高精密儀器系統中智慧型材料驅動器控制技術研究

《高精密儀器系統中智慧型材料驅動器控制技術研究》是依託華南理工大學，由馮穎擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高精密儀器系統中智慧型材料驅動器控制技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馮穎
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

本項目以高精密儀器系統為套用背景, 研究高精密儀器中智慧型材料驅動器的建模與控制理論及方法研究, 並開發相應的高精密儀器系統平台以驗證算法的有效性. 隨著智慧型材料作為高精度微位移驅動器得到廣泛關注, 材料中存在的回滯非線性制約了控制精度的提高. 本項目(1) 考慮各種非線性因素的影響, 分析智慧型材料驅動器的回滯特性, 建立多種回滯模型來描述智慧型材料中的複雜回滯特性; (2) 在實現對回滯精確建模的基礎上, 實現帶有回滯特性驅動的非線性系統的控制器設計, 將提出的控制算法套用到形狀記憶合金等智慧型材料驅動器的控制中, 提高控制精度; (3) 開發高精密儀器系統控制平台, 將高精度控制算法套用於高精密儀器系統平台中研究其微進給精度特性. 本項目是一項高速高精度控制理論研究中具有重要理論價值和套用價值的課題, 其結果能夠推動智慧型驅動器在微納超精密加工技術中的套用.

結題摘要

本項目以高精密儀器系統為套用背景，以實現高精密儀器系統的微納米級驅動為目標，以基於智慧型材料的驅動為研究對象，在深入分析各類智慧型材料驅動器的輸入輸出工作特性，結合高精密儀器平台的工作特性需求，實現智慧型材料驅動器微納米級精密驅動的控制算法研究並完成算法平台驗證。 在項目開展期間，結合課題研究目標及研究任務，重點開展了以下幾個方面的研究工作。（1）.結合各類智慧型材料驅動器在不同工作環境要求下的工作特性，重點分析各類智慧型材料驅動器中的強回滯非線性（限制智慧型材料驅動器精度提高的主要因素），採用基於唯象特性建模的方式，例如Duhem回滯模型、Prandtl-Ishlinskii回滯模型及Preisach回滯模型等來表征各類智慧型驅動器中的複雜回滯特性，同時以各類回滯模型為基礎，探索性地研究如何構造回滯模型的逆顯式表達，並有效地與後續控制算法結合，實現對回滯非線性的有效抑制。（2）. 在實現對智慧型材料驅動器中的回滯特性精確建模的基礎上，理論上重點研究帶有回滯特性驅動的複雜非線性系統魯棒自適應控制算法設計。結合實際套用需要，設計了多種控制設計框架，例如帶有顯式逆回滯表達、帶有隱式逆回滯表達及無需構造逆回滯等結構，結合實際套用平台需求，完成有效抑制回滯非線性特性的控制算法設計。（3）結合各類智慧型材料驅動器的工作特性，以控制算法的理論設計和仿真驗證為基礎，重點實現壓電陶瓷驅動器、超磁致伸縮驅動器及形狀記憶合金等智慧型材料為驅動裝置，以實現微米級精度、納米級解析度精度驅動高精密儀器平台的工作特性為目標，最佳化控制算法，通過實驗驗證，實現實際驅動性能的有效提高，完成本課題的主要研究任務。 研究結果在理論上對強非平滑系統中複雜回滯特性的建模和控制研究方面基本形成系統結果，維象回滯算法的套用，使得建模策略脫離實際材料及物理參數的限制，多種控制框架的提出對滿足多種智慧型材料驅動器在各類高精密儀器系統中的套用都具有廣泛的適用性。此外課題研究成果可直接推廣到輸入輸出具有回滯特性的通用系統中，使得研究成果不局限於高精密儀器系統的套用本身，具有良好的擴展性。也為後續相關課題的延續開展奠定良好基礎。