二维并联压电微动平台的控制方法研究

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为了消除压电微动平台的迟滞非线性,并提高其响应速度,本文在建立其迟滞模型与动力学模型的基础上,设计了相应的控制系统,并进行了相应的实验研究,具体的研究工作如下:1)基于压电微动平台初载曲线前半升程斜率变化较大而后半升程斜率变化较小这一事实,采用非等分阈值方法建立了其迟滞模型,通过求取所建模型与实测初载曲线误差的最小二范数L22辨识出了模型的相应参数,实验验证了所建模型的有效性,实验结果表明,在22.75μm的平台最大位移范围内,模型的最大误差为0.71μm,平均误差为0.23μm。所建迟滞模型可在保证精度的情况下,提高运算速度;2)在对压电陶瓷执行器进行机电特性分析以及对微动平台进行动力学分析的基础上,分别建立了它们的数学模型,进而建立了其压电微动平台的动力学模型,结果表明它为电学上的一阶惯性环节与机械上的二阶振荡环节的串联;通过频率响应法辨识出压电微动平台的固有频率ωn与阻尼比ξ,分别为ωn=1.35kHz、ξ=0.11,进而获得了压电微动平台的动力学模型;3)通过基于改进PI模型的压电微动平台迟滞模型,设计了其前馈控制系统,并通过实验验证了其有效性。实验结果表明:前馈控制能够加快压电微动平台的响应速度,前馈控制作用下压电微动平台达到4μm的期望输出位移所用的时间为0.01s;前馈控制还可明显减小压电微动平台的迟滞误差,在22.0μm的目标位移下,压电微动平台的迟滞误差由无前馈控制时的4.0μm左右减小到1.4μm左右。4)在对常规PID控制的积分项与微分项进行改进的基础上,设计出梯形积分与微分分离的压电微动平台PID反馈控制系统,并进行了相应的实验验证。实验结果表明:压电微动平台达到8μm的期望输出位移所用的时间为0.08s,位移输出虽有一定的位移超调,但是很小,且没有稳态误差。可见,PID反馈控制的响应时间虽然比前馈控制有所降低,但其完全消除了前馈控制所没有消除的压电微动平台的稳态误差;5)将基于改进PI模型的前馈控制同梯形积分与微分分离PID反馈控制相结合,设计了压电微动平台的复合控制系统,并实验验证了所设计复合控制系统的有效性。实验结果表明:同前馈控制与PID反馈控制相比,复合控制能够可使压电微动平台获得更加良好静动态性能,即响应速度快,稳态精度高。
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