随着先进制造加工技术、生物医学工程、微机电系统、光机电一体化等领域的快速发展,高精度的运动系统成为了其中的重要组成部分与关键技术,特别是以压电陶瓷为基础设计的压电驱动系统对微纳尺度领域下的研究与应用发挥着关键作用。然而,在实际应用的位置跟踪过程中,压电驱动系统中压电陶瓷驱动器的迟滞、蠕变现象以及机械结构带来的振动、摩擦等严重影响着系统的输出精度;此外,压电驱动系统与外界环境灵活、安全的接触交互也为柔性环境下接触力的精密跟踪控制带来了极大的挑战。因此,本文分别以柔性铰链压电运动系统与基于粘滑原理的压电驱动系统为对象,自纳米精度到微米精度,从前馈控制和反馈控制两个方面,研究并设计用以实现位置/接触力精密跟踪的控制策略,并应用于面向扫描探针显微镜成像的扫描运动轨迹跟踪与治疗渗出性中耳炎的鼓膜切开置管手术中。针对光栅扫描中的三角波信号跟踪问题,前馈迭代学习控制是一种有效的控制策略,但是传统迭代学习控制中的固定带宽Q滤波器限制了对三角波轨迹的高带宽跟踪。因此,本文提出了基于线性时变Q滤波器的迭代学习控制策略,从误差的离散小波变换出发,根据小波系数模极大值的分布特性规划Q滤波器的时变带宽轨迹,通过建立参考轨迹与有限时间响应基函数的投影关系,进而实现了对迭代间变化参考信号跟踪误差的收敛性,扩展了迭代学习控制的应用范围。该方法有效消除信号时频分布的交叉项并避免了信号切割与重组,并通过基于柔性铰链的压电驱动系统的实验验证了迭代间变化的20Hz三角波跟踪性能,同时实现了柔性和高带宽精密跟踪。对非光栅扫描运动轨迹的高速精密跟踪是提高扫描探针显微镜成像速度与质量的重要因素。本文面向基于柔性铰链的压电驱动系统设计了基于信号变换的重复控制策略,通过建立扫描轨迹与恒定幅值正/余弦波之间的信号映射关系,结合重复控制在信号的基频及其谐频处产生无穷大的增益从而实现零收敛误差的高精度跟踪,突破了传统重复控制对于周期信号或干扰的严格要求;此外考虑到控制系统的时变特性,提出了基于lifted系统框架的稳定性与误差收敛性分析方法。实验结果表明,所提控制策略结构简单、参数少,有效消除了迟滞、耦合带来的影响,在高速螺旋线跟踪下的均方根和最大误差分别在最大峰峰值的0.065%和0.18%以内,实现了对非光栅螺旋线扫描高速高精度的运动跟踪。此外,在医疗手术中压电驱动系统与人体软体组织的精密接触力控制是提高成功率的重要方面。针对鼓膜切开置管手术中与耳膜的接触过程,提出了自适应积分终端滑模力跟踪控制器以完成在柔性接触下的精密力轨迹跟踪。通过直接建立基于力误差的积分终端滑模面实现误差的有限时间收敛,并利用此滑模面设计了鲁棒滑模控制器;随后设计了自适应控制律以在线估计系统参数与切换增益从而补偿模型参数的不确定性,并提高对摩擦、迟滞非线性等扰动的鲁棒性、减少控制输入的抖振,随后利用李雅普诺夫稳定性理论证明了所提控制方法的稳定性。基于粘滑原理的压电驱动系统与模拟耳膜的接触实验表明在无需环境建模下实现了对S曲线和不同频率正弦波力轨迹的精密跟踪。对于鼓膜切开置管手术过程中鼓膜切开术和插入索环对位置运动精度的要求,提出了一种鲁棒自适应积分反演控制器,利用积分终端滑模函数实现对误差的有限时间收敛特性,并构建了辅助二阶微分方程实现类高阶滑模控制的性能,通过积分反演控制和自适应控制实现了系统对干扰的鲁棒性,并基于李雅普诺夫稳定性定理推导并证明了其稳定性。在基于粘滑原理的压电驱动系统上的实验表明对于最大跟踪频率为10Hz的正弦波参考信号,其均方根和最大误差在幅值的0.65%和1.35%以内,并对三角波也实现了高带宽的跟踪;此外通过模拟耳膜上的手术操作测试也验证了该控制方法在入耳手术设备上的实用性与有效性。该控制策略结构简单无需额外的观测器,并且对迟滞、摩擦、未知扰动以及参数不确定性具有较高的鲁棒性。最后,为实现在柔性接触环境下对力和位置的同时控制以及对摩擦、迟滞、模型不确定性等未知扰动的鲁棒性,提出了鲁棒自适应阻抗控制。利用Hunt-Crossley非线性模型分析了理想阻抗参数对稳态性能的影响,通过定义基于阻抗误差的辅助变量,设计积分终端滑模函数以实现有限时间收敛并提高稳态跟踪性能,融合自适应控制律以估计干扰上界进一步提高鲁棒性,并基于李雅普诺夫稳定性理论证明了其稳定性,并最终达到理想阻抗。压电驱动系统上的实验结果验证了基于Hunt-Crossley模型的阻抗稳态性能分析结论的正确性,并且对动态力接触的对比实验表明了所提方法对接触力的精密跟踪能力。此外,通过模拟耳膜上的鼓膜切开置管手术也验证该控制策略实现的力-位置的跟踪精度满足完成该手术过程的要求。本文系统性地研究了压电驱动系统在迟滞、摩擦等扰动下的位置/接触力跟踪控制策略,根据扫描运动跟踪与鼓膜切开置管手术的应用需求设计了合适的前馈和反馈控制器,对在微/纳尺度下的精密运动系统的研发与实际应用具有重要价值与意义。