压电叠堆执行器迟滞建模与前馈补偿研究

针对压电叠堆执行器输入电压与输出位移的动态迟滞特性,结合非对称静态Bouc-Wen迟滞模型,建立了压电叠堆执行器动态迟滞模型,并采用粒子群算法辨识出6个模型参数。为提高压电叠堆执行器动态位移输出精度,进一步推导出压电叠堆执行器迟滞逆模型,最终在此基础上对压电叠堆执行器进行前馈补偿研究。仿真与实验结果对比表明,在0~120V峰值电压与0~500Hz激励频率内,所建立的动态迟滞模型能够较好地描述与预测压电叠堆执行器的动态输出位移。前馈补偿实验研究结果表明,利用所建的迟滞逆模型补偿后,压电叠堆执行器的滞环减小,输出位移非线性度下降约3%。     

压电叠堆执行器迟滞非线性建模与分析

压电叠堆执行器输出位移具有迟滞非线性特性,在高精度控制和电静液作动器等应用领域,为实现进一步研究和控制,需要针对该特性进行建模。该文首先针对压电叠堆执行器的静态特性,采用改进的非对称BoucWen模型建立压电叠堆执行器的准静态模型;其次,为描述其动态位移输出特性,将执行器输出力分为线性模块和滞后模块,根据系统动力学方程建立压电叠堆执行器迟滞非线性动态模型,进行参数辨识、模型仿真与实验研究。结果表明,在400Hz频率范围内,所建立的模型能够准确描述与预测压电叠堆执行器输出位移的迟滞非线性。     

基于RBF神经网络的压电执行器迟滞建模

针对压电陶瓷执行器的迟滞非线性特性问题,该文提出了一种最小二乘法与径向神经网络相结合的建模方法。首先,通过搭建压电执行器位移测试系统,得到执行器输出位移与输入电压的对应曲线关系,然后用最小二乘法对该曲线进行多项式拟合,得到压电执行器的迟滞数学模型,在此基础上再用径向基函数神经网络方法对该模型进行优化。最后对建立的模型进行分析发现,用最小二乘法拟合的多项式数学模型,其最大误差Emax=0.244 7 μm,标准方差δ=0.059 02 μm,而利用径向基函数(RBF)神经网络优化建模后,Emax=0.079 89 μm,δ=0.016 04 μm。实验证明该模型有较高的准确性, 该文为压电执行器迟滞建模提供了一种新的方法。     

基于复合控制的压电驱动器设计方法

针对压电叠堆迟滞带来的非线性效应严重制约系统控制精度提升的问题,该文提出了一种基于复合控制的压电驱动器控制方法,对系统非线性误差进行建模补偿,并基于数控芯片实现了嵌入式驱动设计。采用广义PI模型对被控压电促动器进行建模,利用指数函数作为密度函数,并基于粒子群算法对包络函数和密度函数进行参数寻优,最终得到压电促动器的前馈补偿逆模型,结合比例积分控制率实现系统的复合控制。同时采用数字信号处理结合现场可编程门阵列(DSP+FPGA)的数控架构,既保证了逆模型求解过程在DSP中实现的便捷性,又保证了采样及闭环控制在FPGA中实现的实时性及快速性。实验结果证明了所提设计方法的正确性及有效性。     

基于PI逆模型的压电执行器复合控制

在利用腔衰荡光谱技术分析痕量气体时,压电陶瓷执行器常用来调节光学谐振腔的长度。为了提高压电陶瓷执行器的定位精度,针对压电陶瓷执行器的迟滞非线性,利用Prandtl-Ishlinskii(PI)模型对执行器迟滞进行建模,分别采用最小二乘法和梯度下降法对模型参数进行辨识,同时,由于执行器迟滞曲线的非对称性,针对上升和下降过程分别进行辨识。结果表明,相比于最小二乘法,梯度下降法辨识的模型参数能更好地拟合执行器实际迟滞曲线,平均绝对误差减小了67.6%。设计基于PI逆模型的复合控制方法,并进行实验验证,采用在线参数辨识来实时更新模型参数。试验结果表明,在正弦波和三角波信号输入下,执行器的平均跟踪误差分别为0.035μm和0.028μm,该复合控制法可有效提高执行器定位精度。     

