【正文】 感謝實(shí)驗(yàn)室的師兄師姐們在學(xué)習(xí)中給予了不可或缺的幫助。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實(shí)創(chuàng)新的科研精神、廣博的專業(yè)知識、深刻獨(dú)到的學(xué)術(shù)見解、忘我投入的工作熱情使我深受感動和啟迪。③控制方法的改進(jìn)，本文研究的帶前饋控制環(huán)節(jié)和PID反饋的控制，控制中的PID控制器參數(shù)是固定不變的，使得PID控制適應(yīng)性較差，如何準(zhǔn)確而又實(shí)時的在線調(diào)整PID控制器的參數(shù)是進(jìn)一步提高控制效果的關(guān)鍵。③針對壓電執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象，本文提出并研究了帶前饋控制環(huán)節(jié)和PID的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，利用已得到的傳遞函數(shù)在MATLAB中采用ZieglerNichols法仿真得到PID控制器的參數(shù)，簡化了參數(shù)整定過程。本文的主要研究工作和成果包括：①針對理論上難以建立微夾鉗位移模型，通過實(shí)驗(yàn)的測試，得出壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動電壓與微夾鉗夾持臂的輸出位移間的關(guān)系，再通過最小二乘辨識和MATLAB的系統(tǒng)辨識功能來完成位移模型的建立。該微夾鉗要能產(chǎn)生理想的位移和適中的夾持力，控制合適的驅(qū)動電壓是關(guān)鍵。設(shè)計(jì)的信號處理電路包括放大、濾波、零偏校正電路組成，并對其的性能進(jìn)行分析。所以可以得出整定后的參數(shù)為： ， Ziegler Nichols整定方法系統(tǒng)框圖 Ziegler Nichols整定方法原理圖 Ziegler Nichols法參數(shù)設(shè)置表調(diào)節(jié)方式PPIPID②臨界振蕩法同樣是階躍信號輸入,令積分時間常數(shù) 趨于+ ∞，微分時間常數(shù)趨于0，即Ki = 0， Kd = 0，調(diào)節(jié)Kp使輸出出現(xiàn)等幅振蕩,記下系統(tǒng)的臨界比例度 和振蕩周期 。因此，本文利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算仿真能力，快速地仿真得到使PID控制系統(tǒng)達(dá)到滿意性能指標(biāo)的參數(shù)，簡化了參數(shù)整定過程，縮短利用工程整定方法來整定參數(shù)的時間。它是根據(jù)被控對象的特性確定PID控制器的比例系數(shù) 、積分時間和微分時間。這就是說，在控制器中僅引入比例項(xiàng)是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是微分項(xiàng)，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。③ 微分(D)控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項(xiàng)。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。 PID控制(1) PID控制簡介PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單，魯棒性好和可靠性高被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過程，至今仍有90％左右的控制回路具有PID結(jié)構(gòu)。針對上述情況，本章根據(jù)前一章得到的微夾鉗位移模型，提出并研究了基于這一模型的前饋補(bǔ)償和PID反饋控制。 信號處理電路的紋波電壓 引言控制方法一般可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制系統(tǒng)由于不能提供修正誤差的反饋量，控制效果在很大程度上取決于力/位移數(shù)學(xué)模型的精確度，并且要求控制器的性能高度穩(wěn)定，這些在當(dāng)前是較難實(shí)現(xiàn)的。取其大者，%。，電路放大倍數(shù)為40/200時，最大絕對誤差 ，由式()，可得信號放大處理電路的非線性度。通過調(diào)節(jié)的阻值來調(diào)節(jié)集成放大器正輸入端的電壓，使其與負(fù)端的偏差信號通過放大器比例相加，從而使輸出為零。