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。     

径向双压电叠堆执行器建模与实验研究

该文设计了一种径向双压电叠堆执行器,可以实现单压电或双压电叠堆驱动,在不增加轴向长度的基础上实现输出位移的放大.针对该执行器,建立了基于Bouc-Wen的压电动态迟滞力模型作为执行器整体动力学模型力的输入;在MATLAB/Simulink中,基于最小二乘法对迟滞力模型中的参数进行辨识.仿真与实验结果表明,在峰-峰值14...     

双压电叠堆驱动执行器率相关迟滞建模与分析

提出一种双压电叠堆驱动执行器设计方案,即执行器由2根不同尺寸的压电叠堆驱动,中间由套筒连接。为描述执行器在不同频率下的迟滞特性,利用准静态下的非对称Maxwell模型、系统动力学方程及一阶惯性环节等建立数学模型,并进行参数辨识、模型仿真与实验研究。仿真与实验结果表明,在140 V、600 Hz激励电压信号同时驱动2个长度不超过20 mm压电叠堆时,输出位移可达37.1μm,相较于140 V、1 Hz时的位移仅衰减7.1%,与其他执行器位移放大机构相比,具有较好的高频性能。所建立的执行器率相关迟滞模型在600 Hz内幅值最大误差不超过1.71μm,均方根误差最大为1.34μm,可较准确地描述执行器位移输出特性,为执行器高精度控制提供了基础。     

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.     

双压电二维叠堆执行器控制实验研究

针对双压电二维叠堆执行器的输出迟滞性问题,该文设计了一种双压电复合控制方法。先建立执行器数学模型并完成参数辨识,再结合非对称Bouc Wen模型与增量微分、积分及比例(PID)模型,完成复合控制模型的建立,最后基于数字信号处理(DSP）控制器完成前馈控制、增量PID控制与复合控制的实验对比。结果表明,该复合控制方法能有效抑制执行器的输出迟滞性,当驱动电压峰 峰值为96 V,频率为500 Hz时,执行器滞环率仅为未控制时滞环率的31.6%,远低于前馈控制时滞环率(74.2%)及增量PID控制时滞环率（167.8%）。     

面向精密平台的压电堆执行器动态特性研究

设计了压电堆执行器在空载与受约束条件下的测试系统,在不同频率交流电压驱动下测得执行器的最大输出位移和输出力分别为36.9μm和669.5 N。根据测试结果辨识出执行器动态工作时的等效刚度为20.9N/μm。此外,对压电堆执行器的阶跃响应及迟滞特性进行测试。阶跃响应测试结果表明执行器的上升时间约为3ms,稳定时间约为5ms,响应速度能够满足精密平台振动控制的要求。迟滞特性的分析结果表明在精密平台振动控制中需考虑迟滞非线性对控制精度的影响。     

压电陶瓷位移平台的复合控制方法研究

针对压电陶瓷(PZT)位移平台因迟滞特性而降低系统定位精度的问题,该文采用了一种带有前馈补偿的复合型控制方法。首先建立前馈模型,提出了一种分段式Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型,并对所建平台迟滞模型求逆,其建模误差率在0.7%内;然后针对闭环回路设计了串联比例-积分(PI)模拟电路、滤波电路和检测电路,进一步提高了控制系统的响应速度和控制精度。实验结果表明,压电陶瓷位移平台在频率为100 Hz,行程为0~140 μm的情况下,基于前馈补偿的复合控制系统的平均绝对误差为0.039 μm,最大误差为0.16 μm;与仅有前馈控制相比,其控制精度提高了73.76%。     

基于率相关迟滞模型的压电微动平台前馈控制

为了降低压电微动平台的动态迟滞误差对平台定位精度的影响,该文设计了基于率相关迟滞逆模型的前馈控制器对其进行迟滞补偿。首先,在对平台受力分析和运动分析的基础上建立平台的动力学模型;其次,在经典Prandtl-Ishilinskii(PI)模型的基础上加以改造,得到Modified Prandtl-Ishilinskii(MPI)模型,并将MPI模型与平台的线性动力学模型串联,得到分离式率相关MPI模型,进而基于率相关MPI逆模型建立平台的前馈控制器;最后,对所设计的控制器进行阶跃响应和正弦轨迹跟踪实验。实验结果表明,所设计的控制器具有较好的定位精度与跟踪性能,可以有效地补偿压电微动平台的动态迟滞误差。     

一种新型驱动器

介绍了一种新型压电驱动器含金属芯压电陶瓷纤维(MPF),推导了MPF的驱动电压与位移关系,运用ABAQUS软件对MPF进行了有限元仿真,并将MPF在不同驱动电压下的位移进行了理论值和仿真值的对比,验证了所推导公式中响应位移和驱动电压关系的正确性。通过实验测试了MPF的迟滞特性,并设计了迟滞逆模型开环控制、迟滞逆模型结合比例、积分和微分(PID)的两种控制方法对MPF进行了迟滞补偿控制。实验表明,复合控制的效果较好,MPF迟滞得到了很好补偿,使输入和输出呈线性,实现了高于10nm的高精度定位。复合控制的实验结果也进一步验证了MPF位移公式的正确性。     

