基于Preisach模型的压电陶瓷执行器线性插值法迟滞位移研究

论文介绍了基于Preisach模型的迟滞特性建模方法.通过一系列实验数据建立了Preisach模型,研究了如何应用线性插值法和BP神经网络方法进行任意Preisach函数X（α,β）值的求解,从而计算得到相应电压序列的位移,分析比较了两种方法的预测结果.实验表明,基于Preisach模型的线性插值方法方法可以更好地预测压电陶瓷执行器的迟滞位移.     

菱形微位移压电作动器输入输出杂交建模

针对某定位装置,研究了一种新型菱形微位移压电作动器,该压电作动器由压电堆、菱形位移放大机构以及柔性铰链组成。菱形微位移压电作动器的核心驱动部件为压电堆,由于压电材料的迟滞特性,菱形压电作动器具有非线性迟滞特性。为了消除迟滞对压电作动器在后续控制中的影响,发展了一种Preisach杂交建模的方法,该方法在传统Preisach模型的基础上,有效结合了Preisach离散模型和支持向量机(support vector machine,简称SVM),建立了微位移压电作动器输入输出杂交模型。试验结果表明,SVM有效解决了因1阶滞回曲线数量不足而导致Preisach模型精度低的问题,同时与传统Preisach模型相比,杂交建模能更准确地描述迟滞特性,具有更高的精度。     

压电微操作平台的复合控制

由于压电驱动器的迟滞现象会使微操作平台出现非线性问题,严重影响了其运动精度和重复定位精度。为了解决该问题,提出一种前馈补偿同反馈调节相结合的复合控制算法。联合离散Preisach模型与支持向量机建立反映平台迟滞现象的理论模型,基于该模型采用迭代搜索方法得到离散Preisach逆模型,根据该逆模型对平台进行前馈补偿。反馈调节采用比例-积分-微分(propotion-integral-derivative,简称PID)控制,以校正前馈补偿无法消除的偏差及由模型不确定性所引起的误差。为了说明所提出的控制方法的可行性,对复合控制、前馈控制和PID进行实验验证比较分析,实验结果表明,所提出的控制方法具有更好的控制精度和响应快速性。     

基于最小二乘支持向量机的压电作动器迟滞非线性建模及参数辨识

为了辨识压电作动器应用中迟滞非线性特性,采用Preisach模型与最小二乘支持向量机（LS-SVM）的混合建模法构建压电作动器模型以表征其迟滞非线性。在Preisach模型基础上采用一阶回转曲线法求得α-β平面内的迟滞单元加权系数,以迟滞单元形心和加权系数作为训练模型的输入输出,利用遗传算法对模型参数进行了辨识。数值仿真验证了建立的模型能精确描述压电作动器迟滞非线性特性,仿真结果与实验结果的相对误差在0.12%~2.01%之间,证实了模型的有效性。     

压电陶瓷执行器迟滞特性的 广义非线性Preisach模型及其数值实现

压电陶瓷执行器的迟滞非线性不具有经典Preisach模型的次环一致特性,直接利用该模型对压电陶瓷执行器的迟滞特性建模会产生较大误差。为了提高压电陶瓷执行器的迟滞特性建模精度,在非线性Preisach模型的基础上推导得到适用于压电陶瓷迟滞特性的广义非线性Preisach模型,并给出简化分类计算公式。广义非线性Preisach模型将经典Preisach模型表示定理中的次环一致特性修改为次环等弦长特性,放宽了对描述对象的限制要求。实验数据表明,与经典Preisach模型相比,广义非线性Preisach模型预测位移的误差绝对值的最大值降低了0.22 μm,均方根误差降低了0.11 μm,能够更精确地描述压电陶瓷的迟滞特性。     

