山东理工大学硕士学位论文 摘要 I 摘 要 压电陶瓷微位移平台因具有控制精度高、响应速度快和稳定能力好等优点被广泛应用到物理学、光通信、航空航天等领域中。然而，压电陶瓷的迟滞性和蠕变性等非线性特点严重影响平台的控制精度，甚至可能造成平台工作系统的不稳定。因此理想的控制方式起着重要作用，能够补偿压电陶瓷自身特性带来的不足，所以对平台控制器的研究极为关键。针对上述问题，对压电陶瓷微位移平台控制等方面进行理论分析和实验研究工作，并设计一种复合控制器。具体的工作内容...
山东理工大学硕士学位论文 摘要 I 摘 要 压电陶瓷微位移平台因具有控制精度高、响应速度快和稳定性高等优点被大范围的应用到物理学、光通信、航空航天等领域中。然而，压电陶瓷的迟滞性和蠕变性等非线性特点严重影响平台的控制精度，甚至有可能造成平台工作系统的不稳定。因此理想的控制方式起着及其重要的作用，能够补偿压电陶瓷自身特性带来的不足，所以对平台控制器的研究极为关键。针对以上问题，对压电陶瓷微位移平台控制等方面做理论分析和实验研究工作，并设计一种复合控制器。具体的工作内容如下： （1）对压电陶瓷致动器的特性做多元化的分析，根据致动器的特性设计其执行机构，将导向机构和预紧机构一体化设计。再根据压电陶瓷致动器的迟滞特性建立 Prandtl-Ishlinskii（P-I）迟滞模型，在其基础上提出一种三段式 P-I 迟滞模型，将整个迟滞过程分为升程段、回程归零点前段和回程归零点段，分段式迟滞模型不同段的局部拟合精度都有所提高，降低了 P-I 迟滞模型因算子的奇对称特性不能准确拟合迟滞曲线和归零点处拟合不准确的影响，经过 MATLAB 验证，三段式 P-I 模型的误差率降低至 0.21%以内。 （2）对压电陶瓷微位移平台的驱动器和反馈传感器进行设计，驱动电路采取改进的双级线性放大电路，第一级线性放大电路为单位增益，第二级线性放大电路为十倍增益，确保驱动电路能完成高精度输出值的计算。再对反馈电路进行设计，选择高精度的电容式传感器，针对微弱电容信号检测和转换的问题，在运算器放大式电容检测电路基础上分析改进，并运用 Altium Designer 电路设计软件和 Multisim 电路仿真软件对电路各个模块进行设计和仿真，验证改进型反馈电路的灵敏度和线性度有较大的提高。 （3）对压电陶瓷微位移平台的复合控制部分进行设计，根据建立的三段式 P-I 模型建立对应的三段式 P-I 逆模型，作为前馈项的补偿模型。其次分析压电陶瓷微位移平台的定位原理并建立平台的位姿控制模型。高精度平台受外界微小的干扰会直接影响精度，对此在前馈控制的基础上引入反馈控制，组成复合控制器。 （4）将设计的驱动器和复合控制器应用到压电陶瓷微位移平台上。首先对驱动器进行实验平台搭建，研究驱动器的稳定性。实验数据表明设计的驱动器增益倍数为 10 倍，驱动电压的线%，驱动电压的最大漂移值为 20mV。保证驱动器的可行性后搭建复合控制器下的压电陶瓷微位移平台实验，控制平台在 X 轴、Y 轴、Z 轴方向进行全行程位移输出，实验数据表明平台的 X 轴、Y 轴、Z 轴方向上的准确度为 0.042m、0.038m、0.033m，双向重复定位精度为 0.045m、0.041m、0.035m，迟滞误差为 0.101%、0.081%、0.063%。实验过程中平台的线%，动态性能的均方根误差为 0.061。验证了本文设计的复合控制具有可行性。 关键词：压电陶瓷；迟滞非线性；Prandtl-Ishlinskii 模型；复合控制
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