所以選擇有源二階濾波器。 AD620的規(guī)格特性項(xiàng)目規(guī)格特性備注增益范圍1~1000只需一個電阻即可設(shè)定電源電壓 ~ 18V可用電池驅(qū)動，方便應(yīng)用于便攜式儀器中低耗電量Max supply current = mA精確度高40 ppm maximum nonlinearity。 AD620引腳圖 AD620與同原理的三片放大器組成的放大電路的比較根據(jù)（）式可知，只要調(diào)節(jié)就可以調(diào)節(jié)整個電路的放大倍數(shù)。在第一級電路中，vv2分別加到UU2的同相端，放大后的輸出為，R1和兩個R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入深度負(fù)反饋，再根據(jù)運(yùn)放的虛短、虛斷原理，可以得出： ()該放大電路的第一級由于是深度電壓串連負(fù)反饋電路，所以它的輸入電阻很高。 信號處理電路因?yàn)椴钅Ｐ盘栂鄬τ诠材Ｐ盘柼?，所以容易被噪聲淹沒，并且電路板微小的溫度變化就會引起很大電壓漂移。為了使接線盡可能簡單，我們采用了惠斯通電橋。根據(jù)以上分析，壓電陶瓷產(chǎn)品的驅(qū)動電源應(yīng)該具有如下特點(diǎn)： ①在實(shí)際應(yīng)用中，壓電陶瓷產(chǎn)品的輸出位移應(yīng)是連續(xù)的，這就要求驅(qū)動電源的輸出控制電壓連續(xù)可調(diào)；②壓電陶瓷產(chǎn)品輸出位移對外加驅(qū)動控制電壓的響應(yīng)速度，主要取決于驅(qū)動電源的上升時間，故需要驅(qū)動電源有很高的響應(yīng)速度；③為降低蠕變效應(yīng)的影響，驅(qū)動電源中應(yīng)有供容性負(fù)載的快速放電回路；④由于壓電陶瓷驅(qū)動器主要應(yīng)用于微米／納米技術(shù)領(lǐng)域，所以驅(qū)動電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性，其輸出紋波電壓應(yīng)控制在很小的范圍內(nèi)；⑤為實(shí)現(xiàn)位移的自動控制，驅(qū)動電源應(yīng)與計(jì)算機(jī)有通訊接口，可以由計(jì)算機(jī)控制設(shè)定電壓等參數(shù)。壓電陶瓷產(chǎn)品的工作過程如同一個電容器。通過返回的應(yīng)變信號來決定電壓大小。由于在后面的位移控制系統(tǒng)中需要微夾鉗的位移模型，本文采用最小二乘法和MATLAB的系統(tǒng)辨識工具箱建立模型，選其效果最佳者作為組成后面要講到的微夾鉗控制系統(tǒng)的位移模型。針對這些粘附力研究相應(yīng)的方法來克服。本章主要講力/位置傳感，微裝配與微操作過程中，微夾鉗最基本的功能是夾持、保持和釋放被操作物體。經(jīng)過MATLAB系統(tǒng)工具箱的辨識，發(fā)現(xiàn)三階的ARX模型的擬合效果較好。運(yùn)行的結(jié)果為：= [ ] 從而可以確定出被測對象的傳遞函數(shù)為：頻域測定的主要過程是對被研究對象施加不同頻率的正弦波，測出輸入信號與輸出信號之間的幅值比和相位差，從而獲得被測系統(tǒng)或?qū)ο蟮念l率特性。Q(m,2)=s(m)。B=b*。 b=zeros(600:1)。for m=1:600。假設(shè)二階線性最小相位系統(tǒng)可以用如下的傳遞函數(shù)表示： ()在零初始條件假設(shè)下，在t=0時刻給定一個高度為h的階躍輸入u(t)，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為y(t)，y(t)中包含的自噪聲干擾為。數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)測定的主要方法有：時域測定法、頻域測定法、統(tǒng)計(jì)相關(guān)測定法。當(dāng)微夾鉗的夾爪與被夾持物作用時，應(yīng)變片的輸出信號同時受壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動力和夾持力的影響，因此，此時的應(yīng)變片輸出信號同時包含了微夾鉗夾爪位置信號和夾持力信號，而此時夾爪位置已經(jīng)確定。應(yīng)變片電橋輸出電壓與驅(qū)動電壓之間的關(guān)系曲線。當(dāng)將懸臂梁的尺寸h= mm時，電橋輸出電壓V133 mV?？筛鶕?jù)所需夾持力大小，利用式()來設(shè)計(jì)懸臂梁的尺寸及選擇應(yīng)變片的型號。