WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性建模与实验验证

为了模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间的迟滞曲线,通过采用Bouc-Wen模型模拟迟滞分量,提出了一种表征WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间迟滞关系的Bouc-Wen模型并建立了相应的参数辨识方法。为了验证Bouc-Wen模型及其相应的参数辨识方法的有效性,建立了相应的实验装置并对模型进行了实验验证。研究结果表明,Bouc-Wen模型的最大绝对误差为3.78μm,最大相对误差为5.79%,表明Bouc-Wen模型及相应的参数辨识方法能较好地模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性。     

压电执行器的Bouc-Wen模型在线参数辨识

现有的定参数Bouc-Wen模型由于无法表征压电执行器迟滞具有的频移和时变性,极易产生较大的模拟误差。为了精确地模拟压电执行器的迟滞特性,本文建立了压电执行器的Bouc-Wen模型,并采用递推最小二乘在线辨识方法来实时辨识Bouc-Wen模型的参数。为了避免出现数据饱和现象,使用限定记忆来限定辨识方法所使用的数据组数。为验证该辨识方法的有效性,建立了相应的实验系统对其进行实验验证。实验结果表明,限定记忆递推最小二乘在线辨识方法能使Bouc-Wen模型也呈现频移和时变特性。以100 Hz的驱动电压为例,其最大绝对模拟误差从1.38μm降为0.51μm。因此,与传统的离线参数辨识方法相比,限定记忆递推最小二乘在线辨识方法能够有效地提高Bouc-Wen模型的模拟精度。     

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。     

压电作动器非对称迟滞模型的建立和参数辨识

现有的众多基于传统Bouc-Wen改进的压电陶瓷非对称迟滞模型存在参数冗余,降低了模型参数辨识的准确性,而且常用的粒子群算法(PSO)在辨识压电陶瓷非对称迟滞模型参数方面收敛慢且容易陷入局部最优值。为此,首先提出了一种归一化的非对称迟滞模型,采用两个多项式达到非对称效果,利用归一化Bouc-Wen消除参数冗余;然后采用参数和变异策略自适应的差分进化算法进行迟滞参数辨识;建立了相应的测试系统,对压电陶瓷作动器进行了实验研究。结果表明,相比于传统的Bouc-Wen模型,所提出的模型能更精确地描述压电陶瓷实际电压位移曲线,而且消除了参数的冗余,降低了参数辨识的难度。相比于粒子群算法和传统差分进化算法,自适应差分进化算法能更快更精准地找到最优参数值。     

基于Bouc-Wen模型的压电执行器的前馈线性化控制器

本文提出并研究了利用Bouc-Wen模型构建压电陶瓷执行器的迟滞位移在线观测器的方法,并采用迟滞位移在线观测器构成前馈控制系统实现了压电陶瓷执行器的输出位移与输入控制电压之间迟滞关系的线性化。在此基础上设计了相应的数字控制算法,实现了一种基于数字信号处理器的前馈线性化控制器,建立了相应的实验装置并进行了实验验证。实验结果表明,当前馈线性化控制器的输入控制电压为频率0.5 Hz幅值5 V的正弦电压时(功率放大器放大倍数为20倍),压电陶瓷执行器输出位移的最大绝对误差和非线性度分别为1.25μm和2.37%;当前馈线性化控制器的输入控制电压为频率0.5 Hz幅值递增的三角波电压时,压电陶瓷执行器输出位移的最大绝对误差和非线性度分别为1.80μm和3.06%。采用DSP实现的前馈线性化控制器能够较好地实现压电陶瓷执行器输出位移与输入控制电压之间迟滞关系的线性化,而且由于是开环控制,成本较低。     

压电陶瓷作动器非对称迟滞的建模与补偿控制

针对传统Bouc-Wen模型不能反映压电陶瓷作动器迟滞的非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题,提出了一种改进Bouc-Wen模型,通过修改形状控制参数使其能够模拟压电陶瓷作动器的非对称迟滞曲线.利用粒子群优化算法辨识了所需的模型参数,进一步研究了基于模型的前馈补偿控制、前馈加PI反馈补偿控制对于实现高精度位移输出的效果;在开环前馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约42％;在前馈加PI反馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约20％.研究结果表明:在相同的控制方式下,采用改进Bouc-Wen模型能够得到比传统Bouc-Wen模型更高的轨迹跟踪精度;与单纯采用基于模型的前馈补偿控制相比,采用基于模型的前馈加PI反馈补偿控制可显著提高压电陶瓷作动器的位移输出精度.     

