压电陶瓷驱动微位移平台的磁滞补偿控制理论和方法研究

论文名称：压电陶瓷驱动微位移平台的磁滞补偿控制理论和方法研究

论文作者：上海交通大学/ 谷国迎

指导教师：朱利民《研究领域：复杂曲面数字化制造，高速、高精轮廓跟踪控制，纳米精度驱动控制，制造装备/过程智能监控。》

本学位论文以压电陶瓷驱动微位移平台为对象，从压电陶瓷驱动器的特性分析入手，提出了描述复杂磁滞非线性的磁滞建模方法，建立了完整反映平台电路特性、磁滞效应、压电效应和机械振动等多物理因素耦合特性的综机电合动力学模型，深入开展磁滞补偿控制原理和方法的研究，搭建压电陶瓷驱动微位移平台的实验系统，通过实验方法验证模型和控制算法的有效性，旨在将控制器的设计与磁滞模型的特性相结合，消除压电陶瓷驱动器的磁滞非线性对驱动精度的影响，实现压电陶瓷驱动微位移平台的纳米精度运动生成，扩展压电陶瓷驱动器在精密制造装备中的应用。

取得如下创新性成果：提出了描述非对称磁滞非线性的增强型Prandtl-Ishlisnkii模型和基于此模型的直接逆磁滞补偿控制方法，可以方便、有效地用于非对称磁滞非线性的开环补偿控制，将磁滞误差减小了一个数量级；从电路特性、磁滞效应、压电效应和机械振动等物理因素耦合建模入手，提出了完整描述压电驱动微位移平台系统的综合机电动力学模型，所提的系统模型具有一般性，能推导出现有文献中的各种模型；基于此模型，结合滑模控制和自适应控制，设计了基于磁滞分解而无需磁滞逆模型的鲁棒自适应控制算法，利用Lyapunov函数法证明了闭环控制系统的全局稳定性和误差收敛性，应用到研制的压电驱动柔顺机构平台，实现了快速纳米精度运动生成；设计了含估计逆磁滞补偿的鲁棒自适应控制器，从理论上给出了一类含非对称Backlash驱动的n阶非线性系统的鲁棒逆控制算法设计的新思路，解决了常规逆磁滞补偿控制中闭环系统的稳定性分析的难题。