为丰富宏微平面运动装置形式, 该文提出了盆架状压电作动器。设定盆架状结构的一阶面内对称弯振模态和二阶反对称纵振模态为工作模态, 利用粘附于盆架状作动器表面的压电陶瓷激发工作模态振动, 迫使驱动足同时沿xOz、yOz面做椭圆轨迹行进以推动移动体。根据传递阵力学原理, 构造作动器各单元的振动传递方程, 在确定各单元间连接与传递条件及作动器压电边界条件基础上, 建立了作动器的半解析性机电耦合传递矩阵模型, 编制了模型的解算程序。建立作动器的多目标优化数学模型, 求得其优化结构尺寸。为印证半解析理论模型, 还构建了作动器的机电耦合有限元数值模型。传递阵模型与数值模型解得的作动器工作模态频率差分别为177 Hz和191 Hz, 求取驱动足在x、y、z向的振幅分别为2.95 μm、3.27 μm、1.37 μm及3.12 μm、3.61 μm、1.82 μm, 表明了半解析模型的有效性。结果表明, 该文提出的结构设计与驱动原理相结合的作动器分析方式, 为优化压电作动器性能开启了新思路。

针对压电叠堆作动器的率相关迟滞非线性特性, 该文提出了一种基于asymmetric unilateral backlash(aubacklash）算子的BP神经网络率相关迟滞建模方法。首先提出了改进的aubacklash算子, 改善了Prandtl-Ishlinskii(PI）模型backlash算子在原点处残余位移及严格中心对称的问题; 其次分析了压电叠堆作动器迟滞的率相关记忆特性, 提出了率相关BP神经网络迟滞模型; 最后搭建了迟滞建模精度评估系统, 采用Levenberg-Marquardt(L-M）算法辨识aubacklash算子模型参数, 确定了BP神经网络模型最优结构参数。实验结果表明, 在高、低单一频率及混合频率下, BP神经网络模型较PI模型均方误差降低了70.90%~89.98%, 相对误差降低了70.69%~89.84%, 验证了该模型的精度与频率适应性。

针对单板式压电作动器动力小、速度低等问题，为丰富宏微直线作动器形式，该文提出基于双作动板式定子的压电直线作动器。选定双作动板的一阶纵振和二阶弯振为作动器工作模态，利用纵振驱使动子滑移，借助弯振实现驱动足与动子的动态接触与分离。阐释了双作动板推动动子前移的过程，推导出驱动足的椭圆轨迹方程及椭圆形成条件。优化出定子结构尺寸为45.3 mm×11.2 mm×6 mm，实现了两工作模态的简并。建立了定子机电耦合分析模型，解算出两相工作模态的振型，求得两相模态频率分别为34 994 Hz和34 998 Hz，模拟出驱动足的椭圆行进轨迹，求得定子的调压及调频振动特性。测试表明，当驱动电压的幅值和频率为250 V、34 938 Hz 时，驱动足的x、z向振幅分别达1.34 μm和2.73 μm，足以推动动子移进。设计了双板式作动器的装配结构，建立了其三维装配模型。该作动器有望输出较大动力与速度，具有广阔的应用前景。

为了进一步拓展压电式挠性驱动的研究和大包角挠性驱动机理, 该文提出了一种用于挠性驱动的双足压电作动器。压电作动器结构为带有两圆柱驱动足的方形截面梁, 在驱动足外圆柱面加工螺旋槽, 既保证了挠性丝与驱动足的充分接触, 又使挠性丝缠绕多圈时不会相互影响。根据设计思路, 使用ANSYS有限元分析软件建立压电作动器的有限元模型, 并确定其合适的工作模态。结果表明, 利用有限元分析可得到压电作动器的两同频正交二阶弯曲模态的固有频率为27.8 kHz。通过理论分析与数值模拟探索了正压力及包角大小对驱动效果的影响, 并在一种旋转直线超声电机振子上验证其可行性。

