基于pzt力传感检测的（微）纳米环境中pzt驱动位移感知研究

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1、第一章绪论是Preisach算子在处理过程中含有微分项，需要通过插值算法计算权函数，并且要求计算出所历经的数据点，因而计算量比较大，控制方法太过复杂。大约1970年，俄国数学家Krasnoselskii研究了Preisach模型，发现它包含了一个新的一般性的数学思想。Krasnoselskii将模型和其物理意义分开，并用一种纯数学方法表示出来，在Preisach迟滞算子的基础上，提出Prandtle—Ishlinskii迟滞算子，该迟滞变换特性模型是由许多通过加权重叠的基本迟滞算子组成的，它们通过基本算子中

2、的一个或多个参数的不同来区别n引。此外还有KP算子Duh鲫算子等。1．2．3拟合压电陶瓷迟滞曲线模型一般测得的迟滞曲线都不能直接用数学表达式表达，为了准确的计算、分析迟滞材料中曲线的对应关系，必须通过近似处理，找出一条可用数学式表达的等效曲线近似替代。有人提出了小数指数幕曲线近似法n"，该方法可保证曲线走向与实测曲线大体一致，应用范围没有限制。贾宏光“踟建立一种反映压电陶瓷非线性内外环关系的变比模型，通过所建立的变换矩阵，将内环的运动轨迹同外环曲线有机的结合在一起，最大相对拟和误差2％。庄在龙n鲫提出用软件

3、补偿法来减小迟滞和非线性，运用四种参考模型，根据主迟滞环计算在不同电压下的位移输出。RostislavV．Lapshin乜们应用三角多项式对几种形式的压电驱动器迟滞外环进行了拟合，并在此基础上推导出了相应的谐波线性化系数。在原子力显微镜上应用这种形式的拟合后，使由迟滞导致的扫描图像变形明显变小。时usojinAkira提出一种反转电压的概念，并构造了一种多项式模型，利用此模型对压电驱动器进行拟合后使其迟滞从10％下降到3％，并在O一4um范围内具有3％的定位精度晗¨。1．2．4压电陶瓷驱动器控制方法的研究现

4、状国内外诸多研究人员对压电陶瓷的控制方法进行了大量工作，主要体现在以下几个方面。1．2．4．1开环方面Jung和Kim“53提出了一种基于参考模型的开环控制方法，用于改善STM中4第一章绪论压电陶瓷驱动器的扫描精度，如图卜2所示。但是该参考模型是假使压电陶瓷具有局部记忆型(LocalMemory)迟滞非线性特性，没有准确地反映压电陶瓷的迟滞特性；Leigh和Zi咖erman采用隐含的数值算法预测压电陶瓷驱动器的迟滞特性恤1。该算法在数值处理过程中引入了输入数据的数值微分，使得输入数据中的噪声信号被放大，可能

5、得出失真的预测。图1·2基于参考模型的开环控制框图1．2．4．2在闭环控制方面‘由于压电陶瓷驱动器的迟滞和蠕变特性属于开环特性，采用闭环方法能有效的消除该方面的影响，提高定位精度，目前闭环控制方法主要采用PID控制及智能PID控制。利用高精度传感器和PID控制器实现闭环控制。PID控制器由于结构简单，参数易于调整，得到了广泛的应用。在此基础上发展了模糊PID控制器和神经网络PID控制器。通过反馈控制作用来改变系统的特征值和特征向量，使得极点处于所要求的位置，从而改变系统的静、动态品质∞1。Y．Okazaki

6、l乜41提出一种带状念观测器的状态反馈控制器。该方法把控制对象简化为质量一弹簧一阻尼系统，由于控制系统中没有考虑迟滞非线性，迟滞将作为一个没有建模的相位滞后环节，在相位裕度不足的情况时，可能会引起系统不稳定；Ping．Ge和MusaJouaneh口51提出采用反馈结合前馈的方法，控制框图如图l一3所示，在前馈环中利用Preisach模型对压电陶瓷非线性建摸，并进行线性化处理，该方法显著提高了压电陶瓷驱动器的动态频响。图1．3带前馈环的PID控制器结构框图5第一章绪论能检测PZT驱动力的传感器，在探针扫描成像

7、的反馈控制中加入基于PzT形变力的反馈控制，如图卜4所示，根据驱动器形变力的唯一性，通过基于力反馈控制方法解决PZT的非线性和迟滞效应，将力／电压校正为线性模型，为PZT驱动器的实时线性化的控制提供一种简单易行的方法。1．3．2章节安排图1．4具有力反馈的PZT控制策略本文针对当前将PZT用作(微)纳米环境下驱动器操作时存在的非线性不足，提出了一种基于柔性铰链结构的能够实时获取PZT驱动力信息的传感器，，主要的研究内容如下：1、绪论部分从介绍纳米科技开始，讲述了纳米科学研究与应用的基本技术手段是纳米尺度下有

8、目的操作。纳米观察与操作中PZT作为其驱动器已经得到了广泛的应用，但是由于其迟滞、蠕变和非线性不足影响了纳米级驱动的性能。为此希望通过对PZT电制动产生的作用力的线性化检测来解决PZT的非线性实时位置反馈控制问题。这就引出了对PZT驱动器驱动力检测的传感器设计需求。2、第二章描述了PZT驱动器的固有特性：包括逆压电效应、迟滞、蠕变效应等，对PZT驱动器在承受负载时的力输出特性做了详细介绍。并针对压电陶瓷驱动器的高