压电微动台数据驱动迭代前馈补偿与自适应抑振

为消除压电驱动柔性微定位平台高精控制对平台不确定动力学模型的依赖性,提出了一种数据驱动无模型迭代前馈补偿和自适应陷波滤波结合的控制方法来提高平台的跟踪性能。首先,建立了数据驱动无模型迭代前馈控制器,提高系统对噪声和其他干扰的鲁棒性,同时,证明了在无模型迭代前馈作用下,连续参考输入跟踪误差的有界性和闭环系统的稳定性;其次,构建了自适应陷波滤波器来消除平台谐振的影响,对误差信号进行快速傅里叶变换,并设计谐振频率在线提取算法,实现对陷波滤波器参数的在线实时整定,来进一步提升轨迹跟踪精度;最后,利用所设计的无模型迭代前馈控制器和自适应陷波滤波器对压电微动台进行轨迹跟踪实验。实验结果表明:在跟踪三角波信号时,与单独比例-积分(Proportional Integral,PI)控制和结合自适应陷波滤波器的PI控制相比较,最大跟踪误差分别减小78.25%和70.83%,能够有效提升平台的稳定性和跟踪精度。

基于激光干涉与电容传感复合校准技术的纳米微动台分辨力评价方法研究

激光干涉仪测量纳米级分辨力时,因环境等因素的干扰测量具有局限性,电容传感器可较好地对抗这种干扰,但存在无溯源性、非线性误差的缺点。为实现纳米级分辨力的量值溯源,保障量值准确性,采用激光干涉仪对电容传感器进行校准,从而形成纳米微动台-电容传感器-激光干涉仪的完成溯源链。通过量值溯源实验可知,在10 nm步进下电容传感器与激光干涉仪测量量值最大偏差为0.8 nm;电容传感器分辨力校准实验中,纳米位移台分辨力为2 nm。上述结果说明此校准方法具有一定的可行性和实用性。

压电超声微马达精密驱动的二维微动台

发展了一种采用压电超声微马达精密驱动控制的二维微动台及其控制电路。利用压电超声马达的低速、大扭矩、高分辨率特性，直接驱动微动台的微调旋钮，可获得很高的位移分辨率和大的驱动力。利用一个单片机控制系统，通过对超声马达驱动信号的斩波控制实现了微动台步进位移的连续调整。已研制的二维微动台，采用一对直径为１５ ｍ ｍ ，长２５ ｍ ｍ 的压电超声微马达作为驱动控制元件，已获得１２ ｎｍ 的位移分辨率和１０ Ｎ的驱动力。

微动台阵布设精密定位系统设计

微动勘探方法对微动台阵中各测点位置的精度要求较高。利用GPS定位技术设计了微动台阵的精密定位系统,介绍了系统的设计原理及软硬件组成。实验结果表明,该系统的定位精度可以达到厘米级,并能较方便地进行微动台阵的布设作业。

模糊PID控制在纳米微动台系统中的应用

针对在纳米级运动控制中,传统PID算法的参数配置在抑制系统运动超调、提高系统定位精度,以及保障系统稳定性等方面存在矛盾的问题,提出了将模糊自适应PID控制器应用于该系统的方案。并基于大量工程整定实验,给出了针对纳米量级控制特点的模糊集设置和模糊整定规则,选取了合理的PID参数论域取值。实验结果表明,所设计的模糊控制器通过动态调整PID参数的增量,有效改善了微动台系统的动态性能,降低了动态响应的超调,且保证了在一定扰动下系统小于±10 nm的定位精度和鲁棒稳定性。验证了模糊自适应PID控制方法应用于纳米量级运动控制领域的有效性,以及基于实验的模糊规则设计、论域选取方法的可行性。

微动台阵法探测地下结构的实验研究

应用微动台阵法在江汉平原和长江大堤开展应用实验。结果表明,空间自相关法比频率-波数法结果更为稳定;通过变换台阵的尺寸可以探测浅至数米深至数百米的地下结构信息;利用台阵在空间上的平移观测可获取地下二维及三维的结构信息。

超精密微动台控制器带宽优化研究

为提高超精密微动台的控制带宽,改善控制性能,针对微动台模型包含机械谐振以及时滞的特性研究一种优化回路成形(Optimized loop shaping,OLS)控制器设计方法。通过回路成形方法分析得出PID控制器相位超前量不足是造成带宽受限的主要因素,并给出一种能实现高带宽的高阶控制器。利用回路成形(Loop shaping,LS)设计方法将控制器参数设计描述为优化问题,并利用遗传算法对其进行求解。将OLS控制器与试验整定的PID控制器进行试验对比,结果显示采用OLS控制器的系统的上升时间、调整时间、定位精度都有较大幅度地改善,最大超调量有所增加但仍在工程允许的范围内,表明所提出方法能够减小控制器设计对经验的依赖并有效提高地超精密微动台的控制性能。

超精密微动台离散回路成形控制器优化

为降低对存在模型摄动的超精密微动台的控制器的保守性,并规避常用的'连续设计—离散化'方法引入的离散化逼近误差的影响,以最优化微动台的控制性能,研究一种系统化的回路成形离散控制器优化方法。利用w变换建立的z平面与w平面之间的映射关系,将z平面的离散控制器设计转化为w平面内的连续控制器设计问题,并利用连续回路成形方法进行控制器设计。在回路成形设计准则的基础上,引入结构奇异值(μ)分析作为无保守性的鲁棒性约束,以控制带宽及干扰抑制能力为目标,建立完整的离散控制器优化框架。通过遗传算法该控制器优化问题进行参数寻优,获得对微动台最优的离散控制器。分析显示该方法有效地规避了离散化逼近误差的影响,并且在实际试验中优化的控制器有效地提高了微动台的控制性能,验证了所提出方法的有效性。