基于LSTM神经网络的压电执行器位移迟滞建模

该文搭建迟滞测量实验平台,测量一种用于LED晶圆检测压电执行器的迟滞效应,设计了一种基于长短期记忆(LSTM)神经网络的压电迟滞模型,使用时间序列预测法对压电执行器位移迟滞效应建模。将该模型与传统的Prandtl-Ishlinskii(PI)模型进行对比。实验结果表明,神经网络模型具有较好、较广泛的迟滞建模效果,对于正弦波,位移预测精度保证小于2%;对于衰减正弦波,位移预测精度可保证小于3%。较高的模型预测精度为使用压电执行器进行LED晶圆检测提供了依据。     

压电微夹钳的迟滞及蠕变补偿

为提高压电微夹钳的操作精度,对其迟滞及蠕变误差进行补偿。基于压电材料迟滞曲线的非对称性,为提高微夹钳迟滞模型的精度,采用升回程分别建模的方法,建立了微夹钳的Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型,对迟滞误差进行了补偿。在综合考虑模型简单且具有较高精度的前提下,采用二阶惯性环节建立了微夹钳的蠕变模型,设计出无需求蠕变逆模型的补偿器,对蠕变误差进行了补偿。实验结果表明,在最大位移为120μm时,钳指位移的迟滞误差由补偿前的-11.8～10.7μm减小为-1.7～1.0μm;在900 s作用时间内,钳指位移的蠕变由补偿前的4μm几乎减小为0。     

基于GRU神经网络的晶圆测试工艺控制方法

压电驱动器位移输出的非线性特性,如迟滞的记忆特性及速率相关性,使压电驱动器的建模与控制较难。该文提出了一种基于门控循环单元(GRU)的新型位移输出控制方法。建立相应的位移输出实验平台来验证和分析压电驱动器的滞后现象。使用GRU模拟滞后的内存特性及采用两个全连接层来模拟速率依赖性。该模型是一个端到端系统,其中压电陶瓷和位移放大机构被视为一个整体。针对不同电压输入预测的输出位移量表明,该模型对速率相关的滞后具有很强的泛化能力。使用相同的循环神经网络结构构建逆模型,并进行实验测试。实验结果表明,所提出的位移输出控制法有效地削弱了压电驱动器的非线性特性,有利于将线性系统控制法与前馈补偿法相结合。     

压电微操作器的混合灵敏度H∞控制

针对压电微操作器的迟滞非线性补偿问题,采用PrandtlIshlinskii(PI)法建立了描述微操作器迟滞非线性特性的迟滞模型,并设计其前馈控制器。首先通过将系统逆补偿输出线性化,设计混合灵敏度H_∞控制器,使系统具有较好的动静态特性。其次搭建了由多自由度微动平台和末端柔性操作臂构成的压电微操作器系统,并进行一系列测控实验。结果表明,基于PI逆模型的前馈控制可以较好地补偿压电微操作器的迟滞非线性,在最大输出位移125 μm的情况下,最大迟滞非线性率由21.7%降低至7.4%。同时混合灵敏度H_∞控制能以较小的相对控制误差实现对不同类型和频率的参考轨迹跟踪,甚至微操作器动力学参数发生变化时,仍然具有较好的控制效果,证实了所提出控制器的可行性。     

大口径压电快摆镜机构迟滞非线性补偿与控制

为了提高空间天文望远镜精密稳像系统中大口径压电快摆镜机构（Fast Steering Mirror,FSM）的控制精度,采用迟滞前馈补偿和最优PID控制算法相结合的复合控制策略。针对基于广义Play算子的Prandtl-Ishlinskii（PI）模型可逆性受约束条件限制以及求逆过程中模型参数估计误差累加的问题,提出了一种基于广义Stop算子的PI逆模型进行压电执行器（Piezoelectric Actuator,PZT）迟滞补偿。针对逆迟滞模型的不确定性和直接前馈控制抗干扰能力差的问题,在控制系统中加入最优PID闭环控制器。采用自适应差分进化算法（Adaptive Differential Evolution,ADE）对迟滞逆模型参数和PID控制器参数进行寻优并引入混沌搜索机制来提高ADE算法的性能。实验结果表明:与传统PI模型解析求逆方法相比,基于广义Stop算子的PI逆模型能够更好描述逆迟滞曲线,拟合频率为1 Hz的迟滞曲线,拟合精度提高78.04%;实时跟踪频率分别为1、10、20 Hz的大口径快摆机构目标摆动位移,复合控制策略的跟踪精度相比于直接前馈控制分别提高了38.56%,22.92%和13.5%。     