(a) (b)(c),：(a) Entran公司ESB020500,(b) Entran公司ESU0251000,(c) 國產(chǎn)HU1011K 半導(dǎo)體應(yīng)變片特性參數(shù)型 號基底尺寸(mm2)硅片尺寸(mm3)電阻值()靈敏系數(shù)()電阻溫度系數(shù)(1/)靈敏溫度系數(shù)(1/)最大工作溫度()工作電流(mA)極限應(yīng)變()ESB020500無基底1不詳5001555%%%73315103000ESU0251000無基底不詳10001555%%%73315103000HU1011K54310001505%%%80126000測量夾持力的應(yīng)變片粘貼在與夾爪相連的柔性梁上，應(yīng)變片的輸出信號（電橋電壓）不受壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動力的影響，僅與夾持力有關(guān)，即當(dāng)壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動夾爪閉合時，在夾爪未與被夾持物接觸前，應(yīng)變片無信號輸出，當(dāng)夾爪與被夾持物接觸產(chǎn)生夾持力時，應(yīng)變片有信號輸出，在進(jìn)行合適的標(biāo)定后，可通過應(yīng)變片的輸出信號知道加持力的大小。壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高，頻率響應(yīng)高，體積小。對于半導(dǎo)體電阻，式中是沿某晶向的壓阻系數(shù)，為半導(dǎo)體材料的彈性模量。應(yīng)變式傳感器是利用金屬或半導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)，將測量物體的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化的傳感器。因此，在微夾鉗中，力和位置的傳感方式一般相同，主要有應(yīng)變式、壓電式、電容式和光電式傳感器四種。微裝配與微操作的操作對象一般很小且易碎，為了避免損壞被夾持物，常常需要有力傳感器感知夾持力并構(gòu)成反饋對夾持力的大小進(jìn)行控制。 Difference of manipulation.粘附力主要包括：范德華力、表面張力、靜電力等[48]。此外還講了的基于單片柔順機(jī)構(gòu)微夾鉗的工作原理。實(shí)現(xiàn)微夾鉗的位移傳遞/放大以及力傳遞的單片柔順機(jī)構(gòu)安裝在基座上，壓電疊堆執(zhí)行器一端與單片柔順機(jī)構(gòu)的末端接觸，一端與固定在基座上的擋板接觸，通過調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)初始預(yù)緊力。在夾持物體時，微執(zhí)行器的伸長推動單片柔順機(jī)構(gòu)的杠桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)而帶動平行四邊形機(jī)構(gòu)變形使夾爪閉合；當(dāng)微執(zhí)行器恢復(fù)原狀時，在柔性鉸鏈彈力作用下兩夾爪張開以釋放物體。桿CD、B1C、B1BA1B2和A1A2分別用序號i＝1, 2, 3, 4, 5, 6表示，各桿的長度用(i＝1, 2, 3, 4, 5, 6)表示。平行四邊形機(jī)構(gòu)的作用是將杠桿機(jī)構(gòu)的輸出位移進(jìn)一步放大，并且保證夾爪平行移動。(a)(b)所示。如果要得到更大的放大倍數(shù)的機(jī)構(gòu)，可以采用以上常見幾種機(jī)構(gòu)的級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，如杠桿差動式放大機(jī)構(gòu)，杠桿機(jī)構(gòu)與平面四桿機(jī)構(gòu)級聯(lián)等，在此不再贅述。可以得到與輸入位移垂直的輸出位移。如圖所示為二級杠桿放大機(jī)構(gòu)，根據(jù)杠桿原理， ()(a)所示放大機(jī)構(gòu)為方向驅(qū)動，即輸出位移與輸入位移方向相反。雙邊直圓柔性鉸鏈軸向剛度的簡化公式： ()通常情況下，雙邊直圓柔性鉸鏈的軸向剛度遠(yuǎn)大于其彎曲剛度。從結(jié)構(gòu)上看，單邊切口型柔性鉸鏈相當(dāng)于雙邊切口柔性鉸鏈的一半，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，可以滿足不同結(jié)構(gòu)的需要[144]。根據(jù)切口方式分為雙邊切口（Doublenotch flexure hinges，(c)）和單邊切口(SingleNotch flexure hinges，(d))柔性鉸鏈。