压电陶瓷驱动的运动平台建模与控制研究

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柔性电子制造是智能制造科学研究的前沿领域。精密定位和运动控制技术作为柔性电子制造中的关键技术之一,在工业生产和科学研究中占有重要地位。作为精密运动的执行载体,压电陶瓷驱动的运动平台具有纳米级分辨率、较大的输出力、高频响、高能量密度、无回程间隙以及无机械摩擦等优点,被广泛应用于精密制造/装备中。然而,作为一种极性材料,压电陶瓷本身固有的迟滞、温度、蠕变和动态频率等非线性行为特性,直接影响到精密定位系统的跟踪和定位性能,给精密定位和操作带来了困难和挑战。本论文将结合柔性电子跨尺度喷印制造的工艺需求,以压电陶瓷驱动的运动平台为研究对象,在介观尺度下,对压电陶瓷驱动的运动平台的建模和控制技术进行系统研究。具体研究内容如下:首先,立足于实验,对压电陶瓷固有的非线性特性进行研究;运用压电陶瓷晶体的电畴反转原理分析了迟滞特性产生的原因;基于热力学唯象理论推导了压电陶瓷晶体电畴转向过程中的能量关系,结合实验分析了迟滞产生过程中的自由能关系。其次,建立了运动平台的迟滞非线性模型,给出了模型存在的参数约束条件;应用改进粒子群算法解决了迟滞模型的参数辨识问题;改进和优化后的迟滞模型可以解决运动平台迟滞曲线中心不对称的问题,可大幅提高模型精度。最后,详细研究了运动平台迟滞行为的逆补偿控制方法和振动抑制策略,使系统输出更加平滑且近似线性化,为设计高级控制系统创造了条件;设计了二阶超螺旋滑模控制系统并证明了控制系统的稳定性和收敛性;结合开环前馈补偿控制系统构建了闭环混合控制系统,并通过多组不同类型期望轨迹下的系统位置跟踪/定位实验,验证了该混合控制系统的可行性。以上研究成果应用于柔性电子制造的电流体喷印平台中,达到了预期效果。
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