面向直线超声电机高性能运动控制的分步综合非线性系统辨识建模

Currently, the high-precision motion stage has a growing request for linear ultrasonic motors. Due to the increasing demands for high performance motion control and hybrid amplitude/frequency/phase modulations, a more precise control model is desired for describing the time-varying nonlinearity. In this proposal, we introduce a new step-by-step modelling method using different nonlinear system identification approaches. Afterwards, an integrated model is synthesized from those sub-models, which also considers the coupling effects. This research attempts to obtain a nonlinear reference model for the high performance motion control of a linear ultrasonic motor, and remedy the defects of conventional analytical and black-box identification methods. The study mainly includes: Modeling the drive circuit using Volterra Series; Modeling the piezoelectric vibrator system using the system identification method with the time-frequency analysis; Modeling the contact friction mechanism using the combination of NARMAX and time-frequency identification models. After considering the coupling effects among different sub-models, an integrated nonlinear model can be obtained to describe a linear ultrasonic motor. This research aims at establishing a theoretically and technically solid foundation for the high performance motion control of linear ultrasonic motors.

直线超声电机在超精密运动平台中具有广阔的应用前景。面对直线超声电机越来越高的运动控制性能和调幅/调频/调相的复合控制需求，亟需建立更为精确且能够反映时变非线性特征的控制模型。本项目针对直线超声电机的时变、非线性和强耦合的能量转换过程，提出了分步综合非线性辨识建模的研究思路和方法，以解决目前研究中解析模型不适用于控制而辨识模型又过于简化的弊端。主要包括：采用非线性Volterra级数对驱动电路进行建模；采用时频分析系统辨识法对压电振子系统进行建模；采用NARMAX模型和时频分析系统辨识法对摩擦接触机理进行联合建模；分析分步模型之间的耦合作用，构建直线超声电机的综合非线性模型。本项目旨在为超声电机的建模问题引入一种新的研究思路和解决方法，为直线超声电机的高性能运动控制奠定重要的理论和技术基础。

直线超声电机在精密制造及精密运动控制中具有广阔的应用前景，相比传统的驱动方式，它具有精度高、小型化、快速响应、不受电磁干扰等优点。然而，直线超声电机本身是一个具有时变和强非线性特征的多物理场耦合的复杂微机电系统，对于人们提出的高性能的运动控制及调频/调幅/调相的复合控制等需求，能够精确描述其物理过程且准确反映这些时变和非线性特征的控制模型亟待建立。本项目针对直线超声电机整体和局部特性，基于电机系统及其子系统的输入输出数据，提出了分步综合非线性系统辨识建模的整体研究思路和方法，构建了面向电机运动控制的“灰箱”模型，从而克服目前研究中全解析模型（“白箱”）难以应用于控制而纯辨识模型（“黑箱”）又过于简化的问题，项目工作内容涉及系统辨识、参数估计、输出预测、时变和非线性特征分析等方面的相关问题。根据直线超声电机的能量转换过程和各个阶段之间相互耦合的关键性变量，将电机系统主要分为驱动电路、压电振子、摩擦接触机理和滑台负载四个子系统进行分步非线性建模，包括：对驱动电路子系统的“频漂”和“温飘”特性进行非线性建模，实现对其电压输出的预测；采用能量法构建压电振子子系统的动力学模型，提出了能够描述接触界面子系统微观高频摩擦机理的预滑动摩擦和超声减摩模型，并使用非线性极大似然法对其中关键参数进行辨识，模型能够准确反应电机在运行过程中不确定的位置非线性特征；采用非线性最小二乘法对滑台负载子系统的动力学模型进行参数估计，实现空载及带负载滑动平台速度曲线的预测；综合各子系统的分步非线性模型，得到了完整描述直线超声电机主要时变非线性特征的整体模型；根据电机速度的位置非线性，研究了其Hammerstein-Weiner预测模型等。本项目为超声电机的建模控制问题提出了一种有效可行的研究思路和解决方法，为直线超声电机在精密运动控制中更广泛的应用提供了可靠的理论和技术保障。