MFC致动器的动态迟滞模型辨识及补偿控制EI北大核心CSCD

压电宏纤维(marco fiber composite,MFC)具有柔性好、变形能力强的优点,但MFC致动器驱动的柔性臂的迟滞非线性严重影响系统定位精度。提出一种具有非对称性的改进Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型,解决经典PI迟滞模型的缺陷(对称性);该模型基于经典PI迟滞模型,叠加一系列不同权重、不同阈值的双边死区算子获得,基于最小二乘法的迟滞模型辨识结果表明,改进PI迟滞模型对MFC致动器的迟滞建模误差从PI迟滞模型误差的16.06%降到5.58%。另外,建立系统的离散传递函数模型来描述系统的线性动态特性,并与改进PI迟滞模型串联得到组合模型,解决纯迟滞模型仅能描述低频、准静态情况下的迟滞特性问题。在前馈补偿下,对MFC致动的柔性臂进行正弦波轨迹跟踪试验,测得补偿后实测位移与期望跟踪位移基本吻合,跟踪精度达到93.62%以上。试验结果证明,所提出的改进PI迟滞模型、离散传递函数模型及补偿方法的有效性。     

压电宏纤维致动器的双极性非对称迟滞建模及补偿控制

提出了一种双极性非对称改进PI(Bipolar Asymmetric Improved PI,BAIPI)模型描述压电宏纤维(Marco Fiber Composite,MFC)的迟滞特性,BAIPI模型利用经典Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型Play算子加权叠加描述MFC的对称迟滞特性,然后叠加一系列不同权重、不同阈值的双边死区算子描述MFC的双极性非对称特性。实验辨识结果表明:BAIPI模型对MFC致动器的建模误差从PI迟滞模型的16.8%降为4.2%。在基于BAIPI逆模型的前馈补偿下,MFC致动的柔性梁构件跟踪等幅、变幅三角波轨迹的实测位移与期望跟踪位移基本重合,补偿后等幅三角波实测位移与理想位移之间的线性度为2.36%。因此,所提出BAIPI迟滞模型及补偿方法显著提高了MFC致动器的定位驱动和跟踪精度。     

基于模糊树的Hammerstein-like模型对超磁致伸缩作动器的建模与控制

基于模糊树提出一种带有动态非线性环节的Hammerstein-like建模方法以描述超磁致伸缩作动器的率相关迟滞非线性特性。所提方法能在一定频率范围内建立一个统一模型,使之不仅能较好地描述单一频率输入信号下的迟滞环,也能较好地描述复合频率输入信号下的迟滞环。同时,基于所提Hammerstein-like模型,设计前馈逆补偿+PID反馈控制策略,实现参考输入信号的跟踪实验,实验结果表明,该控制策略能较好地跟踪频率范围为1的参考输入信号,跟踪精度令人满意,满足工程要求。     

基于三段PI模型的压电驱动器迟滞补偿方法

迟滞非线性降低了压电陶瓷驱动器对期望位移的跟踪精度,为解决该问题,本文通过二次规划寻优算法,基于最小均方误差准则,以压电陶瓷驱动器的运动速度规律为依据,对压电陶瓷运动速度规律不同的迟滞段分别进行PI建模.建模结果表明,相较于传统PI模型,本文提出的三段PI模型能精确地描述压电陶瓷迟滞曲线的非奇对称性.在对压电陶瓷三段PI建模的基础上,计算出压电陶瓷三段PI逆模型的阈值向量与权系数向量.通过建立的三段PI逆模型对压电陶瓷进行迟滞补偿控制,实验结果表明,与传统PI逆模型迟滞补偿控制相比,三段PI逆模型迟滞补偿控制方法将压电陶瓷对期望位移的跟踪精度提高了81.3%.     

迟滞与蠕变耦合压电系统的建模及补偿方法

为了准确地描述压电驱动定位平台复杂的非线性特性，在经典Hammerstein结构模型基础上串联分数阶算子，提出了一种耦合迟滞、动力学和蠕变的非线性数学模型。其中该模型的蠕变、迟滞非线性特性分别采用分数阶算子和PI模型来描述；机械动力学特性使用二阶离散传递函数表示。此外，考虑了耦合模型的参数辨识问题，并通过压电驱动定位试验平台对所提耦合模型进行了验证。在1～100 Hz的正弦波输入电压信号作用下，与不考虑蠕变特性的Hammerstein结构模型相比，该耦合模型在均方根误差指标降低了27%以上，相对误差指标下降了约50%。该试验结果充分表明了所提耦合模型的有效性。在模型建立的基础上设计了逆蠕变和迟滞模型对系统进行前馈补偿，并结合PID控制算法对系统的性能进行调节。仿真结果验证了该复合控制方案在低频和混合频率输入信号下具有良好的跟踪效果。     

