压电微动系统多尺度耦合迟滞动力学效应的宽频域辨识与控制

The high-speed motion accuracy of piezoelectric micro-motion systems(PMS) is seriously limited by the multiscale-coupling hysteretic dynamics. Aiming to the multiscale-coupling hysteretic and dynamic effects in the multi degree-of-freedom PMS, this project proposes broad-bandwidth multi-amplitude identification and control approaches to achieve ultra-high speed and precision motion of PMS. First, the project investigates the wavelet analysis based multiscale data reconstruction and the singular value decomposition(SVD) based pseudo inverse of the non-wellposed and disturbed matrix. Both the step-to-step method and the synchronization method are proposed to identify the multiscale-coupling hysteretic dynamics. Then, the project investigates the high-order differetiator based high-bandwidth feedforward control, iterative learning based realtime control and multivariable low-order robust H∞ control. The multi-rate composite control of PMS is also proposed. Finally, the proposed broad bandwidth identification and control methods of the multiscale-coupling hysteretic dynamics in PMS are demonstrated in the piezo-based steering mirror experiment. Moreover, the proposed identification and control methods will be applied to the micro scanning system in electro-optical radar for sub-μrad tracking.

压电微动系统的多尺度耦合迟滞动力学严重限制了其高速运动精度，本项目以多自由度压电微动系统为研究对象，针对其多尺度耦合迟滞动力学效应，提出一种宽频域多幅值辨识和控制方法，以实现压电微动系统的超高速精确运动。首先，研究基于小波分析的迟滞动力学多尺度数据重构以及基于奇异值分解法的非良定受扰矩阵伪逆求解，提出多尺度耦合迟滞动力学效应的分步法辨识和同步法辨识；其次，研究基于高阶微分器的高带宽前馈控制、基于迭代学习的实时控制以及多变量低阶鲁棒H∞反馈控制，提出压电微动系统的多率复合控制方法；最后，通过压电偏转镜实验验证多尺度耦合迟滞动力学宽频域辨识和控制方法的有效性，并在光电雷达微扫描系统中采用本项目提出的辨识和控制方法进行亚微弧度跟踪控制。

压电微动系统在空基、天基精跟踪光电系统中应用广泛，但是其宽频域多尺度耦合迟滞动力学严重限制了其高速运动精度，本项目以多自由度压电微动系统为研究对象，针对其多尺度耦合迟滞动力学效应，研究了宽频域多幅值辨识和控制方法，以实现压电微动系统的超高速精确运动。首先针对压电微动系统研究了宽频域多场域建模方法，研究了迟滞动力学多尺度特性以及基于奇异值分解法的非良定受扰矩阵伪逆求解，研究了多尺度耦合迟滞动力学效应辨识方法如分步法辨识和同步法辨识；其次研究压电微动系统的高带宽前馈控制、学习控制以及鲁棒H∞反馈控制以及压电微动系统的多率复合控制方法；最后通过压电偏转镜实验以及其他压电微动系统实验验证多尺度耦合迟滞动力学宽频域建模、辨识和控制方法的有效性，并把本项目研究方法应用到光电雷达微扫描系统、主动隔振平台、柔性结构振动控制、高精度测角器等，并且研制开发了原理样机，发表了学术论文包括期刊论文、英文专著、会议论文等，相关技术方法申请了专利。