二维超精工件台及其控制系统的研究

论文摘要

精密定位是现代高新科学领域最为关键和共性的基础技术之一,在尖端工业生产和科学研究中占有极其重要的地位,具有广阔的应用前景。为此,本文在设计基于柔性铰链的二维超精微动工件台本体结构,并分析其运动和动力学性能的基础上,采用分布式体系结构和模块化设计思想,以高性能DSP+FPGA为中心测控单元,PA85为功率放大模块,结合控制技术最新研究成果,研发了一套数字式的二维精密工件台驱动控制系统,并实现了系统的集成。研究的主要工作在于:第一章,综合论述开展精密定位技术研究的重要意义,全面分析基于压电陶瓷驱动和柔性铰链机构传动的精密工件台关键技术的研究现状和发展趋势,阐明了研究二维超精工件台的重要性,提出了本论文的研究内容及各章节的安排。第二章,设计了一种二维微动精密工件台的机械本体,简单介绍了该精密工件台的基本结构和工作原理,并对其进行了运动学和动力学性能分析,有限元分析验证了设计的可行性。第三章,分析了压电陶瓷驱动器的迟滞非线性机理,比较了各种迟滞模型的优缺点,选用Preisach模型对压电陶瓷驱动器的迟滞特性进行建模,并分别采用神经网络和支持向量机求解函数拟合和逼近问题,实现对压电陶瓷驱动器迟滞非线性的表征,通过实验与理论分析结果的比较证实了基于支持向量机的Preisach模型的有效性和优越性。第四章,以二维微动精密工件台为应用对象,采用DSP+FPGA作为中心测控单元,PA85为功率放大模块,研发了一套数字式二维精密工件台驱动控制系统,详细分析了各功能模块的具体实现过程,总结了一些在设计和调试中的经验,并最终完成了一套精密定位综合实验平台的集成。第五章,在建立精密工件台整个闭环系统传递函数的基础上,详细分析了基于前馈模型的开环定位控制方法、普通PID半闭环控制方法、基于遗传算法整定的PID半闭环定位控制方法和基于离散论域的模糊PID半闭环控制方法,并应用本文所开发的实验平台进行精密定位实验和平面内曲线轨迹跟踪实验研究,对实验结果进行比较分析,验证了本文设计的控制系统的优越性,并从中确定出较优的控制算法。第六章,对全文的工作进行了全面总结,并展望了下一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 精密定位技术研究的重要意义
• 1.2 精密工件台关键技术研究现状和发展趋势
• 1.2.1 柔性铰链微位移平台研究现状及其发展趋势
• 1.2.2 压电陶瓷驱动器迟滞非线性建模技术研究现状及趋势
• 1.2.3 精密工件台控制技术研究现状及发展趋势
• 1.3 本论文的研究内容及安排
• 第二章 二维微动精密工件台的设计与分析
• 2.1 引言
• 2.2 二维微动精密工件台的设计
• 2.3 运动学分析
• 2.3.1 逆向运动学建模
• 2.3.2 前向运动学建模
• 2.3.3 速度分析
• 2.4 动力学分析
• 2.5 有限元分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 压电陶瓷驱动器迟滞非线性建模技术的研究
• 3.1 引言
• 3.2 Preisach模型的建立
• 3.3 Preisach模型的实现
• 3.3.1 BP神经网络建模
• 3.3.2 RBF神经网络建模
• 3.3.3 支持向量回归机数学模型
• 3.4 仿真及实验研究
• 3.4.1 基于BP神经网络的Preisach模型
• 3.4.2 基于RBF神经网络的Preisach模型
• 3.4.3 基于支持向量机的Preisach模型
• 3.4.4 仿真与实验结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 精密定位综合实验平台的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验平台的整体方案设计
• 4.3 基于DSP和FPGA的运动测控系统
• 4.3.1 基于DsP和FPGA的运动测控系统的研制
• 4.3.2 基于PA85的功率放大器的研制
• 4.4 压电陶瓷驱动器及电压调理模块的选用
• 4.4.1 压电陶瓷驱动器
• 4.4.2 电压调理模块
• 4.5 测量系统的选取
• 4.6 系统的集成
• 4.7 系统的软件设计
• 4.8 本章小结
• 第五章 二维微动精密定位控制方法及实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 精密定位系统的数学模型
• 5.2.1 运算放大电路数学模型
• 5.2.2 压电陶瓷驱动器数学模型
• 5.2.3 微动精密工件台数学模型
• 5.3 二维微动精密工件台的开环定位控制研究
• 5.4 二维微动精密工件台的闭环定位控制研究
• 5.4.1 PID控制器
• 5.4.2 基于遗传算法整定的PID控制器
• 5.4.3 基于离散论域的模糊PID控制器
• 5.5 实验研究
• 5.5.1 阶跃响应实验
• 5.5.2 精密定位实验
• 5.5.3 平面曲线轨迹跟踪实验
• 5.5.4 误差分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间完成的科研论文
• 致谢