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宏/微定位平台控制系统设计

Control Design of Macro-micro Stage

作者: 专业:系统分析与集成 导师:张利军 年度:2010 学位:硕士  院校: 哈尔滨工程大学

Keywords

macro-micro stage, high speed/high precision, system identification, piezoelectric transducer (PZT), dynamic recurrent fuzzy neural network (DRFNN)

        本文密切结合中国博士后基金项目——金凸点剪切断丝高速共面的非线性控制方法研究,以哈尔滨工业大学机器人研究所开发的高速度高精度宏/微定位平台为研究对象,利用系统辨识、现代控制理论和智能控制理论等工具,探讨和研究根据系统动力学结构及利用频率响应辨识建立宏/微定位平台数学模型的方法,设计具有纳米级定位精度及微秒级响应速度的宏/微定位平台控制系统。本文辨识过程采用增量迭代Levy法辨识宏微定位平台系统模型参数,该方法基于Levy频域辨识法但保持原来的指标函数,克服了传统Levy法受实验误差影响较大的缺点,具有良好的收敛性。相比于传统方法,辨识精度有了较大提高。控制策略选择宏定位平台及微定位平台混合控制的控制策略,其中,宏定位平台采用模型参考输出反馈控制,无需全状态可量测,在系统参数可知的情况下仅利用宏定位平台输出位移即可实现对参考模型输出的完全跟踪,基于该控制器设计的宏定位平台能够达到阶跃响应调节时间短、超调量小、稳态无静差的控制要求;微定位平台以宏定位平台的定位误差为参考输入,其作用是补偿宏动平台的定位误差,宏微定位平台耦合控制后跟踪误差远高于宏动平台定位的微米级而达到纳米级。本文采用动态补偿器与DRFNN相结合的逆控制方法来控制微动定位平台,动态补偿器优化微动平台模型线性部分闭环极点位置,DRFNN补偿压电陶瓷电机的迟滞非线性,以哈工大机器人研究所开发的宏微定位平台作为被控对象进行仿真研究,仿真结果表明该控制策略能够有效补偿压电陶瓷的迟滞非线性特性,控制后宏微定位平台阶跃响应上升时间达到十几毫秒,跟踪精度提高至纳米级。
    This paper combined with the China Postdoctoral Fund Project——Gold bump shear broken wire high-speed coplanar Nonlinear Control Method,uses the high-speed/high-precision macro/micro-positioning platform which is developed by Robotics Institute Harbin Institute of Technology as research object and the system identification, modern control theory, intelligent control theory to explore and study the structure and dynamics according to the system frequency response identification using the establishment of macro / micro-positioning platform method of mathematical model to design a nano-positioning accuracy and response speed of microseconds macro/ micro-positioning platform for control systems.In this paper we identify the dynamic model of Macro-micro stage by an improved Levy method, which is based on the Levy method but keeping the index function in its original form and an incremental iterative algorithm is used. The improved Levy method has rather good astringency and the accuracy of parameter estimation is much improved compared with the classical Levy method.In this paper we choose a hybrid control of macro-positioning platform and micro-positioning platform as the control strategy, which introduce the model reference output feedback control to macro positioning stage, and the system is not need to be all state observable, while we can achieve the goal of precise tracking by output information with the parameters of plant. Micro positioning stage uses the positioning error of macro positioning stage as reference input, opting inverse control approach of dynamic compensator and DRFNN combined. Compensator optimizes the closed-loop pole locations of linear part in the system, so that the system performance advanced. In order to improve system control precision, we choose DRFNN to offset the hysteresis nonlinearity of PZT. In this thesis, we do simulation research based on macro-micro dual-drive stage researched and developed by robot research institute of Harbin institute of technology. As the result indicated,the controller can improve the dynamic performance of macro-micro positioning stage with shorter settling time, less overshoot and less tracking error.
        

宏/微定位平台控制系统设计

摘要7-8
ABSTRACT8-9
第1章 绪论10-18
    1.1 课题背景及意义10-13
    1.2 高速高精度定位平台国内外研究现状13-16
        1.2.1 宏微定位平台应用背景及概述13-14
        1.2.2 机械结构设计及机电设备驱动方式研究现状14-15
        1.2.3 系统建模及控制策略研究现状15-16
    1.3 本论文研究内容16-18
第2章 定位平台的总体结构分析及机理模型建立18-28
    2.1 系统建模概述及宏/微定位平台总体结构18-19
    2.2 宏定位平台结构及模型19-22
        2.2.1 直线音圈电机工作原理及模型19-21
        2.2.2 宏定位平台工作原理及动力学模型21-22
    2.3 微定位平台结构及模型22-27
        2.3.1 压电陶瓷工作原理及模型22-25
        2.3.2 微定位平台工作原理及动力学模型25-27
    2.4 本章 小结27-28
第3 章 宏/微定位平台系统模型辨识28-38
    3.1 系统辨识的一般辨识方法28-29
    3.2 LEVY 方法辨识29-32
        3.2.1 传统LEVY 辨识法29-31
        3.2.2 增量迭代LEVY 辨识法31-32
    3.3 宏/微定位平台实验辨识32-37
        3.3.1 频率响应实验及结果32-34
        3.3.2 宏/微定位平台线性模型参数辨识34-37
    3.4 本章 小结37-38
第4章 宏/微定位平台控制设计38-46
    4.1 宏/微定位平台复合控制策略38
    4.2 宏定位平台控制设计38-40
    4.3 微定位平台控制设计40-45
        4.3.1 动态补偿器40-41
        4.3.2 模糊递归神经网络41-45
    4.4 本章 小结45-46
第5章 宏/微定位平台控制系统仿真及结果分析46-54
    5.1 仿真结果及分析46-53
    5.2 本章 小结53-54
结论54-55
参考文献55-60
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果60-61
致谢61
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