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。     

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。     

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。     

双向二维快速伺服刀架的前馈控制研究

以压电陶瓷驱动器作为动力输入的快速伺服刀架具有输出力大和高频率响应的优点。压电陶瓷驱动器固有的迟滞现象严重影响了快速伺服刀架的输出定位精度。为解决此问题,通过引入归一化Bouc-Wen模型建立前馈控制补偿器,归一化Bouc-Wen模型解决了经典Bouc-Wen模型中存在的参数冗余问题。获得模型参数后,基于其逆模型搭建了前馈补偿器,并在搭建的实验平台上进行了单/双自由度轨迹跟踪性能测试。实验结果表明,对于等幅正弦波信号,经前馈控制环节补偿下快速伺服刀架的最大轨迹跟踪误差为1.18%,最大轨迹跟踪偏差为2.61%,证明该文所提出的前馈控制补偿器能提高快速伺服刀架的定位精度。     

Buck型变换器的线性化小信号补偿前馈控制

为减小由输入电源扰动引起的输出电压工频纹波,改善DC/DC变换器动态性能,根据平均变量建模思想,为电压型PWM控制的Buck型变换器建立连续导电工作模式（CCM）下统一的平均变量等效电路。分析等效电路并根据前馈控制的不变性原理提出Buck型变换器针对输入电压扰动的线性化小信号补偿前馈控制原理及实现方法,采用该方法的Buck型变换器可快速补偿输入电压扰动,加快变换器在输入电压扰动时的动态调节过程,显著减小输出电压中包括工频在内的低频纹波,改善变换器的动态性能。仿真研究结果验证了文中线性化小信号补偿前馈控制原理、方法及其分析的正确性。     

Hysteresis modeling and compensation of a piezostage using least squares support vector machines

Hysteresis effect degrades the positioning accuracy of a piezostage, and hence the nonlinearity has to be suppressed for ultrahigh-precision positioning applications. This paper extends least squares support vector machines (LS-SVM) to the domain of hysteresis modeling and compensation for a piezostage driven by piezoelectric stack actuators. A LS-SVM model is proposed and trained by introducing the current input value and input variation rate as the input data set to formulate a one-to-one mapping. By adopting the radial basis function (RBF) as kernel function, the LS-SVM model only has two free hyperparameters, which are optimally tuned by resorting to Bayesian inference framework. The effectiveness of the presented model is verified as compared with two state-of-the-art approaches, namely, Bouc–Wen model and modified Prandtl–Ishlinskii (MPI) model. In addition, the LS-SVM inverse model based feedforward control combined with an incremental proportional–integral–derivative (PID) feedback control is designed to compensate the hysteresis nonlinearity. Experimental results show that the LS-SVM model based hybrid control scheme is superior to the Bouc–Wen model and MPI model based ones as well as either of the stand-alone controllers. The rate-dependent hysteresis is suppressed to a negligible level, which validates the effectiveness of the constructed controller. Owing to a simple procedure, the proposed LS-SVM based approach can be applied to modeling and control of other types of hysteretic systems as well.     

压电式气体流量比例阀建模与控制技术研究

针对传统 Prandtl-Ishlinskii(PI)模型不能反映压电式气体比例阀迟滞非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题,提出了一种改进的 PI模型,通过添加3次多项式使其能拟合压电式气体流量比例控制阀的非对称迟滞曲线。利用改进的自适应粒子群遗传算法辨识所需的模型参数,模型相对误差为0．0073%,并将模型用于前馈补偿控制。实验结果表明,基于迟滞模型的前馈补偿控制可显著提高压电式气体比例阀输出流量控制的快速性,调节时间降低了60%。     

Precise position control of shape memory alloy actuator using inverse hysteresis model and model reference adaptive control system

Position control of Shape Memory Alloy (SMA) actuators has been a challenging topic during the last years due to their nonlinearities in the governing physical equations as well as their hysteresis behaviors. Using the inverse of phenomenological hysteresis model in order to compensate the input–output hysteresis behavior of these actuators shows the effectiveness of this approach. In this paper, in order to control the tip deflection of a large deformation flexible beam actuated by an SMA actuator wire, a feedforward–feedback controller is proposed. The feedforward part of the proposed control system, maps the beam deflection into SMA temperature, is based on the inverse of the generalized Prandtl–Ishlinskii model. An adaptive model reference temperature control system is cascaded to the inverse hysteresis model in order to estimate the SMA electrical current for tracking the reference signal. In addition, a closed-loop proportional–integral controller with position feedback is added to the feedforward controller to increase the accuracy as well as eliminate the steady state error in position control process. Experimental results indicate that the proposed controller has great accuracy in tracking some square wave signals. It is also experimentally shown that the suggested controller has precise tracking performance in presence of environmental disturbances.     

自适应开启时间的Buck型DC-DC控制器设计实现

设计了一种基于自适应开启时间(adaptive on-time, AOT)控制的Buck型DC-DC控制器电路,利用输入电压前馈和输出电压反馈技术来获得开启时间,并提出了一种充电电流补偿和充电时间超前电路,校正了开启时间的线性度.AOT控制保证了转换器在无需内部振荡器的条件下,工作于固定频率脉冲宽度调制模式,并改善了输出电压的纹波特性.AOT控制使系统在负载阶跃时能够连续开启最小关断时间的开关周期或连续关断,从而快速调节电感电流,极大地提高了系统的瞬态响应速度.自动跳跃式脉冲频率调制模式,有效地改善了轻负载下的转换效率.芯片采用UMC 0.6μm BCD工艺投片验证,并出了详细的测试结果.