压电柔性结构形状复合控制方法研究

以宏纤维复合材料(MFC)驱动柔性悬臂结构为研究对象,着重开展其动态形状控制理论研究。基于有限单元法、均匀化理论和载荷比拟方法,建立了压电驱动层合结构力 电耦合动力学方程,并结合模态降阶法得到其状态空间形式控制模型。同时,针对压电材料作动器迟滞蠕变非线性特征对控制精度影响严重的问题,开展了依据实验数据的迟滞蠕变建模及其前馈逆补偿控制方法的研究,并构建了面向压电驱动柔性结构动态形状控制的迟滞 蠕变前馈补偿与自抗扰反馈控制相结合的复合控制系统。结果表明,该复合控制法能够在保证系统稳定性的前提下有效提高系统动态形状控制精度。     

高压共轨压电喷油器迟滞控制研究

通过Matlab/Simulink建立了压电堆执行器迟滞补偿模型,由压电堆执行器无外载静态试验获得了基于Maxwell粘-滑模型的迟滞特性模型参数,将模型用于高压共轨压电喷油器控制.实验结果表明,采用建立的迟滞补偿模型,通过开环前馈控制,有效抑制了压电堆执行器的迟滞影响,喷油率上升和下降速率减缓,有利于降低燃烧噪声和减小"水击现象"对喷油量波动的影响.     

Disturbance-Observer-Based Hysteresis Compensation for Piezoelectric Actuators

We present a novel hysteresis compensation method for piezoelectric actuators. We consider the hysteresis nonlinearity of the actuator as a disturbance over a linear system. A disturbance observer (DOB) is then utilized to estimate and compensate for the hysteresis nonlinearity. In contrast to the existing inverse-model-based approach, the DOB-based hysteresis compensation does not rely on any particular hysteresis model, and therefore provides a simple and effective compensation mechanism. We design and fabricate a lead magnesium niobate-lead titanate (PMN-PT) piezoelectric actuator for microscale tip-based power sintering process. Experimental validation of the proposed hysteresis compensation is performed on the PMN-PT cantilever piezoelectric actuator. The experimental results demonstrate the effectiveness and efficiency of the approach.      

电荷驱动在高速压电致动平台中的应用

一个高速压电驱动平台的性能经常被支撑结构的低谐振频率所限制。采用一种非对称致动器可消除传到基座上的惯性力,但传统的电压驱动方法会引起严重的率相关迟滞,惯性力补偿效果不佳。该文提出采用电荷驱动法来消除非对称致动器产生的惯性力。实验表明,在激励电压峰-峰值为20V时,采用电荷驱动法,在110Hz~10kHz内惯性力基本消除,补偿效果比电压驱动方法好。     

压电陶瓷驱动器在机器人柔性臂应用中的研究

研究了片状压电陶瓷驱动器在柔性手臂中的应用,推导了基本压电陶瓷驱动器的柔性臂静力学方程,建立了描述驱动器迟滞特性的Ｐｒｅｉｓａｃｈ模型,提出了一种基于Ｐｒｅｉｓａｃｈ前钏环的ＰＩＤ掏方法对柔性夺动主动控制和轨迹控制俞中以有效地克服片状压电陶瓷驱动器的迟滞特性,消除柔性臂运动产生的振动,实现柔性臂的精度轨迹控制。     

Parameter identification and hysteresis compensation of embedded piezoelectric stack actuators

A novel method for the identification of embedded piezoelectric stack actuator parameters in combination with a real-time capable hysteresis compensation measure is presented. The presented algorithms are based on the Maxwell resistive capacitor model and are particularly useful for the identification of piezoelectric actuators embedded in a high-precision micropositioning system where the disassembly of the complete system for separate actuator identification is not recommended or not possible. The parameter identification can be performed in a fully automated way and enables the adaptation of the compensation routine to the changed circumstances (temperature difference, wearing of actuators) as well. The hysteresis compensation method proposed here does not require significant CPU or memory resources. It can be implemented as an additional task on the already existing controller or a low-budget FPGA. As an example, the proposed method was validated experimentally by the parameter identification and hysteresis compensation of the piezoelectric actuators incorporated in a commercially available hybrid micropositioning system. The achieved experimental results are in very good agreement with the theoretical ones.     

压电执行器非线性控制方法研究进展

压电执行器在微驱动和微定位领域应用广泛,但压电执行器在输入电压和输出位移间存在着迟滞非线性。非线性的存在使压电执行器定位精度降低,动态响应速度变慢,是其工程上进一步应用的主要障碍。减小和消除迟滞非线性成为实现高精度控制的关键。总结了近年来国内外在减小和消除压电执行器迟滞非线性方面上的研究工作,并指出当今研究的热点及未来研究的方向。