平面宏微驱动系统微动台的刚度计算

针对宏微进给系统,利用弹性铰的微变形原理设计了宏微系统中的微动台。采用最小位能原理推导出一般弹性铰的二维刚度矩阵;并将此刚度矩阵应用于设计有弹性铰的微进给平台中,给出了所设计的微动台简化的计算模型。将简化模型计算结果与有限元计算结果和实验结果比较,结果证明了该方法的有效性和实用性。

六自由度微动台热特性分析与散热设计

温升是引起微动台精度和环境变化的重要因素,从热特性分析着手进行微动台优化设计是提高微动台性能的一条重要途径。论文提出了一种新型纳米精度六自由度微动台结构,给出了微动台的发热热源、定子线圈等效导热系数和自然对流及强制水冷条件下表面散热系数,建立了微动台三维温度场的数学模型。根据热传导理论,完成了微动台定子线圈稳态温度场的理论计算,并采用数值方法计算了微动台在自然对流和强制水冷条件下的三维温度场分布。根据计算和分析结果,完成了微动台冷却系统的设计。结果表明,采用强制水冷后,微动台动子温升不超过1℃,满足微动台工程设计要求。

平面3-DOF电磁微动台设计及其解耦控制

针对精密运动应用领域,设计和制作了一种新型的平面三自由度电磁微动台,对此建立了动力学和控制模型。通过电磁力的分配实现控制系统的解耦,对解耦后的单入单出系统设计了双环PD控制器,并进行位置伺服控制实验,验证了解耦策略和控制算法的有效性。

基于Bouc-Wen类迟滞模型的压电微动台建模

针对压电微动台驱动时,由压电陶瓷产生的迟滞现象,提出了一种迟滞模型。基于Bouc-Wen迟滞模型的基本思想,并针对Bouc-Wen迟滞模型进行了优化改进,大大降低了模型参数的辨识难度,缩短了运算时间,保证了模型的较高精度要求。为了验证模型的正确性,运用相关的实验设备对模型进行了实验验证。结果表明:改进后的模型定位误差为0.1866μm,最大相对误差为0.467%,验证了模型具有较高的精度以及该迟滞模型的可行性,为后续压电微动台控制器的设计提供了一种可行方案。

微动台阵探测技术及其应用研究

介绍了利用微动台阵技术探测地壳浅层横波速度结构的仪器设备、观测系统、野外采集和数据处理方法 ,给出了用空间自相关方法测定相速度和浅层速度结构反演的实例。由于该方法不需要专门的震源 ,对于探测从地表到 3km深度范围的地层结构具有经济、快捷、应用范围广泛等优点 ,因此将成为一种新的具有很好应用前景的地球物理勘探方法。

纳米分辨率微动台机械结构动态特性的研究

本文用状态空间法对柔性铰链一体式ｘ—ｙ微动台的动力学系统进行了描述，建立起该系统的振动参数模型，从理论和实验两方面对系统的非参数模型进行了分析和结算，并对理想特征系统的实现问题进行了初步探讨。

新型三维微动台的设计与试验分析

研究设计一种新型的、以压电陶瓷为驱动器的三维微动台结构。该微动台以柔性铰链为弹性导轨实现了微定位。 分析所采用的直圆柔性铰链的参数变化对其造成的性能影响;提出一种新型柔性铰链结构,利用有限元分析软件AN SYS对这种新型结构进行理论分析和试验测试。试验表明:采用这种柔性铰链结构的微动台刚度比较小、运动耦合误差 小,定位精度优于±0.01μm。

光刻机微动台的运动解耦及位置控制研究

在分析了光刻机掩膜台微动台(简称微动台)结构的基础上,对微动台的六自由度运动进行了几何解耦,将其分解为两个三自由度上的解耦,并从实际系统的角度出发完成了解耦计算。最后针对微动音圈电机位置控制,提出了基于线性扩张状态观测器的增量式PID控制,并取得了良好的控制效果。

平行弹性铰支微动台的设计

介绍了平行弹性铰支二维、三维微动台的形成原理、设计方法，讨论了影响它们精度的因素，以及静态特性。

扫描隧道显微镜微动台的有限元分析与实验研究

设计了一种以基于尺蠖运动原理的微动台为核心的扫描隧道显微镜(STM)机械机构,利用有限元方法对微动台部分的结构进行分析,对其静态、模态特性进行了实验研究。结果表明:微动台具有较大的行程和较好的稳定性,载物力可以达到16.7 N,最小步距约8.8 nm,行程14mm。

一维压电陶瓷微动台的系统设计

本文介绍了基于压电陶瓷驱动器的一维压电陶瓷微动台,选取了一款合适的压电陶瓷驱动器,并按其特性及微动平台设计要求设计了驱动电源。其中驱动电源包括显示部分、键盘部分、数字部分和模拟部分,实现了手动控制和单片机控制输出电压。对于模拟部分中采用的AD574进行详细的研究,并且给出AD574与一维压电陶瓷微动台的控制单片机的接口的程序。

大行程纳米级步进压电微动台的特性研究

运用有限元分析方法,建立纳米级步进压电微动台的实体模型并进行了仿真计算,考察了结构参数对步进型压电微动台性能的影响,得到了压电微动台的固有频率和振型。采用正交实验法设计结构参数,分析了不同因素对压电微动台的固有频率和振动幅值的影响,得到了影响二者之比的4个因素的最优设计参数。根据逐步回归分析的方法建立了结构设计参数的数学模型,从而定量地分析各自变量与一阶固有频率之间的关系。