基于PZT微定位系统控制研究
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摘要
本文系统地分析和研究了以柔性铰链机构为导轨，压电陶瓷驱动的超精密微位移系统；采用有限元法设计了一个以柔性铰链机构为导轨的二维微动台；对压电陶瓷微位移器的Preisach模型和基于Preisach模型的控制方法进行较为深入的理论分析和实验研究，并研究比较了几种不同的控制方法。
全文内容如下：
第一章综述了进行精密微定位系统研究的目的和意义，分析了构成微定位系统的各个组成部分的发展和优缺点，并回顾了以柔性铰链机构为导轨，压电陶瓷驱动的超精密微位移系统国内外的发展概况和研究现状，确定了本论文的研究任
第二章首先对柔性铰链进行了理论分析，得出了柔性铰链的设计公式；系统的分析了平行四杆机构的运动特性，推导了采用平行四杆机构的微动工作台的静态刚度；介绍了有限元分析方法和ANSYS软件，用ANSYS软件优化设计了一个二维微动工作台，并对工作台进行了静态分析和模态分析。
第三章对压电陶瓷微位移器的驱动机理和特性进行了理论分析，实验测试了WSYD型和WTDS型压电陶瓷驱动器的特性。
第四章分析了压电陶瓷的极化机制及其迟滞非线性迟滞的机理，分析比较了压电陶瓷迟滞非线性几种模型；推导了压电陶瓷微位移器的Preisach模型，进行了实验建模，并对所建的Preisach模型进行实验验证。
第五章构建了一个用于研究控制方法的微定位实验系统，并对实验系统进行了测试。
第六章首先建立了微位移系统的控制模型，对基于Preisach模型的开环控制、PID反馈控制和Preisach模型前馈的PID控制进行仿真和实验研究。介绍了模糊控制和自适应逆控制在微位移系统控制中的应用。
第七章概括了本论文的主要工作，并展望今后需要进一步开展的工作。
In this dissertation, the micro-positioning system actuated by piezo-ceramic has been studied. A two degrees micro stage, which uses flexure hinge, has been designed by using Finite Element Analysis.The Preisach model of the piezo-ceramic has been founded. Some methods of control based on Preisach model in micro-positioning system have been studied. Several kinds of control are introduced.
In chapter 1 ,the aims of the thesis are presented. First, the significance and urgency of the research on micro-positioning system are expounded. Second, every component of the system are discussed and compared. Third, the present research situation on micro-stage at home and abroad is surveyed. Finally, the main content of the dissertation is addressed.
In chapter 2, a two degrees micro stage is designed. First, the flexure hinge is theoretically investigated. Second, the structure of stage is discussed. On basis of the former research, a micro stage is designed. Finally, Finite Element Analysis studies the characteristic of the stage.
In chapter 3, based on theoretical research of the actuation mechanism, the characteristic of the WSYD and WTDS actuators are tested.
In chapter 4, the polarization mechanism and the hysteresis nonlinearity of the piezo-ceramic are discussed. Some kinds of models of hysteresis in piezo-ceramic are introduced and compared. The Preisach model of hysteresis in piezo-ceramic is set up.
In chapter 5, an experiment system of the micro-positioning system is developed and tested.
In chapter 6, first, the model of the micro-positioning system is founded. Second, the open-loop control based on the Preisach model and the feedback PID control and the feedback PID control combined feed-forward based on the Preisach model are studied. Fuzzy control and adaptive inverse control using in the micro-positioning system are introduced.
In chapter 7, main achievements of the dissertation are summarized and the further research work is put forward.
全文内容如下：
第一章综述了进行精密微定位系统研究的目的和意义，分析了构成微定位系统的各个组成部分的发展和优缺点，并回顾了以柔性铰链机构为导轨，压电陶瓷驱动的超精密微位移系统国内外的发展概况和研究现状，确定了本论文的研究任
第二章首先对柔性铰链进行了理论分析，得出了柔性铰链的设计公式；系统的分析了平行四杆机构的运动特性，推导了采用平行四杆机构的微动工作台的静态刚度；介绍了有限元分析方法和ANSYS软件，用ANSYS软件优化设计了一个二维微动工作台，并对工作台进行了静态分析和模态分析。
第三章对压电陶瓷微位移器的驱动机理和特性进行了理论分析，实验测试了WSYD型和WTDS型压电陶瓷驱动器的特性。
第四章分析了压电陶瓷的极化机制及其迟滞非线性迟滞的机理，分析比较了压电陶瓷迟滞非线性几种模型；推导了压电陶瓷微位移器的Preisach模型，进行了实验建模，并对所建的Preisach模型进行实验验证。
第五章构建了一个用于研究控制方法的微定位实验系统，并对实验系统进行了测试。
第六章首先建立了微位移系统的控制模型，对基于Preisach模型的开环控制、PID反馈控制和Preisach模型前馈的PID控制进行仿真和实验研究。介绍了模糊控制和自适应逆控制在微位移系统控制中的应用。
第七章概括了本论文的主要工作，并展望今后需要进一步开展的工作。
In this dissertation, the micro-positioning system actuated by piezo-ceramic has been studied. A two degrees micro stage, which uses flexure hinge, has been designed by using Finite Element Analysis.The Preisach model of the piezo-ceramic has been founded. Some methods of control based on Preisach model in micro-positioning system have been studied. Several kinds of control are introduced.