压电式二维微定位平台的率相关迟滞建模

为了描述压电式多维微定位平台的率相关迟滞非线性特性,提出了一种基于Hammerstein模型的建模方法。以一种二维微定位平台为对象,平台动态模型是由静态迟滞非线性部分和一个线性动态系统部分串联组成。静态非线性部分由改进的Prandtl-Ishlinskii模型描述,线性动态系统部分由外因输入自回归模型(ARX)模型描述,并给出了模型参数辨识方法。为了验证所建立的Hammerstein模型有效性,搭建了实验平台进行实验验证。实验结果表明,对平台施加不同频率电压信号,由Hammerstein模型得到的预测位移和实测位移相对误差范围为1%~5%,预测位移与实测位移接近,说明所建立的模型能精确描述微定位平台的率相关迟滞特性。     

聚吡咯驱动器迟滞非线性特性探究

在仿生学领域中,聚吡咯驱动器因具有结构简单,适应性强,抗电磁干扰等优点得到广泛应用;通过对驱动器的传递函数进行建模分析,得出其存在迟滞非线性特性,且该特性会造成驱动器跟踪定位精度低,可控性差,所以采用PI模型对驱动器进行迟滞建模,并研究其迟滞特性.首先,对传递函数模型中得到的输出位移进行误差分析,得知驱动器存在迟滞非线性特性,将系统模型分为纯迟滞模型及传递函数模型两部分;其次,利用PI模型的算法对不同输入频率信号下的系统分别构建迟滞模型,并通过分析基于迟滞模型的系统模型的输出结果,得出驱动器存在迟滞非线性特性,且该特性与输入信号频率无关;最后通过比较试验测量输出数据与仿真结果,验证结论的有效性.     

局部粘贴压电宏纤维致动器的水下弹性结构机-电-液耦合振动特性EI北大核心CSCD

建立了局部粘贴压电宏纤维致动器(Macro Fiber Composite,MFC)的水下弹性结构机⁃电⁃液耦合振动模型,并开展了MFC激励下的水下弹性结构的频率响应实验。采用混合规则法得到了MFC等效体积单元的等效机电耦合参数。基于假设模态法推导了局部粘贴MFC的欧拉⁃伯努利梁的分段归一化振型函数。结果显示粘贴MFC致动器的主动变形段末端的变形量仅为被动变形段末端的3%,局部粘贴MFC致动器弹性结构的模态振型较匀质等截面梁结构发生了明显变化。建立了包含MFC致动器等效驱动力矩、周围流体水动力载荷及弹性结构振动特性的水下弹性结构机⁃电⁃液耦合振动模型。基于搭建的实验平台,测试得到了MFC不同激励频率下水下弹性结构的频率响应特性,实验结果表明:耦合动力学模型的理论预测结果与结构实际振动的幅频特性和相频特性基本一致,证明了所建立机⁃电⁃液耦合振动模型的有效性。     

水下大振幅压电纤维致动柔性结构的非线性流体动力特性及实验

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维（Macro Fiber Composite, MFC）致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数化的二维CFD分析了不同特征振动频率及振幅下柔性结构周围流场的分布演化规律,发现随着柔性结构特征振幅增大,其周围流场逐渐出现了涡旋脱落及对流现象,且流体阻尼效应的非线性随之增强。提出了由特征振动频率和振幅共同确定的非线性修正流体动力函数解析表达式,分析结果表明：在小振幅情况下,修正流体动力函数虚部也就是流体阻尼效应随着特征振动频率的增大而减小;而当特征振幅增大到一定值后,流体阻尼效应随着特征振动频率的增大却呈现出先减小后增大的变化规律,具有强烈的非线性特性。开展了水下MFC致动柔性结构振动特性验证实验,证实柔性结构在MFC主动激励下的实测幅频、相频特性与理论预测结果基本一致,验证了所提修正流体动力函数表达式及流固耦合振动模型的有效性。     

压电作动器的迟滞非线性建模和实时补偿控制仿真

压电作动器的迟滞非线性不同程度的影响了作动器的性能,降低了系统的稳定性,甚至使得系统不稳定,尤其在振动主动控制应用中,要求系统具有极强的实时性,否则由于相位滞后控制效果将会受到严重影响.在研究了各种迟滞非线性模型和补偿算法的基础上,采用PI迟滞算子对压电作动器建立一个纯现象的模型来准确描述其迟滞现象,参数的线性不等式约束保证了求解的唯一性和模型的可逆性.在此基础上利用PI逆模型设计补偿器来补偿迟滞非线性.仿真结果证明了控制算法的正确性和有效性,并有效抑制了迟滞的影响,保证了理想的跟踪精度.     

基于PI迟滞模型的压电驱动器自适应辨识与逆控制

压电陶瓷驱动器的迟滞非线性特性严重影响了其跟踪定位精度,甚至引起闭环系统失稳.本文采用经典PI模型描述压电驱动器的迟滞非线性,利用自适应投影算法对PI模型的权向量进行在线辨识,并与传统的最小二乘辨识方法进行比较.迟滞PI模型的优点是模型存在解析逆,因此本文对压电驱动器采用自适应逆跟踪控制,利用驱动器的输出位移与参考位移之差使用自适应投影算法在线辨识PI模型的权向量,并计算PI逆模型的权向量和阈值,最终得到要输入的电压值.最后实验结果表明自适应逆跟踪控制比传统的逆模型跟踪控制精度提高了49.8%.     

