压电陶瓷微位移系统的变参数PID闭环控制方法

针对压电陶瓷器件在精密定位控制中存在的迟滞、蠕变和位移非线性等不足,本文采用压电陶瓷直接粘贴应变片组成测量电桥作为位置反馈环节,设计了带上下限位的变参数PID闭环控制微位移系统,达到了预期的控制精度和效果.     

压电陶瓷微位移器的实验研究

 介绍了压电陶瓷微位移器的动、静态特性及其测量方法和实际测量系统。实验研究了逆压电效应型和电致伸缩型两种压电材料所构成的微位移器的性能。逆压电效应型微位移器位移线性度为０. １１％，重复精度±０. ０１μｍ，电压－位移灵敏度约为１μｍ／１００Ｖ。在２００Ｈｚ频段内，幅频特性平直，相频曲线呈线性，相位滞后量小于２５°；电致伸缩型微位移器的电压－位移呈非线性，所以位移量较大，对应电压５００Ｖ时，位移约为１２μｍ。微位移功能逆压电效应型适用于线性度要求较高的精密控制场合；而电致伸缩型则更适用于行程较大的控制情况。     

一种三自由度精密定位系统研究

为了满足航空制造领域中零部件精密装配系统对精密定位的需求,开发了一种基于柔顺机构的三自由度精密定位系统,具有两个移动及一个转动共3个自由度;采用3个封装压电陶瓷致动器驱动,封装压电陶瓷内置应变传感器以实现对压电陶瓷驱动器的闭环精确控制;使用3个激光位移传感器测量实际位姿。提出一种基于激光位移传感器的测量和运动学标定方法,试验结果表明X方向正弦轨迹误差为5.4%,Y方向正弦轨迹误差为8.18%。     

压电陶瓷在发动机推力测量中的应用研究

在发动机推力测量系统的原位校准中,运用了压电陶瓷驱动装置准确快速控制力值的方法,研制了原位校准自动化装置。该装置借助微机和自动控制技术,通过控制作用于压电陶瓷驱动装置上的电场强度改变其输出位移,达到精确控制力值的目的,实现原位校准自动化。试验结果表明,该装置可实现手动、半自动和全自动三种控制方式进行原位校准,加值准确度高,适用于所有喷气动力发动机的推力测量。     

超精密车削微量进给机构的试验研究

通过试验对超精密车削压电陶瓷微量进给机构进行了研究。文中分析了压电陶瓷的微位移特性，给出了整个机构的设计方法和性能．试验结果表明，该微量进给机构的分辨率达到０．０２５μｍ，频响范围０～２００Ｈｚ，能够满足超精密车削的需要．     

压电陶瓷驱动器的迭代学习逆补偿混合控制

由于压电驱动器具有迟滞、蠕变等非线性特征,在精密定位中存在较大的位移跟踪误差。本文对此提出了一种逆补偿和迭代学习控制算法相结合的控制方法。利用逆补偿器作为前馈,使压电陶瓷驱动器的位移跟踪误差得到一定的补偿,再利用迭代学习控制方法进行反馈,进一步减小压电驱动器的位移跟踪误差。仿真实验结果表明,该方法具有良好的控制效果,能够将驱动器的输出位移误差由37.26%减小到0.51%以内。     

Characterization and Microstructure of PLZT RAINBOW Ceramics

RAINBOW陶瓷是一种具有内部应力偏移，并具有特殊的拱形结构的大位移驱动材料，它是通过将普通的压电陶瓷在高温下化学还原制备所得。实验表明，PLZT压电陶瓷具有较好的还原性能，还原层厚度与时间有线性关系，理想的还原条件为：950℃保温1～1．5h；电镜照片显示RAINBOW陶瓷有明显的分层结构，还原层表现出穿晶断裂而未还原层则是沿晶断裂的特征。XRD谱发现还原层主要由金属Pb及PbO，ZrO2，ZrTiO4等氧化物组成，原先的晶体结构已不存在；还原机制的理论分析与实验结果一致。     

高精度压电陶瓷驱动电源的研制

为进一步提高压电陶瓷微位移系统的定位精度,设计了一种以PA93高压运放器为核心的高精度、稳定性好的大功率压电陶瓷驱动电源.重点阐述了系统设计方案,并对其中的关键技术和特性功能进行了分析讨论.实验结果表明,该驱动电源具有精度高、输出电流大、响应速度快、稳定性好的特点.当压电陶瓷等效容性负载为3μF时,能在1KHz内实现0V～ 10V到0V～100V的动态放大,电压输出精度可达0.1mV.     