针对现有临床上所用的圆窗激振式人工中耳作动器存在的低频增益不足, 与圆窗膜尺寸不匹配及初始压力不可控的问题, 结合人耳解剖结构, 设计了一款带有弯张放大器的新型压电作动器。为了辅助设计该作动器, 建立了作动器有限元模型及作动器-人耳耦合力学模型。基于该模型, 对作动器弯张放大器、支撑弹簧、耦合杆端面的关键参数进行了优化分析。通过实验对所设计的压电作动器的频响特性、总谐波失真进行测试。结果表明, 所设计的压电作动器工作频带宽, 低频性能优越; 最大谐波失真仅为2.36%, 满足助听装置清晰度要求。

针对压电陶瓷作动器自身存在的迟滞特性, 且在高频信号下迟滞现象更严重的问题, 该文提出了一种基于单输入单输出关系建立的改进Duhem模型。根据实验测得压电陶瓷作动器输入输出数据, 采用差分进化算法辨识得到作动器的参数化模型, 并通过与经典Duhem模型进行对比, 验证了该模型的有效性。实验结果表明, 与经典Duhem模型相比, 改进Duhem模型在输入频率为1 Hz、20 Hz、60 Hz和100 Hz时, 相对误差下降了0.012 1~0.031 5, 均方根误差下降了0.377 7~1.224 8 μm, 证明了该文所提出模型的有效性。

针对压电陶瓷作动器的率相关特性降低应用端控制精度的问题,该文研究了基于Hammerstein-like模型的内模控制策略。其中非线性部分由最小二乘支持向量机模型表示, 动态线性部分由自回归历遍模型表示。在此基础上构建了系统逆模型, 设计了内模控制器以实现对压电陶瓷作动器的跟踪控制, 最后通过实验平台进行了验证。实验结果表明, 实时跟踪100 Hz内的期望信号相对误差均小于10%, 证明了所设计内模控制方案的有效性。

为达到在脉动气流激励下抑制风洞模型振动的目的, 该文提出了基于压电陶瓷作动器神经网络模型的风洞模型主动振动控制方法, 并进行了实验研究。首先, 分析了风洞模型系统振动特性, 建立了内嵌式压电陶瓷作动器的主动振动控制系统, 通过模型质心加速度推算出压电陶瓷作动器期望输出抑振力。然后, 建立了压电陶瓷作动器期望输出抑振力-激励电压的神经网络模型, 并根据该模型设计了一种实时解算加速度为激励电压的控制方法。最后, 通过地面试验对控制方法的有效性进行验证。实验结果表明, 该控制方法具有良好的实时性和鲁棒性, 在锤击试验中, 振动加速度衰减时间相比于压电方程线性控制时减小了54.46%, 系统阻尼比增大了1.58倍, 取得了良好的控制效果。

压电陶瓷作动器被广泛应用于精密定位和控制中，但其本身存在的非对称迟滞非线性特性，严重影响了系统的定位和控制精度。针对这一问题，提出了一种基于广义Bouc-Wen模型的非对称迟滞建模方法，并利用差分进化算法辨识模型参数; 基于所建的广义Bouc-Wen模型构建了其具有解析形式的迟滞逆模型，并设计了内模控制方案实现对压电陶瓷作动器的精密跟踪控制; 最后在压电陶瓷作动器实验平台，对所提出的建模和控制方案进行了实验验证。对压电陶瓷作动器的建模结果表明，系统建模误差均小于0.051 0，比经典Bouc-Wen模型的建模误差降低约21%～46%; 对100 Hz内幅值为20 μm的期望位移信号的控制实验结果表明，所提出的控制方法具有良好的实时跟踪性能和跟踪控制精度。对100 Hz期望信号的跟踪控制均方根误差为0.491 6 μm，相对误差为0.040 2 μm，可以很好地满足实际工程需要。

针对光学稳像系统的双向动态大行程的设计要求, 本文设计了一种可伸缩双向作动的压电作动器, 并基于此压电作动器设计了二自由度稳像机构。压电作动器由一个收缩式三角位移放大机构和一个伸张式三角位移放大机构组成。位移放大机构可为压电平台提供足够的行程, 柔性铰链可使平台结构更加紧凑。接着, 利用有限元分析软件ANSYS对平台结构进行静力学仿真, 模拟了平台的位移和应力变化。最后对原理样机进行了实验分析, 实验结果显示所设计压电平台在低电压和低频率下有足够大的行程和足够快的响应速度, 作动器在120 V电压下的输出位移在67 μm左右, 基本满足稳像系统的性能要求, 故平台结构的设计方案是可行的。