压电式微定位平台的非线性驱动控制研究.pdf

摘要

随着对微纳机械制造领域的深入研究，先进制造装备对控制精度的要求不断

提升，且在“十四五”规划中明确了推动跨学科、跨领域融合创新，加强超精密加

工等先进技术攻关。因此，研发出一种行程大、响应速度快和分辨率高的新式微纳

定位平台是新时代发展需求。而作为精密定位技术的核心组成部分，驱动器材料的

选择对于精密定位领域的探索至关重要。压电陶瓷材料利用逆压电效应将电能直

接转换为势能，其优点包括体积小、质量轻、输出力大和定位精度高。然而，压电

陶瓷材料固有的迟滞非线性严重影响了定位平台的控制精度和稳定性，所以如何

减小迟滞非线性对压电陶瓷的影响已然成为精密定位领域的研究热点。

针对上述问题，首先介绍了压电微定位平台的运动方式，并总结分析了国内外

学者在微定位平台的研究现状；然后，对微定位平台进行了理论计算和Ansys有

限元仿真，设计了一种基于压电叠堆驱动的单自由度微定位平台，作为研究对象；

针对迟滞非线性现象，总结国内外学者在迟滞非线性建模与控制策略方面的研究

现状，归纳了相关进展，建立了Krasnosel’skii-Pokrovkii(KP)迟滞模型对其进行描

述，并设计了一种自适应逆模型控制系统，有效抑制了迟滞非线性对微定位平台的

影响。主要研究内容包括：

为了满足工作需求，根据直圆型柔性铰链的运动特性，推导了柔度表达式。首

先采用压电叠堆驱动器作为驱动机构，以直圆型柔性铰链作为导向机构，以对称式

二级柔顺杠杆作为放大机构，设计了单自由度压电微定位平台。然后，仿真分析了

微定位平台的位移输出、最大等效应力及力电耦合特性，分析了前六阶模态，所建

微定位平台通过ANSYS有限元分析初步验证了结构的合理性与优越性。

针对压电陶瓷驱动器的迟滞非线性现象，首先通过KP算子分段建立了经典

KP迟滞模型并进行离线参数辨识，离散化Presiach积分平面，推导出KP模型的

离散化表达式。其次，基于其离散化模型构建了自适应逆控制系统，对权值参数进

行在线辨识与实时更新，避免离线辨识所产生的误差。然后通过仿真实验验证，KP

算子越多，模型描述越精准，因此验证了基于KP模型的自适应逆控制系统对迟滞

非线性的有效性。

以压电双晶片与压电微定位平台为研究对象，搭建了基于KP模型自适应逆控

制的迟滞补偿实验系统。首先在不同频率的正弦与变幅值正弦驱动下，采用无模型

控制、KP模型控制和KP自适应逆控制三种控制策略对压电双晶片进行迟滞驱动

控制，实验结果表明，KP自适应逆控制的迟滞补偿效果均优于其他两种控制策略，

且能够有效抑制压电双晶片的迟滞非线性。然后采用上述三者控制策略对微定位

平台进行迟滞实验，将经典KP模型控制与KP自适应逆控制进行了对比，数据表

明，期望驱动位移为正弦电压时，均方根误差下降了33.87%-85.65%，平均绝对百

分比误差下降了35.07%-87.81%；期望驱动位移为变幅值正弦时，均方根误差下降

了7.41%-72.66%，平均绝对百分比误差下降了7.56%-72.78%；验证了基于KP模

型的自适应逆控制系统的泛用性。

关键词：压电陶瓷驱动器；柔性铰链；微定位平台；KP迟滞模型；自适应逆

控制；精密驱动；

Abstract

Withthein-depthstudyofthefieldofmicro-nanomechanicalmanufacturing,

advancedmanufacturingequipmentforthecontrolofprecisionrequirementscontinueto

improve,andinthe14thFive-YearPlantopromotetheintegrationofinterdisciplinary,

cross-fieldinnovation,andstrengthentheultra-precisionmachiningandotheradvanced

technologyresearch.Therefore,thedevelopmentofastroke,fastresponsespeedandhigh

resolutio