微动平台扫描运动的振动抑制和轮廓跟踪控制研究

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纳米级定位精度的压电微动平台是扫描探针显微镜(SPM)关键组成部分之一,高速高精是对微动平台扫描运动的基本要求。然而,由于微动平台通常采用柔性铰链机构传动,其固有的轻阻尼特性可能引发系统的振动,故扫描运动的带宽通常被限制在系统一阶固有频率的1/100~1/10,严重制约了运动的速度。另一方面,平面扫描过程中的轮廓误差是运动精密性的重要指标。对于多轴精密运动,传统的控制策略是独立的单轴控制,但是当相关运动轴之间运动的同步性较差时会导致轮廓跟踪精度的降低,故单轴的跟踪性能并不能保证轮廓跟踪性能,轮廓误差的存在降低了微动平台运动的精度。因此,本文针对压电微动平台的几种典型平面扫描运动,研究振动抑制和轮廓跟踪的控制理论和方法,设计融合前馈轮廓跟踪和反馈振动抑制的控制策略,以同时提高扫描运动的速度和精度。首先,对比分析几种基于Negative-Imaginary理论的阻尼控制器,针对一些控制器参数难以整定的问题,提出基于混合模型辨识和数据驱动的参数整定设计方法,并通过实验对比传统完全基于模型设计的控制器性能。在此基础上,采用阶跃响应辨识的不同负载下的系统传递函数模型,针对变负载的应用需求,提出鲁棒型阻尼控制器RRC设计方法,通过解析求解和根轨迹法确定控制器的参数,基于小增益理论确定控制器增益,最后通过实验与传统IRC进行性能对比,结果显示本文所提出的RRC控制带宽相比传统IRC带宽提升27%,且能更好地应对0~1000g负载变化下引起的系统不确定性。其次,基于位置域设计理念,结合迭代学习控制,提出一种同步迭代学习控制算法保证多轴运动的同步性,提高轮廓跟踪精度。基于Lifting Matrix的时域方法计算算法的一致收敛性条件,确定控制器的参数,并通过数值仿真和实验对比分析所提算法与传统ILC的性能,结果表明本文所提出的同步迭代学习算法相比传统时域内设计的ILC对于二维轮廓跟踪精度更高,针对扇形、抛物线和螺旋三种信号的跟踪精度分别提升了 49%、61%和65%。最后,基于辨识的二维耦合传递函数模型,设计静态解耦矩阵减小耦合部分的轻阻尼特性对主轴运动的影响。在此基础上,融合设计二维前馈轮廓跟踪控制和反馈振动抑制控制器,通过数值仿真调整由一致收敛性条件所确定控制器参数,再经过几组实验验证对20 Hz、40 Hz、60 Hz频率的光栅、螺旋、摆线和利萨如四种典型扫描信号跟踪的性能。实验结果表明,采用融合前馈轮廓跟踪和反馈振动抑制的控制策略相比单独的振动抑制控制扫描轮廓跟踪性能显著改善,对于四种典型扫描信号跟踪误差有效值减小均达75%以上。本文系统地探索了压电微动平台阻尼控制器的参数整定新方法和快速精密轮廓控制的新算法,并基于新算法对压电台一维、二维扫描运动进行了深入的实验研究和分析。研究成果的意义在于:1)对于由智能材料驱动的微动台的高速高精度运动控制器研发具有广泛的应用前景;2)可推广应用于微纳制造,以及信息、材料、生物、医疗等领域的多轴协同高速精密定位、操纵与对准系统的控制,具有重要的参考价值。
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