压电陶瓷用于纳米定位系统的研究

压电陶瓷PZT用于纳米定位系统的研究，给出了一种二维纳米定位机构和有效消除压电陶瓷压电误差的方法，设计了闭环数字控制系统．实验表明：该定位系统行程10μm,定位精度10nm，定位分辨率达2nm．     

基于压电敏感元件的摩阻天平设计

摩阻天平是直接测量作用在飞行器模型表面摩阻的重要手段,本文介绍了一种基于压电敏感元件的压电效应进行摩阻天平设计的情况。天平主体采用悬臂梁结构,通过在悬臂梁上对称布置的压电陶瓷片进行摩阻的测量,利用压电陶瓷片的方向选择性来降低模型表面的压力对摩阻测量结果的交叉干扰。在设计中,利用有限元分析的方法,采用力电耦合模型,对天平的性能进行了评估分析。根据有限元分析的结果,设计制作了用于激波风洞试验的摩阻天平,并对摩阻天平进行了校准和风洞试验。结果表明,天平的灵敏度、频响和稳定性均能满足激波风洞摩阻测量试验的要求,通过压电陶瓷片的组合可以有效地降低模型表面分布不均匀的压力对摩阻测量输出的影响。     

直升机后缘襟翼驱动器迟滞现象仿真与抑制

直升机后缘襟翼多采用压电驱动器作为驱动元件，但是在使用过程中压电驱动器迟滞会对其振动控制性能产生不利影响，因此针对压电驱动器迟滞开展了迟滞建模与抑制研究。通过实验研究了压电驱动器在不同驱动频率下的迟滞特性，采用Bouc-Wen模型对驱动器迟滞现象进行了建模，并采用粒子群算法（PSO）辨识模型参数，与实际测量迟滞曲线进行了对比，在10~60 Hz范围内所建立的迟滞模型能够较为精确地描述压电驱动器迟滞现象。建立了基于Bouc-Wen逆模型的前馈补偿控制与PID反馈控制相结合的复合控制策略，实验结果显示该控制策略能够在10~60 Hz较宽的频率范围内有效抑制该压电驱动器迟滞现象。建立了考虑驱动器迟滞的主动控制后缘襟翼振动控制动力学模型，并对中等速度稳态前飞条件下后缘襟翼振动控制性能进行了仿真，仿真结果显示驱动器迟滞会在一定程度上削弱振动控制性能，而采用复合控制可以提高后缘襟翼旋翼振动控制性能。     

压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性自适应混合补偿控制方法

压电陶瓷叠层作动器的迟滞蠕变非线性特性严重影响了控制系统的稳定性及动态跟踪精度。针对其迟滞蠕变非线性补偿控制问题,提出了一种高精度动态补偿压电陶瓷叠层作动器非线性特性的自适应混合补偿控制方法,即迟滞蠕变前馈补偿与自适应滤波反馈补偿结合的前馈-反馈混合控制方法。采用改进的Prandtl-Ishlinskii（Modified Prandtl-Ishlinskii,MPI）模型对压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性特性进行精细化建模,并得到其逆补偿模型进行前馈补偿。根据前馈补偿误差,采用自适应滤波反馈控制对输入信号进行实时调控,实现对压电陶瓷叠层作动器的迟滞非线性及lg（t）型蠕变特性的实时精确补偿控制。数值仿真与实验结果表明,相比于常规前馈迟滞蠕变补偿,所提出的自适应混合补偿控制方法可以有效降低压电陶瓷叠层作动器的迟滞补偿误差,极大提高了迟滞蠕变非线性动态跟踪精度以及自适应性。     