压电式快速控制反射镜的迟滞特性及线性化

针对压电式快速控制反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)的迟滞问题,分析了压电式FSM的工作原理和迟滞特性,建立了基于Bouc-Wen算子的压电式FSM的数学模型及其参数辨识方法。通过Bouc-Wen算子模拟压电式FSM输出镜面偏转角度中的迟滞分量,并根据在两个相位相同的输入驱动电压信号下压电式FSM的输出镜面偏转角度曲线辨识Bouc-Wen算子的全部参数。在此基础上,提出了压电式FSM的前馈线性化方法。为了验证提出的数学模型和线性化方法的原理,建立了压电式FSM及其线性化控制器的快速原型系统和Bouc-Wen算子参数辨识实验装置。实验结果表明:本文提出的参数辨识方法能够准确辨识压电式FSM的Bouc-Wen算子参数,提出的前馈线性化方法能够将压电式FSM的输出镜面偏转角度与输入控制电压的线性度提高到2.3%,迟滞误差减小到±0.5%,满足实际应用对精确控制压电式FSM的要求。     

压电陶瓷驱动器建模与控制技术的研究

由于压电致动器(PA)具有高带宽、高纳米位移分辨率和零机械摩擦等优点,其广泛应用于微/纳米操作、微/纳米定位和光学系统。然而,压电致动器的迟滞非线性却严重影响了其跟踪定位精度,甚至引起闭环系统失稳。为了模拟具有不对称特性的压电致动器的滞后特性和频率相关性,使用广义Bouc-Wen模型来描述压电致动器的滞后性并对该模型进行了参数辨识。然后,使用基于该模型的线性化反馈滑模控制器来改善压电致动器的迟滞非线性,最后采用MATLAB对压电致动器的位移与速度进行跟踪控制仿真,并对其位移误差进行仿真,以验证该模型的有效性,其显著提高了压电致动器的位移控制精度,有效提高了系统的鲁棒性,进而可显著提高双光子聚合加工系统的定位精度。     

压电陶瓷作动器非对称迟滞建模与内模控制

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20μm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 6μm,相对误差为0.040 2μm,可以很好地满足实际工程需要。     

基于相移麦克尔逊的压电陶瓷标定法研究

压电陶瓷因为其电致微位移而广泛得到应用,但不同型号与不同尺寸的压电陶瓷其所受电场而产生的微位移规律有所不同。论文构建了基于可调制直流电源输出驱动的压电陶瓷标定系统,介绍了其基本组成,并给出了所标定的WTDS-IB型压电陶瓷组的电压—微位移之间的关系及其迟滞曲线。实验表明,该标定方法和标定系统具有较高的稳定性。     

纯电力加载下压电陶瓷内环迟滞特性的实验研究

以典型压电陶瓷堆叠执行器为研究对象,对纯电力加载作用下压电陶瓷的内环迟滞行为进行了实验研究和分析。实验采用Sawyer-Tower方法获得了执行器的极化强度,利用高精度电容式位移传感器测量了执行器的输出位移,结合外围实验设备,通过计算得到了堆叠执行器在输入电压频繁折返过程中的电压-极化和电压-应变曲线。从压电陶瓷内部晶体的电畴转向角度出发,对其行为特性的产生机理进行了分析,给出了压电陶瓷堆叠执行器的建议工作区域。     

