兩自由度精密定位平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動控制.pdf

1、本文研制了一款以壓電陶瓷驅(qū)動的兩自由度精密定位平臺，并通過靜力學(xué)分析、有限元分析、動力學(xué)建模、系統(tǒng)辨識以及時變遲滯建模等方法，較全面地研究了兩自由度精密定位平臺在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建模以及控制等方面的若干關(guān)鍵技術(shù)問題，取得了如下創(chuàng)新性成果：
　　建立了一類超靜定對稱柔性機(jī)構(gòu)的線性柔度與轉(zhuǎn)角柔度的解析模型，并根據(jù)有限元分析結(jié)果對該解析模型進(jìn)行修正，極大地提高了建模精度。該類超靜定對稱機(jī)構(gòu)理論上不存在交叉耦合，可作為移動副或轉(zhuǎn)動副應(yīng)用于精密定

2、位系統(tǒng)。
　　利用超靜定對稱柔性機(jī)構(gòu)在不同軸向上剛度差異較大的特性，設(shè)計(jì)了一款壓電陶瓷驅(qū)動的兩自由度精密定位平臺。該定位平臺最大行程范圍為8μm×8μm，一階共振頻率為692Hz，且在100Hz以下驅(qū)動時兩軸間交叉耦合量小于2.7％，可精確跟蹤各種二維平面軌跡。
　　在有限元分析中利用“接觸副”模擬接觸表面，通過調(diào)整參數(shù)研究了接觸剛度的變化對定位平臺靜/動力學(xué)特性的影響規(guī)律。把接觸剛度作為未知參數(shù)引入系統(tǒng)動力學(xué)模型，并據(jù)此提

3、出接觸剛度的辨識方法，通過測量定位平臺的一階固有頻率來計(jì)算接觸剛度的實(shí)際值。
　　提出了一種新的動力學(xué)建模思路：將壓電陶瓷的驅(qū)動力定義為系統(tǒng)的“虛擬輸入”，并將壓電陶瓷簡化為具有一定線性剛度的彈性體。該方法可以將壓電陶瓷的非線性特性與系統(tǒng)的線性動力學(xué)模型徹底分開，降低建模與辨識難度。將所有彈性鉸鏈機(jī)構(gòu)簡化為無質(zhì)量彈簧，利用狀態(tài)空間法得到平臺的動力學(xué)模型。
　　時變的Prandtl-Ishlinskii(PI)模型可精確地描述

4、壓電陶瓷驅(qū)動器的遲滯特性，但目前尚無可用于時變PI模型的通用求逆法則，而強(qiáng)行將現(xiàn)行的求逆法則應(yīng)用于時變PI模型會帶來較大的理論建模誤差。鑒于此，提出了一種全新的直接逆模型建模法，該方法直接通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到時變的逆PI模型，省去了不必要的求逆過程，大大提高了逆遲滯模型的建模速度與精度。
　　針對前饋控制，在已有遲滯補(bǔ)償與蠕變補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，增加了解耦控制器，可進(jìn)一步消除定位平臺兩軸向間的交叉耦合；前置濾波技術(shù)可消除參考軌跡上的高頻分量