多维超精密运动定位平台的建模与多变量控制研究

It is known that multi-dimensional ultraprecision positioning stages are usually adopted in many ultraprecision mechatronics systems such as photoetching machine in microelectronics manufacturing processes etc to meet the high speed and accurate positioning requirement. Usually, piezoelectric actuators are used in these stages. However, hysteresis inherent in the actuators often leads to fluctuation of control system, degrade the control precision, and even instability.Moreover, the dynamics of both driving electric circuit and the load of the piezoelectric actuator in ultraprecision positioning stages may have significant effect on the positioning accuracy and the dynamic performance of the stages. On the other hand, the coupling disturbances among axes will also have effect on the positioning performance of the stage. Therefore, multi-dimensional ultraprecision positioning stage is a complex system with multivalued mapping,non-smoothness, and coupling among axes. The conventional methods are difficult to be used to hand the modeling and control of it.This proposal will apply the nonsmooth and multivariable technique to the investigation of the properties of multi-dimensional ultraprecision positioning stage, construct nonlinear and multivariable sandwich models to describe the behavior of the stage and develop the corresponding nonsmooth and multivariable control strategies, especially the nonsmooth decoupling control strategies to handle the coupling effect among axes with hysteresis of the stage so as to improve the control performance of ultraprecision mechatronics systems with such stages.

许多超精密机电系统如微电子制造的光刻机、MEMS器件制造系统等都含有多维超精密运动定位平台，在这些平台中，常采用压电陶瓷作为执行机构，而压电执行器所含有的迟滞特性通常会导致平台控制系统波动、控制精度降低，甚至不稳定。而且，压电执行器的驱动电路和负载的动态特性的影响也会明显影响平台的定位精度和动态特性。另一方面，多维运动定位平台的各个轴之间的相互耦合干扰也会对平台的定位特性产生不利影响。因此超精密运动定位平台是个具有多值映射、非光滑和轴间耦合特性的复杂系统，难以用常规的方法解决其建模与控制问题。本申请将利用非光滑多变量技术分析多维超精密运动定位平台的特性，建立描述平台特性的非线性多变量三明治动态模型，研究相应的非光滑多变量控制策略，特别是非光滑解耦控制策略，以消除平台所含的具有迟滞特性的耦合影响，提高采用这类定位平台的超精密机电系统的控制性能。

本课题通过大量的试验，充分激励含有压电陶瓷执行器的定位平台的各个工作模态，并且根据含有压电陶瓷执行定位平台的工作原理，分析含有压电陶瓷执行器定位平台的特性。提出了一种新的简单的迟滞模型来描述定位平台中压电陶瓷的迟滞特性，这种简单的迟滞能用比较少的未知参数来的描述压电陶瓷的迟滞特性，使得迟滞特性描述更加简便，为辨识更复杂的迟滞系统打下基础，同时也为以后方便设计控制器打下基础。.根据含有压电陶瓷执行器的定位平台的特性，我们提出了用一种含有Duhem迟滞的三明治模型来描述所研究的平台，并且针对该模型，研究了两步法的辨识方法，实验也表明该模型能够有效的辨识该类定位平台，但是该辨识方法不能在线的辨识模型，为了以后方便的设计自适应控制器，我们提出了一种非光滑的递推辨识算法来辨识能描述这类含有压电陶瓷执行器系统的辨识算法，并且分析了该算法的收敛性，实验结果表明该算法是有效的。此外，我们还利用非光滑优化方法提出了一类含有间隙迟滞的机械系统的辨识方法，首次将非光滑优化的思路应用到该非光滑系统的辨识中，为以后辨识更复杂的迟滞特性提供理论及技术支持。另外，针对含有压电陶瓷执行器多维定位平台，提出了辨识其耦合模型的辨识方法，建立了该平台的耦合模型。.同时，我们首次提出了一类含有压电陶瓷执行器的定位平台的内模控制方法，实验表明取得了很好的控制效果；并且也提出了一类含有间隙迟滞的三明治系统的非光滑内模控制方法。另外，我们研究了含有间隙迟滞的机电系统的非光滑多步预测控制策略，首次将非光滑理论用在了机电系统的非光滑多步预测控制系统中，用非光滑的理论根本上解决了非光滑系统中非光滑点不可导的问题，取得了很好的控制效果，这为以后更为复杂的非光滑系统提供了理论支持。并且，针对含有压电陶瓷执行器多维平台，提出了前馈补偿的解耦控制方法，取得了期望的效果。.最后，我们还研究了非光滑系统的能观性、能控性及观测器设计等问题,为后面含有压电陶瓷的多维定位平台的能控性及软测量的研究打下基础。