A velocity based active vibration control of hysteretic systems

Hysteresis is a property of systems that do not instantly follow the forces applied to them, but react slowly, or do not return completely to their original state. A velocity based active vibration control, along with a special class of hysteretic models using passive functions are presented in this paper. This hysteretic model is based on a modification of the Bouc-Wen model, where a nonlinear term is replaced by a passive function. The proposed class retains the rate-independence property of the original Bouc-Wen model, and it is able to reproduce several kinds of hysteretic loops that cannot be reproduced with the original Bouc-Wen model. Using this class of hysteretic models, a chattering velocity-based active vibration control scheme is developed to mitigate seismic perturbations on hysteretic base-isolated structures. Our hysteretic model is used because of its simplicity in proving the stability of the closed-loop system; i.e., a controller is designed using the proposed model, and its performance is tested on the original hysteretic system, modeled with Bouc-Wen. Numerical experiments show the robustness and efficiency of the proposed control algorithm.     

Bouc-Wen滞回模型的直接表示形式及其工程应用

Bouc-Wen模型广泛用于描述工程结构中的非线性滞回特性,然而该模型中的滞回恢复力与相对位移变形量的关系以微分形式给出,不能直接迭代滞回模型到系统运动控制方程, 从而增加了解析法分析系统动力响应的难度.文中提出采用直接表示形式代替Bouc-Wen的微分模型,在弱非线性情况下,假定滞回恢复力可以表示为相对变形位移的指数形式,并进一步用泰勒展开的方法表示为简单的多项式形式.通过实例分析,验证多项式直接表示模型的可行性,其中二阶近似形式比一阶近似形式更为接近微分模型.将该直接表示模型应用于单自由度振动系统中,发现系统的动力响应和采用微分模型的响应基本吻合,其中具有软特性的系统响应尤为接近.     

Parameter identification of Bouc-Wen model for MR fluid dampers using adaptive charged system search optimization

In this article, the charged system search (CSS) optimization method is improved to identify the parameters of a non-linear hysteretic Bouc-Wen differential model. The CSS is suitable for those optimization problems involving non-smooth or non-convex domains. Bouc-Wen is a well-established non-linear model which has been used to portray the hysteretic and high non-linear real behavior of numerous physical and mechanical systems. To improve the effectiveness and adaptability of the CSS algorithm, it is combined with sub-optimization mechanism. The obtained results show that the adaptive CSS embodies great robustness and accuracy to be successfully employed in such highly non-linear identification problems.     

压电陶瓷执行器的类Hammerstein模型及其参数辨识

针对压电陶瓷执行器的迟滞非线性对压电陶瓷精密定位的影响,提出了应用类Hammerstein模型对压电陶瓷执行器进行建模的方法.建立了压电陶瓷执行器的迟滞模型并且描述其频率相关性.利用类Hammerstein模型把压电陶瓷执行器看成静态迟滞模型和动态二阶系统的串联,其中静态模型由分类排序的Preisach模型进行描述,二阶系统应用遗传算法辨识其参数.实验结果表明:加入二阶系统后,类Hammerstein模型对频率的相关性有较大增强,其误差相应地大幅降低,在800 Hz时平均绝对误差为0.339 2 μm;丽由Prcisach建立的迟滞模型的误差随着频率的增大而大幅增大,在800 Hz为0.888 1 μm.     

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。     

KBM-HB分析方法在工程振动中的应用

以具有代表性的Bouc-Wen模型系统为算例,采用Krylov-Bogolyubov-Mitropolsky（KBM）法和谐波平衡（HB）法相结合的方法分析滞回系统在简谐激励下的动力响应特性.在一阶近似情况下,非对称滞回模型的系统动力响应中存在偶次和奇次谐波成分,而对称滞回模型的系统动力响应中仅存在奇次谐波成分.以智能振动压实系统为工程实例,分析现场施工过程中振动轮具有非对称滞回特性的垂直方向和具有对称滞回特性水平方向的振动响应.试验结果与理论定性分析相吻合,验证了KBM-HB方法可用于识别与检测工程振动中滞回系统特性分析.