一种波纹管驱动定位平台蠕变建模与补偿控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超精密设备领域，具体涉及一种波纹管驱动定位平台蠕变建模与补偿 控制方法。
【背景技术】
[0002] 微位移驱动器产生纳米级位移，是超精密驱动关键设备，超精密加工是衡量一个 国家超精密加工水平的重要标志，应用广泛。超精密加工技术在IT加工、大尺寸液晶、光刻 技术等领域得到了广泛的应用。目前在微位移执行机构方面，主要以压电陶瓷（PZT)为驱 动器，压电陶瓷具有分辨率高。响应快、不发热等优点，可以输出纳米级的位移，在超精密 控制领域应用广泛，但是存在行程短、输出力小等现象，一般的压电陶瓷不超过20 μ m的行 程，但是在超精密加工领域，100 ym以上的行程是经常出现的。为解决行程和精度的问题， 台湾科技大学的Mao-Hsiung Chiang等采用气缸和压电驱动结合的模式，较好的解决了控 制精度和运动行程的问题，其控制精度达到微米级，但两级进给模式使得机械结构复杂，控 制策略实现较为复杂。
[0003] 对于执行机构，存在的迟滞现象严重影响系统的定位精度。迟滞建模可以很好地 描述系统的这种非线性特性，利用前馈迟滞逆模型进行补偿控制，是改善迟滞特性的有效 手段，补偿效果关键是建立有效，高精度的数学模型。Kre jci和Kuhnen应用经典PI模型的 解析逆模型来补偿压电工作平台的非线性，Kuhnen进一步应用改进带有死区的算子建立的 PI模型对迟滞进行预测和补偿，Al Janaideh等建立了率相关性的动态迟滞模型，其对于迟 滞补偿效果有改进和提高。
[0004] 除了迟滞特性，蠕变特性也是位移驱动机构中常见的一种现象，严重影响定位精 度，这种现象对于压电执行器精度影响已经得到了充分重视。迟滞和蠕变一般共存在驱动 执行器中，并且存在一定的矛盾，在解决迟滞的过程中往往带来蠕变量的变化。，Koops采用 硬PZT作为驱动元件，虽然降低了非线性，但使蠕变增大。Neweomb等人使用电荷控制法，改 善了压电陶瓷的迟滞特性，但仍存在蠕变增大、行程变小、响应速度变慢等问题。范伟等对 压电陶瓷微动工作台蠕变特性开展试验研宄，获取其蠕变特性曲线，找到了压电陶瓷驱动 器蠕变的规律，为进一步修正和减少蠕变误差、提高定位精度，提供了科学依据。哈尔滨工 业大学的王岳宇等通过补偿压电陶瓷迟滞和蠕变的逆控制算法，建立了 Preisach迟滞模 型，并通过对数蠕变模型，对系统的定位进度进行了补偿控制，取得了一定的成果。哈尔滨 理工大学的刘泊等直接采用采用PID反馈控制，建立了"电压蠕变"的补偿模型，实现了 PID 反馈控制与逆变补偿相结合的控制方法，定位精度较高。
[0005] 一般来讲，执行机构其输出行程和定位精度是互相制约的，高的精度往往不能具 备较大行程。为了解决行程和精度的问题，田艳兵等设计了一种基于波纹管的超精密运动 平台，采用金属波纹管作为执行机构，利用迟滞PI逆模型对系统存在的非线性进行优化， 通过PID闭环控制，定位精度可以达到亚微米级。采用波纹管驱动的关键点在于其行程相 对于压电等驱动机构，有着较大的优势，在较大的行程中可以保证一定的精度。
[0006] 波纹管采用气体驱动，由于气体较大的压缩比，实验表明，其迟滞、蠕变特性相对 于压电驱动更加明显。通过迟滞建模和模型改进，可以很好的改进定位精度。对于波纹管 而言，其迟滞是控制管腔压力的比例阀输入电压和输出位移存在非线性，非一一对应的关 系；波纹管的蠕变特性，指的是控制官腔压力的压力阀控制电压保持不变的情况下，波纹管 仍有一定的位移输出，即蠕变量产生。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的之一是为改进波纹管驱动定位平台系统定位精度并提高系统定位 的精度和稳定性，提供一种高精度且稳定性好，行程大的波纹管驱动定位平台蠕变建模与 补偿控制。
[0008] 本发明提供一种波纹管驱动定位平台蠕变建模与补偿控制方法，包括如下步骤：
[0009] Sl :对波纹管驱动平台PI模型进行参数识别；
[0010] S2 :采用Sl中得出的PI逆模型前馈控制复合反馈控制进行复合控制；
[0011] S3 :建立执行机构的蠕变模型；
[0012] S4 :根据所述PI逆模型及蠕变模型建立基于PI模型的蠕变补偿方案。
[0013] 进一步的，所述步骤Sl具体包括：
[0014] 建立PI迟滞模型；
[0015] 识别所述PI迟滞模型参数；
[0016] 结合PI模型，建立基于PI逆模型的前馈控制器。
[0017] 进一步的，所述步骤S2具体包括：
[0018] 前馈环节利用PI逆模型将系统的迟滞特性线性化；
[0019] 运用PID对反馈控制器进行控制。
[0020] 进一步的，所述步骤S3具体包括：
[0021] 建立蠕变模型表达式：…)=Lu[1+/U0gm(·^)]，其中L(t)为波纹管位移，L tl为瞬 时响应位移，λ为蠕变系数，h为瞬时响应时间，t为蠕变时间；
[0022] 建立波纹管对数模型；
[0023] 根据所述波纹管对数模型建立波纹管通用对数模型。
[0024] 进一步的，所述步骤S4具体包括：
[0025] 将系统蠕变模型转化为电压输出模型；
[0026] PID运算过程中，根据蠕变模型的输出，对最终施加在压力比例阀上的信号进行调 整。
[0027] 进一步的，所述步骤对最终施加在压力比例阀上的信号进行调整具体包括：当上 行时，对于运算量进行减法运算，当下行时，则对运算量进行加法运算。需要注意的是，对于 对数模型输出的参数，最终的叠加量是不包含瞬间量L tl的。最终运算输出量按照线性关系 转化电压输出。
[0028] 本发明的有益效果在于，使用本发明提供的一种波纹管驱动定位平台蠕变建模与 补偿控制方法，通过建立有效的控制方案，波纹管控制精度达到了亚微米级，满足超精密定 位的要求。
【附图说明】
[0029] 图1所示为本发明实施验证流程图。
[0030] 图2所示为本发明系统复合控制方案图。
[0031] 图3所示为对数模型拟合曲线。
[0032] 图4所示为蠕变补偿控制。
[0033] 图5所示为基于PI逆模型复合控制下锯齿波跟踪曲线。
[0034] 图6所示为基于蠕变补偿控制锯齿波跟踪曲线。
【具体实施方式】
[0035] 下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中 描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它