基于压电驱动器的微动平台开环精密定位控制研究

针对压电驱动器的非线性和迟滞特性,首先介绍了一种基于迭代学习控制的压电驱动器的快速电压/位移线性化方法,利用此方法所得的线性化数据对二维微动平台进行了开环精密定位控制;然后介绍了采用改进的Preisach模型对压电驱动器的迟滞特性进行建模的方法,并利用此模型也进行了开环精密定位控制研究。试验结果表明,两种方法均能达到亚微米级的开环定位精度,且前者定位精度稍优于后者,但是当控制序列发生转折时,前者必须先回到零电压或者饱和控制电压,才能进行下一次定位控制,而后者可以实现任意序列的连续控制。     

Preisach磁滞模型在超磁致伸缩驱动器中的应用研究

在对所设计的超磁致伸缩驱动器(GMA)结构与其工作中磁滞非线性现象详细介绍的基础上,利用Preisach经典模型分析建立了能精确描述GMA磁滞特性的Preisach磁滞预测数值模型,设计了其输入校正迭代算法逻辑,并经定位实验成功,验证了对GMA工作的非线性补偿,有效提高了GMA输出位移的精确性。     

快速伺服刀架迟滞特性的Preisach建模

使用压电陶瓷作驱动元部件的快速伺服刀架是一种新的加工手段。本文介绍了基于Preisach模型的快速伺服刀架迟滞特性建模方法。作为快速伺服刀架的驱动元部件,压电陶瓷微位移器自身的迟滞、蠕变等非线性特性严重影响了快速伺服刀架的动态性能。为了精确建立快速伺服刀架的迟滞模型,给出了Preisach模型的数字表达方式,通过一系列实验测得的数据证明快速伺服刀架系统具有一致特性与擦除特性,满足Preisach模型的两个必要条件,最后在实验数据的基础上建立了基于Preisach模型的迟滞特性模型。实验表明,该迟滞模型可以很好地预测快速伺服刀架的迟滞位移曲线,其预测误差不超过0.65 μm。     

压电驱动器的非线性模型及其精密定位控制研究

压电驱动器的非线性特性和迟滞特性是影响微动平台定位控制精度的主要因素。采用改进的Preisach模型对压电驱动器的迟滞特性进行建模，利用建立的Preisach模型进行开环精密定位控制和作为PID反馈控制的前馈环节的研究。实验结果表明，该模型能够有效地降低非线性迟滞特性对压电驱动器位移输出精度的影响，提高驱动器的动态响应特性。     

基于进化SVM的洞室位移非线性时间序列智能分析

考虑地下工程的复杂性和洞室围岩变形的非线性特点,提出了一种利用遗传算法优化支持向量机参数的进化支持向量机围岩位移时间序列预测方法.该方法不但克服了神经网络的过学习问题,也解决了支持向量机的参数选取问题.基于该方法,结合数据库技术建立洞室位移变形非线性时间序列计算机智能分析系统.将该系统用于水布垭电站地下厂房交通洞监测位移分析,获得满意的预测精度.     

Hybrid model based on Preisach and support vector machine for novel dual-stack piezoelectric actuator

This paper presents a hybrid model for piezoelectric actuators (PAs), which accounts for hysteresis and dynamic effects. The hybrid model is based on discrete Preisach model and Support Vector Machine (SVM). The Preisach model is generally implemented using a numerical technique basing on the first-order reversal curves (FORCs). The accuracy of the Preisach model mainly depends on the number of FORCs. However it is generally difficult to achieve enough number of FORCs in practice. In order to promote the modeling efficiency, firstly in Preisach modeling process, the storage method of prehistory and interpolation approach of output are improved; then SVM is employed in the work to circumvent the deficiency of the Preisach model resulting from the lack of FORCs, which produces a hybrid model based on the improved Preisach model and SVM. This hybrid model is implemented in calibration of a piezoelectric stack actuator and validated experimentally. Finally, a novel dual-stack PA is introduced and calibrated with this hybrid model. The results demonstrate that the presented hybrid model possesses the advantages both of SVM and Preisach model. In comparison with pure Preisach model, the hybrid model has higher accuracy and is easier to be obtained without increasing the number of FORCs. In addition, the inverse model for PA is derived from the hybrid model, which can be employed in active vibration control of structures.     