柔性鉸鏈雖然只能提供有限度的轉(zhuǎn)動角度，但是具有無摩擦、無磨損、無滯后、不需潤滑、維護(hù)簡單等特點(diǎn)，同時還具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、無運(yùn)動間隙和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械、精密測量、微米/納米技術(shù)等領(lǐng)域構(gòu)成高精度定位機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)。柔順機(jī)構(gòu)在微型水平上的優(yōu)勢在于：1) 能在平面內(nèi)制作；2) 不需要安裝；3) 所需空間小而且簡單；4) 很少需要潤滑；5) 可減少摩擦和磨損；6) 可減少由于鉸鏈產(chǎn)生的間隙，從而導(dǎo)致高精度；7) 可把儲能元件（彈簧）和其他元件集成到一起。柔順機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在兩方面：降低成本（減少零件數(shù)目，減少裝配時間，簡化制造過程）和提高性能（提高精度，增加可靠性，減少摩損，減輕重量，減少維護(hù)）。由于微夾鉗尺寸一般很小，因此微夾鉗中的力/位移傳遞機(jī)構(gòu)常采用柔順機(jī)構(gòu)。光壓所能提供的操作力很小(－10 pN)，且非常不可靠。利用液體凍結(jié)產(chǎn)生的吸附力可以完成對微小物體的操作，吸附力可達(dá)1N/mm2，但是夾持－釋放周期較長，不利于快速裝配與操作。這種方式操作精度相對較低，且不能用于夾持多孔物體，也不能在真空下操作。利用摩擦力夾持物體的微夾鉗一般要求被夾持物體至少有兩個接觸面，對被夾持物材料特性、尺寸及操作環(huán)境等無特殊要求，可夾持非常小的物體，但在釋放物體時需考慮克服粘附力，一般需采用力反饋控制以防止損壞易碎物體。 國產(chǎn)PTBS200壓電陶瓷微致動器 國產(chǎn)PTBS200壓電陶瓷微致動器技術(shù)指標(biāo)型 號外形尺寸(mm)標(biāo)稱位移(μm at 150V)10%最大位移(μm at 200V)10%最大推力(N)剛度(N/μm)靜電容量(μF)20％PTBS200/5 5/185518182370040微夾鉗夾持方式和微夾鉗的驅(qū)動方式是兩個不同的概念。④輔助模塊輔助模塊主要包括一些機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝裝置，例如：用于固定微夾鉗結(jié)構(gòu)和驅(qū)動器的安裝底座，驅(qū)動器與夾持模塊的連接結(jié)構(gòu)等。位置的測量也可由微裝配系統(tǒng)中的視覺伺服系統(tǒng)完成。②傳感器集成在微夾鉗中的傳感器包括：力傳感器、位置傳感器以及感知被夾持物是否被成功夾持的傳感器等。其中,Xout和Fout為微夾鉗夾爪期望輸出的位移和力的值，Uxin和Ufin為對應(yīng)的預(yù)輸入的電壓, Ux1和Uf1為需要補(bǔ)償?shù)碾妷?。采用惠斯通半橋檢測應(yīng)變片的信號，由于共模信號很大,而差模信號很小,所以要通過高增益、低漂移的差分放大電路才能穩(wěn)定輸出電壓電壓變化，然后才能通過A/D轉(zhuǎn)換采樣，最終將采樣的數(shù)據(jù)送入上位機(jī)。課題任務(wù)：已設(shè)計(jì)的一種基于雙邊且看和單邊切口直圓柔性鉸鏈的微夾鉗的單片柔順結(jié)構(gòu)，并采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)位移放大的同時保證微夾鉗鉗口平行移動。因此，集成力傳感器的控制系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于微夾鉗系統(tǒng)中。上文中提到的法國ENSMMUFC實(shí)驗(yàn)室研制的利用壓電晶體作為驅(qū)動的微操作手，它有兩種方式檢測檢測離得大小：利用壓電晶體本身檢測力，一個指尖在給電壓后產(chǎn)生變形施加力，另一個指尖在受力后變形產(chǎn)生電荷，檢測出該電荷，得出施加力的大??；另一種方法是利用激光檢測指尖點(diǎn)變形得到力。這項(xiàng)技術(shù)的其中一個應(yīng)用就是原子力顯微鏡(AFM)，[31]。圖 電容微力傳感器 圖 二維PVDF微力傳感器某些材料在受到機(jī)械壓力時將產(chǎn)生電場，國內(nèi)外研制了多種基于材料的這種壓電效應(yīng)的傳感器[27,28]，[29]。還有一種安裝方式是將應(yīng)變片安裝在微夾鉗的鉗口，[25]。變片通常是用金屬箔或者半導(dǎo)體材料制成。目前已經(jīng)利用微機(jī)械技術(shù)制造出各