高精度压电纳米定位系统的鲁棒控制

作     者：冯焕 

作者单位：贵州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庞爱平

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：压电驱动纳米定位平台 弱阻尼特性 鲁棒性 H_∞控制 结构化H_∞控制 高速高精度运动定位 

摘      要：压电驱动纳米定位平台作为精密定位系统的核心组成部分,因具有响应速度快、定位精度高以及驱动力大、稳定性好、无噪声、无发热等优点,能够实现纳米级精度的定位,已被广泛应用在半导体加工、超精密成像、生物医学、纳米检测及数据存储等诸多尖端技术领域。然而,平台固有的弱阻尼振动特性、磁滞非线性和蠕变特性以及广泛存在的模型不确定性和外部干扰等,都影响着平台的高速高精度定位和平台稳定性。因此针对压电驱动纳米定位平台控制技术的研究,成为实现纳米级定位精度的关键手段,也是目前亟须解决的技术难题。本学位论文以压电驱动纳米定位平台为研究对象,聚焦于研究能实现平台高速高精度运动定位的鲁棒控制方法,旨在提高平台的响应速度、定位精度、稳定性及鲁棒性等方面的性能。具体的研究内容如下:首先,以压电驱动纳米定位平台为控制对象,从电路、机械、压电效应及磁滞效应等多耦合特性出发,建立了压电驱动纳米定位平台的综合动力学模型,分析了系统的频率特性并给出了控制目标。其次,将基于负虚数理论的正位置反馈控制和积分阻尼控制应用于压电驱动纳米定位平台中,给出了两种控制方法的参数整定过程,分析了这两种控制方法的优点及局限性。然后,针对正位置反馈控制方法在性能上的局限性以及积分阻尼控制在参数整定过程中未考虑的鲁棒性问题,采用了具有综合性的H控制设计方法。通过对系统特性分析选取了合适的加权函数,求解得到了满足多重性能要求的H控制器。最后通过实验仿真验证了所提控制器的在性能方面的综合优越性。最后,考虑H控制器阶次高、多重性能耦合互相牵制,实施难度大等问题,提出了多参数解耦、多控制协同的结构化H控制策略。基于积分阻尼控制架构同时保留H控制设计综合性的优点,预先设计控制器结构,以低复杂度的结构化H控制器满足系统的多重性能要求。最后通过实验仿真对比,验证了所提出的结构化H控制器在性能及结构上的综合优越性,实现了高速高精度运动定位。