一种新的混合Preisach迟滞模型及其性质研究

压电陶瓷执行器物理结构复杂,应用参数化方法辨识经典Preisach模型描述其迟滞特性时,难以找到合适的Preisach函数,模型预测误差较大。为了提高建模精度,定义了均值迟滞模型作为经典Preisach模型的补充,将均值迟滞模型与经典Preisach 模型加权叠加得到一种新的混合Preisach模型,并将权值定义为迟滞度参数,用以描述模型的迟滞非线性强烈程度。同时证明了混合Preisach模型具有类似于经典Preisach模型的擦除特性和一致特性,给出了混合Preisach模型表示定理。最后结合神经网络完成了混合Preisach模型的辨识过程。实验数据证明,在三角波信号下和衰减正弦信号下,混合Preisach模型的预测误差较经典Preisach模型分别降低了1.77 和1.26 。     

压电微位移台的动态迟滞建模及实验验证

为了提高压电微位移平台快速定位的精确度,建立了一种表征压电微位移平台驱动电压与输出位移关系的定位模型。考虑压电工作台在快速、大行程精确定位过程中会受压电陶瓷迟滞特性及本身动态特性的影响,本文采用BoucWen模型描述压电陶瓷迟滞特性,并结合压电工作台的动态特性进行共同建模,使模型同时体现压电工作台的动态特性与迟滞特性。为了验证模型的正确性,搭建了基于压电微位移平台和相关驱动器的实验设备对模型进行了实验验证,并进行了测控程序的二次开发。研究结果表明,与单纯的Bouc-Wen模型相比,提出模型在最大位移输出为40μm,输入电压频率为40Hz时的最大误差由3.04μm下降到了0.67μm,此时最大相对误差为1.68%。得到的结果验证了提出的模型可较好地模拟压电工作台的迟滞特性与动态特性,大大提高压电微位移平台在快速、大行程定位中的精确度。     

压电驱动微型精密夹持机构设计与实验研究

为了简化压电精密夹持机构的结构以及降低其加工制造难度,提出了一种基于柔性铰链和两夹持臂的压电微型精密夹持机构,并分析了该夹持机构的工作原理。利用压电材料的非线性应变关系建立了压电精密夹持机构的输出位移和受力模型,通过数值仿真分析了精密夹持机构的输出特性。搭建了实验平台,通过实验测试验证了压电精密夹持机构的输出性能以及理论模型的正确性。结果表明：两夹持臂的实验与仿真位移均存在迟滞现象,在120 V驱动电压下,两夹持臂的最大径向位移测试值分别为73.8 μm和68.6 μm;当驱动电压大于50 V时,夹持臂输出位移测试值与仿真值间的误差在10%以内;当驱动电压为120 V时,夹持机构最大切向和轴向摩擦夹持力的实验值分别为7.8 N和5.7 N。     

补偿压电陶瓷迟滞和蠕变的逆控制算法

研究了用于扫描探针显微镜,特别是原子力显微镜(AFM)中的扫描器高精度定位问题。压电陶瓷驱动器通常用于这种扫描器中,在无补偿的开环控制期间,它在输入电压和输出位移之间表现出明显的迟滞和蠕变。迟滞和蠕变降低了扫描器的定位精度并使扫描图像出现了畸变。给出了迟滞和蠕变模型及参数的在线辨识方法。在AFM的扫描控制中,使用基于该模型的逆控制算法补偿了压电陶瓷的迟滞和蠕变。在分析中,Preisach迟滞模型和对数蠕变模型被用于描述压电陶瓷驱动器的非线性。由于该方法不需要在控制过程中进行参数设置,因此很容易使用。此外由于是开环控制方法,可以具有更好的分辨率。闭环操作能够给出较好的迟滞和蠕变补偿,但由于在高带宽情况下传感器动态范围的限制,对于小扫描区域或样本特征,它减小了成像的分辨率。三角波轨迹跟踪的仿真结果说明轨迹误差在传感器噪声量级上,证明了这个方法的有效性。