含多裂纹薄壁加筋结构剩余强度试验与统计分析

采用“断裂丝法”与“应力强度因子片法”测得某机翼下壁板的加筋结构的应力强度因子与剩余强度。依据１２块试件的试验结果进行统计处理,获得概率剩余强度曲线。试验值与理论计算值吻合很好。     

冗余度柔性机器人动态响应主动控制

研究了具有压电作动器与应变传感器的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题。建立了该离散时变动力学系统的状态空间表达式。根据离散量小值原理设计了LQR最优控制律，并提出了一种状态估计的近似方法。平面3R冗余度柔性机器人的仿真算例表明，采用这种主动控制方法可使冗余度柔性机器人的动力学特性得到显改善。     

直升机振动主动控制的机身/压电叠层作动器耦合优化法

直升机振动主动控制通常使用惯性作动器,一般惯性作动器的附加重量要占到机体重量的4％～5％才有较好的控制效果.压电叠层作动器(PSA)作为轻质、高效的执行元件用于直升机振动主动控制可有效地降低附加重量、提高控制性能.本文将压电叠层作动器用于直升机振动主动控制,并提出了机身/压电叠层作动器耦合优化法.采用基于频率响应函数的...     

压电纤维复合材料铺层用于翼面设计的驱动特性与刚度影响

压电纤维复合材料驱动器在形状控制、振动控制、颤振抑制与抖振控制等方面有广泛的应用前景。首先简单介绍了压电应变驱动的比拟载荷方法,并采用该方法讨论了压电陶瓷片状驱动器与压电纤维复合材料驱动器在驱动特性上的主要差异。在此基础上,对压电纤维复合材料在不同铺设方式、铺设角度与铺设层数下的驱动特性进行了分析,在刚度影响方面展示了不同铺设角度下模型刚轴的移动。分析结果表明:对称铺设反向电场可以同时获得弯曲与扭转变形,而反对称铺设同向电场主要获得扭转变形;两种铺设方式下45°铺设角均获得最大弦向转角,而0°铺设角将获得最大挠度;多铺层可以增加驱动载荷,但总体变形效果还取决于结构系统的刚度比例;对称铺设方式下铺设角对结构刚轴移动的影响非常明显,在气动弹性控制中应着重关注。     

基于机敏材料的冗余度柔性机器人复模态主动控制

研究了基于机敏材料的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题。应用复模态理论对机器人的动力学方程进行解耦 ,建立了受控系统的状态空间表达式。利用极小值原理设计了连续LQR状态反馈控制器 ,并根据对偶原理设计了具有指定稳定度的Luenberger全维状态观测器。平面 3R冗余度柔性机器人的仿真算例表明 ,该方法可以显著改善受控系统的动力学性能。     

Flutter control of a composite plate with piezoelectric multilayered actuators

Active flutter velocity enhancement scheme is presented for lifting surfaces, employing Linear Quadratic Gaussian based multi-input multi-output controller with multilayered piezoelectric actuators. To numerically test the developed concept, a composite plate wing, surface bonded with eight piezoelectric bender actuators and sensors has been considered. A modal flutter control model is formulated in state-space domain using coupled piezoelectric finite element procedures along with unsteady aerodynamics and optimal control theory. The bending – torsion flutter instability has been actively postponed from 44.13 to 55.5 m/s using the energy imparted by the multilayered piezoelectric actuators. As the power requirement by these actuators is comparatively very low with respect to stack actuators, they can be employed in an integrated form to develop active lifting surfaces for real time applications.     

自适应结构仿人智能控制实验研究

针对大型空间结构,基于MATLAB/dSPACE综合实验环境建立了以压电堆式主动构件为作动器的自适应桁架结构主动振动控制平台,进行了仿人智能控制实验研究.结果表明仿人智能控制可有效地用于压电自适应结构的振动控制,较好地解决了控制准确性与快速性之间的矛盾,使得四棱柱桁架在典型低频谐振频率持续激励时振幅降低90%以上,随机冲击衰减时间减少90%以上,且在扫频和混频激励下也取得良好的控制效果.