高精密仪器系统中智能材料驱动器控制技术研究

本项目以高精密仪器系统为应用背景, 研究高精密仪器中智能材料驱动器的建模与控制理论及方法研究, 并开发相应的高精密仪器系统平台以验证算法的有效性. 随着智能材料作为高精度微位移驱动器得到广泛关注, 材料中存在的回滞非线性制约了控制精度的提高. 本项目1) 考虑各种非线性因素的影响, 分析智能材料驱动器的回滞特性, 建立多种回滞模型来描述智能材料中的复杂回滞特性; 2) 在实现对回滞精确建模的基础上, 实现带有回滞特性驱动的非线性系统的控制器设计, 将提出的控制算法应用到形状记忆合金等智能材料驱动器的控制中, 提高控制精度; 3) 开发高精密仪器系统控制平台, 将高精度控制算法应用于高精密仪器系统平台中研究其微进给精度特性. 本项目是一项高速高精度控制理论研究中具有重要理论价值和应用价值的课题, 其结果能够推动智能驱动器在微纳超精密加工技术中的应用.

本项目以高精密仪器系统为应用背景，以实现高精密仪器系统的微纳米级驱动为目标，以基于智能材料的驱动为研究对象，在深入分析各类智能材料驱动器的输入输出工作特性，结合高精密仪器平台的工作特性需求，实现智能材料驱动器微纳米级精密驱动的控制算法研究并完成算法平台验证。.在项目开展期间，结合课题研究目标及研究任务，重点开展了以下几个方面的研究工作。1）.结合各类智能材料驱动器在不同工作环境要求下的工作特性，重点分析各类智能材料驱动器中的强回滞非线性（限制智能材料驱动器精度提高的主要因素），采用基于唯象特性建模的方式，例如Duhem回滞模型、Prandtl-Ishlinskii回滞模型及Preisach回滞模型等来表征各类智能驱动器中的复杂回滞特性，同时以各类回滞模型为基础，探索性地研究如何构造回滞模型的逆显式表达，并有效地与后续控制算法结合，实现对回滞非线性的有效抑制。2）. 在实现对智能材料驱动器中的回滞特性精确建模的基础上，理论上重点研究带有回滞特性驱动的复杂非线性系统鲁棒自适应控制算法设计。结合实际应用需要，设计了多种控制设计框架，例如带有显式逆回滞表达、带有隐式逆回滞表达及无需构造逆回滞等结构，结合实际应用平台需求，完成有效抑制回滞非线性特性的控制算法设计。3）结合各类智能材料驱动器的工作特性，以控制算法的理论设计和仿真验证为基础，重点实现压电陶瓷驱动器、超磁致伸缩驱动器及形状记忆合金等智能材料为驱动装置，以实现微米级精度、纳米级分辨率精度驱动高精密仪器平台的工作特性为目标，优化控制算法，通过实验验证，实现实际驱动性能的有效提高，完成本课题的主要研究任务。.研究结果在理论上对强非平滑系统中复杂回滞特性的建模和控制研究方面基本形成系统结果，维象回滞算法的应用，使得建模策略脱离实际材料及物理参数的限制，多种控制框架的提出对满足多种智能材料驱动器在各类高精密仪器系统中的应用都具有广泛的适用性。此外课题研究成果可直接推广到输入输出具有回滞特性的通用系统中，使得研究成果不局限于高精密仪器系统的应用本身，具有良好的扩展性。也为后续相关课题的延续开展奠定良好基础。