In chapter 1 ,the aims of the thesis are presented. First, the significance and urgency of the research on micro-positioning system are expounded. Second, every component of the system are discussed and compared. Third, the present research situation on micro-stage at home and abroad is surveyed. Finally, the main content of the dissertation is addressed.
In chapter 2, a two degrees micro stage is designed. First, the flexure hinge is theoretically investigated. Second, the structure of stage is discussed. On basis of the former research, a micro stage is designed. Finally, Finite Element Analysis studies the characteristic of the stage.
In chapter 3, based on theoretical research of the actuation mechanism, the characteristic of the WSYD and WTDS actuators are tested.
In chapter 4, the polarization mechanism and the hysteresis nonlinearity of the piezo-ceramic are discussed. Some kinds of models of hysteresis in piezo-ceramic are introduced and compared. The Preisach model of hysteresis in piezo-ceramic is set up.
In chapter 5, an experiment system of the micro-positioning system is developed and tested.
In chapter 6, first, the model of the micro-positioning system is founded. Second, the open-loop control based on the Preisach model and the feedback PID control and the feedback PID control combined feed-forward based on the Preisach model are studied. Fuzzy control and adaptive inverse control using in the micro-positioning system are introduced.
In chapter 7, main achievements of the dissertation are summarized and the further research work is put forward.
引文
【1】 姚健，尤政．21世纪的科技前沿——纳米技术．中国机械工程，1995，6(3)：14-16．
【2】 李红民，张洪刚，付敬业等．超大型光学镜面面形的纳米定位技术．宇航计测技术，1999，19(3)：1-5．
【3】 邹锋，聂恒敬．基于弹性变形的微动工作台研究．现代制造工程，1999(3)：55-56．
【4】 徐峰，文贵林．纳米定位技术的进展．机电工程，2001，18(3)：1-3
【5】 王建林，胡小唐．纳米定位技术研究现状．机械设计与研究，2000，1：43-46．
【6】 张燕兵，杨光荣，冷德梅．纳米级计量技术的发展现状及应用．机械制造，1994，6：54-67．
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【9】 陈心中，徐润君．纳米技术的广阔应用前景．物理与工程，2001，11(6)：39-45．
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【59】 王清明，卢泽生．压电陶瓷微动机构在超精密车削中的应用．工具技术，1999，5(33)：24-26．
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【61】 朱建忠，王世民等．一种亚微米级两坐标微动伺服装置．航天工艺，1997，1：12-15．
【62】 傅星，胡小唐．模糊控制在压电陶瓷控制中的应用．压电与声光，1999，3(21)：200-202．
【63】 孙涛，谭久彬．压电陶瓷微工作台用于超精定位的技术研究．压电与声光．1999，6(21)：493-497．
【64】 芮小健，谭平．压电换能器在精密工程中的应用．压电与声光，1993，6(15)：45-48．
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【66】 杜坤美，李辉斌．运动控制芯片改进的单神经元位置伺服系统．2001，1(5)：44-51．
【67】 刘分良，田莳．压电陶瓷工作台动态非线性建模与实验分析．2001，1(23)：30-32．
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【7】 陈炜．纳米技术．自然辩证法研究，1995，11(12)：1-4．
【8】 嵇钧生．纳米技术的发展及趋势．航空精密制造技术，1995，31(6)：1-7．
【9】 陈心中，徐润君．纳米技术的广阔应用前景．物理与工程，2001，11(6)：39-45．
【10】 阎永志．纳米技术的研究现状与将来．压电与声光，1996，18(4)：279-285．
【11】 孙晓刚，王建华，曾效舒．纳米技术对其他学科及人类的影响．华东交通大学学报，2001，18(1)：32-34．
【12】 袁俊．纳米技术及其对科技产业革命的影响．中国工程科学，2001，3 (10)：82-85，92．
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【17】 赵玉珍，段宝岩．微机电一体化与纳米技术．电子科技，1995，3：1-5．
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【19】 蔡鹤皋，孙立宁，安辉．微米／纳米驱动及控制技术．仪器仪表学报．1996，
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【20】 韩良，贾方，王寄蓉．微位移机构及其在误差补偿中的应用．电子工业专用设备，1995，24(3)：28-31，43．
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