纳米操作驱动器迟滞特性分数阶建模与控制研究

In Atomic-force-microscope(AFM) based robotic nanomanipulation system，one of the key technical problems is to eliminate the hysteresis nonlinearity of actuator to realize high accurate actuating and positioning of the AFM probe. To solve this problem，based on analyzing the non-integer order characteristics of the AFM prezoceramic actuator and fractional order theory,a new model for actuator based on non-integer order is proposed and a robust fractional order controller is designed. The positioning accuracy of AFM probe can be significantly improved and thus nanomanipulation and nanoassembly can be performed accurately. The task of this proposal contents:① To develop a complete set of experimental platform to study the prezoceramic actuator dynamic behavior.Then,to investigate experimentally the response characteristics with respect to different input signals, so as to understand its response characterization and establish a detailed database, also analyze its non-integer order behavior. ② To develop an algorithm to identify fractional order model of actuator based on the prior information, to determine a model order by correlation analysis and curve fitting of frequency response data, then establishe a most suitable model structure. ③ To design fractional order robust controller to eliminate the nonlinearity of prezoceramic to guarantee actuator's tracking to desired trajectory. ④ Nanomanipulation experiments are presented to verify the effectiveness of the new modeling method and positioning error compensation method. The aims of this research:① In theory,to design a new fractional order model and identification algorithm to describe main hysteresis nonlinearity; to put forward an adaptive robust control approach based on the fractional order model. ② In practice, to establish a new fractional model for piezoelectric actuator and present a better fractional robust controller for nanomanipulation system.

对原子力显微镜(AFM)机器人化纳米尺度操作系统，微驱动器的主要迟滞非线性直接影响纳米操作时探针的高精度驱动与定位。本项目基于AFM压电陶瓷驱动器非整数阶行为的分析和分数阶微分方程理论，研究微驱动器的分数阶建模和控制的系统理论方法，使纳米操作与装配得以高精度进行。项目研究内容有：①研究压电陶瓷驱动器在不同条件下的响应特性，建立详细的特性数据库，分析其非整数阶行为；②应用分数阶微分方程理论和获取的先验信息，建立压电陶瓷分数阶模型、研究在线辨识算法；③设计驱动器分数阶模型的实时鲁棒控制算法；④进行纳米操作实验，对压电陶瓷驱动器分数阶建模、辨识与控制全过程进行实验验证。项目目标：在理论上，研究迟滞非线性分数阶模型和辨识算法以及分数阶模型鲁棒控制算法；在实际应用中，对AFM微驱动器的迟滞非线性提出性能更好的分数阶模型，并设计出性能优越的分数阶控制器，这将对纳米操作有重要的理论意义和良好的应用前景。

对原子力显微镜(AFM)机器人化纳米尺度操作系统，微驱动器的主要迟滞非线性直接影响纳米操作时探针的高精度驱动与定位。纳米操作中驱动器的精确建模与控制已成为目前纳米领域先进制造业亟待解决的重要科学问题，目前基于AFM的纳米操作中最常用的驱动器材料是压电陶瓷，但在纳米级驱动的条件下，压电陶瓷驱动器存在的迟滞特性则成为限制系统精度提高的瓶颈，因此，如何补偿压电陶瓷驱动器迟滞非线性成为纳米操作需要解决的一个非常关键的问题。目前关于压电智能材料迟滞非线性的建模和控制方法，虽然在一定程度上可以降低以压电驱动器为核心的纳米操作系统输出位移非线性的影响，但需要建立或辨识复杂的系统动力学模型或逆模型，而且面临着实时控制运算量大和控制精度有待进一步提高的问题。因此，本项目研究出一种新的、易于实现、精度更高的迟滞非线性建模和控制方法。.由于AFM压电陶瓷驱动器具有迟滞等非线性特性及记忆特性，而分数阶微积分在描述具有记忆特征或中间过程等方面具有独特的优势。本课题将分数阶微积分方程理论与压电陶瓷的迟滞非线性相结合，在对AFM压电陶瓷微驱动器的特性分析的基础上，进行分数阶模型在线辨识算法以及分数阶实时控制算法的研究，并将分数阶系统理论应用于纳米操作系统建模、辨识、控制全过程。本项目首先对AFM压电陶瓷微驱动特性进行了测试，分别基于电容式微位移测试系统和基于显微视觉的亚像素测试系统，研究了压电陶瓷驱动器在不同激励信号下的响应特性，对其迟滞非线性和非整数阶行为进行了分析；应用分数阶微积分方程理论，研究了压电陶瓷驱动器的分数阶模型的数学描述，并利用非线性随机数直接搜索和粒子群寻优算法对压电陶瓷分数阶数学模型的结构参数及阶次进行了辨识，在分数阶微积分框架下对压电陶瓷微驱动器的迟滞非线性特性进行了精确的描述和解释；最后利用辨识好的压电陶瓷微驱动器的分数阶模型，设计出了性能优越的分数阶PID控制器以及分数阶逆控制器，对压电陶瓷驱动器的非线性特性进行了有效的校正。实验结果表明，利用本项目的非线性特性测试方法和分数阶数学模型辨识算法以及设计的分数阶控制器能够精确地的表达压电陶瓷驱动器的非线性特性，并能有效地消除压电陶瓷的迟滞非线性。本项目的研究工作不仅可以用于压电陶瓷，还可以用来提高其他压电智能材料的性能，对压电智能驱动器在超精密加工、微纳米定位技术和微机电系统等领域中的进一步研究和发展具有重要的理论意义和实