《納米操作驅動器遲滯特性分數階建模與控制研究》是依託瀋陽航空航天大學，由劉艷梅擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：納米操作驅動器遲滯特性分數階建模與控制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉艷梅
- 依託單位：瀋陽航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
對原子力顯微鏡(AFM)機器人化納米尺度作業系統，微驅動器的主要遲滯非線性直接影響納米操作時探針的高精度驅動與定位。本項目基於AFM壓電陶瓷驅動器非整數階行為的分析和分數階微分方程理論，研究微驅動器的分數階建模和控制的系統理論方法，使納米操作與裝配得以高精度進行。項目研究內容有：①研究壓電陶瓷驅動器在不同條件下的回響特性，建立詳細的特性資料庫，分析其非整數階行為；②套用分數階微分方程理論和獲取的先驗信息，建立壓電陶瓷分數階模型、研究線上辨識算法；③設計驅動器分數階模型的實時魯棒控制算法；④進行納米操作實驗，對壓電陶瓷驅動器分數階建模、辨識與控制全過程進行實驗驗證。項目目標：在理論上，研究遲滯非線性分數階模型和辨識算法以及分數階模型魯棒控制算法；在實際套用中，對AFM微驅動器的遲滯非線性提出性能更好的分數階模型，並設計出性能優越的分數階控制器，這將對納米操作有重要的理論意義和良好的套用前景。
結題摘要
對原子力顯微鏡(AFM)機器人化納米尺度作業系統，微驅動器的主要遲滯非線性直接影響納米操作時探針的高精度驅動與定位。納米操作中驅動器的精確建模與控制已成為目前納米領域先進制造業亟待解決的重要科學問題，目前基於AFM的納米操作中最常用的驅動器材料是壓電陶瓷，但在納米級驅動的條件下，壓電陶瓷驅動器存在的遲滯特性則成為限制系統精度提高的瓶頸，因此，如何補償壓電陶瓷驅動器遲滯非線性成為納米操作需要解決的一個非常關鍵的問題。目前關於壓電智慧型材料遲滯非線性的建模和控制方法，雖然在一定程度上可以降低以壓電驅動器為核心的納米作業系統輸出位移非線性的影響，但需要建立或辨識複雜的系統動力學模型或逆模型，而且面臨著實時控制運算量大和控制精度有待進一步提高的問題。因此，本項目研究出一種新的、易於實現、精度更高的遲滯非線性建模和控制方法。 由於AFM壓電陶瓷驅動器具有遲滯等非線性特性及記憶特性，而分數階微積分在描述具有記憶特徵或中間過程等方面具有獨特的優勢。本課題將分數階微積分方程理論與壓電陶瓷的遲滯非線性相結合，在對AFM壓電陶瓷微驅動器的特性分析的基礎上，進行分數階模型線上辨識算法以及分數階實時控制算法的研究，並將分數階系統理論套用於納米作業系統建模、辨識、控制全過程。本項目首先對AFM壓電陶瓷微驅動特性進行了測試，分別基於電容式微位移測試系統和基於顯微視覺的亞像素測試系統，研究了壓電陶瓷驅動器在不同激勵信號下的回響特性，對其遲滯非線性和非整數階行為進行了分析；套用分數階微積分方程理論，研究了壓電陶瓷驅動器的分數階模型的數學描述，並利用非線性隨機數直接搜尋和粒子群尋優算法對壓電陶瓷分數階數學模型的結構參數及階次進行了辨識，在分數階微積分框架下對壓電陶瓷微驅動器的遲滯非線性特性進行了精確的描述和解釋；最後利用辨識好的壓電陶瓷微驅動器的分數階模型，設計出了性能優越的分數階PID控制器以及分數階逆控制器，對壓電陶瓷驅動器的非線性特性進行了有效的校正。實驗結果表明，利用本項目的非線性特性測試方法和分數階數學模型辨識算法以及設計的分數階控制器能夠精確地的表達壓電陶瓷驅動器的非線性特性，並能有效地消除壓電陶瓷的遲滯非線性。本項目的研究工作不僅可以用於壓電陶瓷，還可以用來提高其他壓電智慧型材料的性能，對壓電智慧型驅動器在超精密加工、微納米定位技術和微機電系統等領域中的進一步研究和發展具有重要的理論意義和實
