快速倾斜镜压电陶瓷致动器迟滞特性建模及控制研究

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1、硕士学位论文快速倾斜镜压电陶瓷致动器迟滞特性建模及控制研究RESEARCHONHYSTERESISMODELINGANDCONTROLOFPIEZOELECTRICACTUATORFORFASTSTEERINGMIRROR李松哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TP273.1学校代码：10213国际图书分类号：681.52密级：公开工程硕士学位论文快速倾斜镜压电陶瓷致动器迟滞特性建模及控制研究硕士研究生：李松导师：林玉荣副教授申请学位：工程硕士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2016

2、年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP273.1U.D.C:681.52DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONHYSTERESISMODELINGANDCONTROLOFPIEZOELECTRICACTUATORFORFASTSTEERINGMIRRORCandidate：LISongSupervisor：AssociateProf.LINYurongAcademicDegreeAppliedfor：Mast

3、erofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要快速倾斜镜是星间激光通信系统中重要组成部件，是星间激光通信实现捕获、瞄准和跟踪的保障。压电陶瓷致动器具有输出力大、定位精度高、体积小、刚度大、响应

4、速度快以及不发热等优点，是驱动快速倾斜镜的理想装置。但是由于压电陶瓷致动器存在着迟滞和蠕变非线性现象，对快速倾斜镜的定位性能造成影响，其中迟滞特性影响最为严重，因此如何解决迟滞非线性的问题是当前研究的热门话题之一。为减小迟滞非线性对压电陶瓷致动器定位性能的影响，更好的发挥其性能，本文对压电陶瓷致动器的迟滞特性进行深入研究，揭示其迟滞的成因，建立迟滞特性的数学模型，研究压电陶瓷致动器控制算法以降低迟滞非线性的对系统的影响，同时通过实验验证模型和算法的有效性。首先，通过分析压电陶瓷致动器的迟滞特性提出并研究了能

5、够描述迟滞非线性的改进Prandtl-Ishlinskii（PI）数学模型，并通过最小二乘法来辨识模型中的参数的解析解。建立压电陶瓷致动器实验系统对模型进行实验验证，实验结果表明，改进PI数学模型及最小二乘法参数辨识能够有效的描述压电陶瓷致动器迟滞特性，误差在1%以内，并且改进PI数学模型算法在时间复杂度上要远优于传统PI数学模型，有效的提高控制系统带宽并且在实际工程中易实现。其次，提出了基于压电陶瓷致动器的改进Prandtl-Ishlinskii（PI）数学模型前馈线性化控制方法，即通过改进PI数学模型得

6、到描述迟滞特性的逆模型，并通过逆模型前馈将期望信号转化为压电陶瓷致动器的控制信号，以实现对迟滞的前馈逆补偿获得近线性系统，并通过实验对模型输出与实物系统输出对前馈线性化方法进行验证。实验结果表明，通过前馈线性化模型线性误差为0.9%，其线性度满足对压电陶瓷精确控制的需求。最后，为了提高系统的动态性能，能够精确的、快速的控制快速倾斜镜，设计了改进Prandtl-Ishlinskii（PI）模型前馈线性化与鲁棒控制的复合控制方法，通过仿真和在线实验对比不同频率下复合控制和反馈控制的跟踪性能。实验结果表明该复合控

7、制方法能够显著地提高定位控制精度，并且具有较高的鲁棒性。跟踪2Hz正弦信号时，最大误差为2.8μrad，均方误差为0.68μrad，跟踪100Hz的正弦信号时，最大误差为16μrad之间，均方误差为8.8μrad。本文对压电陶瓷致动器及其系统的迟滞现象模型、线性化及控制方法的研究，为压电陶瓷致动器在星间激光通信系统中快速倾斜镜的快速、高精密定位奠定了理论基础。关键词：快速倾斜镜；压电陶瓷；迟滞特性；Prandtl-Ishlinskii模型-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractFaststeer

8、ingmirrorisanimportantcomponentpartsininter-satellitelasercommunicationsystem.Itisaprotectiontoachieveacquisition,pointingandtrackingininter-satellitelasercommunicationsystem.Thepiezoelectricceramicactuator,w