壓電陶瓷驅動微位移平臺的磁滯補償控制理論和方法研究

論文名稱：壓電陶瓷驅動微位移平臺的磁滯補償控制理論和方法研究

論文作者：上海交通大學/ 谷國迎

指導教師：朱利民《研究領域：復雜曲面數字化制造，高速、高精輪廓跟蹤控制，納米精度驅動控制，制造裝備/過程智能監控。》

本學位論文以壓電陶瓷驅動微位移平臺為對象，從壓電陶瓷驅動器的特性分析入手，提出了描述復雜磁滯非線性的磁滯建模方法，建立了完整反映平臺電路特性、磁滯效應、壓電效應和機械振動等多物理因素耦合特性的綜機電合動力學模型，深入開展磁滯補償控制原理和方法的研究，搭建壓電陶瓷驅動微位移平臺的實驗系統，通過實驗方法驗證模型和控制算法的有效性，旨在將控制器的設計與磁滯模型的特性相結合，消除壓電陶瓷驅動器的磁滯非線性對驅動精度的影響，實現壓電陶瓷驅動微位移平臺的納米精度運動生成，擴展壓電陶瓷驅動器在精密制造裝備中的應用。

取得如下創新性成果：提出了描述非對稱磁滯非線性的增強型Prandtl-Ishlisnkii模型和基于此模型的直接逆磁滯補償控制方法，可以方便、有效地用于非對稱磁滯非線性的開環補償控制，將磁滯誤差減小了一個數量級；從電路特性、磁滯效應、壓電效應和機械振動等物理因素耦合建模入手，提出了完整描述壓電驅動微位移平臺系統的綜合機電動力學模型，所提的系統模型具有一般性，能推導出現有文獻中的各種模型；基于此模型，結合滑模控制和自適應控制，設計了基于磁滯分解而無需磁滯逆模型的魯棒自適應控制算法，利用Lyapunov函數法證明了閉環控制系統的全局穩定性和誤差收斂性，應用到研制的壓電驅動柔順機構平臺，實現了快速納米精度運動生成；設計了含估計逆磁滯補償的魯棒自適應控制器，從理論上給出了一類含非對稱Backlash驅動的n階非線性系統的魯棒逆控制算法設計的新思路，解決了常規逆磁滯補償控制中閉環系統的穩定性分析的難題。