
    3.2.5 A/D转换电路  35-37
    3.2.6 微处理器  37-38
  3.3 系统控制流程  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章 压电陶瓷物镜驱动器控制方法  40-51
  4.1 常规PID控制  40-42
    4.1.1 PID控制器设计  40-41
    4.1.2 控制器参数整定  41
    4.1.3 实验结果与分析  41-42
  4.2 模糊PID控制研究  42-45
    4.2.1 模糊PID控制器设计  42
    4.2.2 隶属度函数与控制规律  42-44
    4.2.3 实验结果与分析  44-45
  4.3 基于遗传算法的模糊PID控制研究  45-50
    4.3.1 基于遗传算法的模糊PID控制思想  45-46
    4.3.2 参数离线优化  46-47
    4.3.3 实验结果与分析  47-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章 压电陶瓷物镜驱动器控制系统测试及分析  51-58
  5.1 控制系统各模块测试与分析  51-53
    5.1.1 数控电位器测试分析  51-52
    5.1.2 微位移传感器测试分析  52
    5.1.3 A/D转换模块测试分析  52-53
  5.2 控制系统整体性能测试与分析  53-57
    5.2.1 系统控制过程  53
    5.2.2 系统测试量  53-54
    5.2.3 系统测试结果及分析  54-57
  5.3 本章小结  57-58
第六章 总结与展望  58-60
  6.1 全文总结  58-59
  6.2 未来工作展望  59-60
参考文献  60-64
附录  64-79
致谢  79-80
攻读硕士学位期间发表论文情况  80

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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