压电驱动器的非对称迟滞模型

为了补偿压电驱动器的非对称迟滞,提出了改进型Maxwell迟滞模型.Goldfarb提出的经典Maxwell迟滞模型由多个基础单元并联叠加而成,其基础单元为单个弹簧-物块单元,迟滞特性为平行四边形,故只能描述对称迟滞.为了能描述压电驱动器非对称迟滞,提出了基础单元迟滞特性为梯形的模型.为了简化算法程序,将梯形单元优化为两个三角形单元组合而成.为了验证该模型,以压电工作台为实验对象,运用该迟滞模型的逆模型进行迟滞补偿控制.单独的迟滞逆模型前馈开环控制实验结果表明,位移跟踪相对误差从7.37％降到了1.56％,输入输出基本呈线性关系.逆模型结合PID复合反馈闭环控制实验结果表明,位移跟踪相对误差进一步降低到0.53％,输入输出呈很好的线性关系.这表明本文所建立的迟滞模型能很好地描述压电驱动器非对称迟滞特性.     

压电致动快速刀具伺服迟滞非线性的分数阶模型

在复杂曲面或功能结构的超精密车削以及主动误差校正车削中,利用快速刀具伺服(FTS)受到了学术界和工程界的广泛关注.然而,无论采用哪一种驱动方式,FTS皆存在难以模型化的迟滞非线性,从而制约了FTS跟踪性能的提高.本文利用分数阶微积分理论,针对压电致动型FTS的迟滞非线性建立了等效的分数阶动力学模型,得到了压电致动型FTS的传递函数.利用一种改进的差分进化算法进行了模型参数的辨识.通过正弦波及三角波信号激励的实验结果表明,针对压电致动型FTS所提出的分数阶模型建模误差小于4％,具有预期的模型精度.本研究为FTS的迟滞非线性建模提供了一种简单有效的新方法,对于提高FTS运动轨迹的跟踪控制性能具有重要意义.     

基于迟滞观测器的压电堆补偿控制

压电堆具有反应速度快、能量密度高等特点被广泛应用于精密仪器的作动装置。然而,压电堆输出位移与驱动电压之间存在的迟滞效应会严重影响控制精度。为了补偿迟滞效应带来的影响,提升控制效果,提出了一种基于滑模变结构理论的类Luenberger迟滞观测器,观测器的设计不仅考虑到了模型中的不确定因素,还可在一定程度上减小外部扰动带来的影响。根据反步滑模控制理论设计了一个基于迟滞补偿系统的跟踪控制器,控制器在设计过程中考虑到了观测器的迟滞补偿误差,且具有一定的鲁棒性。通过仿真及试验验证,证明了所设计的控制系统能够良好地对压电堆实施跟踪控制,且控制效果优于传统控制器。     

用于MEMS变形镜的双电极压电厚膜致动器

提出了一种用于MEMS变形镜的双电极驱动的压电陶瓷（PZT）厚膜致动器．采用有限元方法分析致动器变形时的应力分布情况,优化了内外圈电极尺寸,制作了61单元六边形分布的致动器阵列．测试结果表明,致动器在100V工作电压下的;中程约为6．6μm,谐振频率为58kHz,位移迟滞为8％～9％,通过采用单边电压一位移曲线的策略有效降低了位移迟滞,并进一步提出了分时驱动的电路方案．     

橡胶隔振器动态特性的本构研究

以FS-2-80橡胶隔振器为研究对象,进行了动态特性的试验研究和本构研究。试验研究得到了隔振器力-位移迟滞曲线。采用M-RT本构模型对隔振器进行了本构行为研究,考虑了频率、动态位移幅值的影响,通过与实验结果的比较分析,表明该模型能较好地描述该隔振器的动态本构行为。基于M-RT模型,分析得到了动刚度、动态阻尼与幅值、频率之间的关系,说明隔振器在低幅值下动态特性具有非线性。     

压电柔性机械臂的实验辨识及最优极点配置抑振控制

研究了压电柔性臂系统的实验辨识和基于极点配置法的振动主动控制问题。针对粘贴应变传感器和压电致动器的压电柔性臂系统,提出了零点重新分布的理论传递函数模型。通过扫频实验采用频域辨识方法确立了从压电致动器控制电压输入到应变桥路电压输出的实验传递函数模型,辨识模型与实际结构响应吻合程度达94.8%。并通过多频激励实验证实了辨识模型与实际结构具有较高的一致性。利用辨识得到的传递函数模型建立了系统状态方程表达式,提出了一种移动距离最短、满足系统闭环阻尼要求的闭环极点位置确立方法。不同闭环极点下的数值仿真和实验结果均证明了采用的最优极点配置方法的有效性。实验结果表明,柔性臂在特定激励和外界干扰激励下产生的弹性振动均得到了有效抑制。所提出的模型辨识方法和极点配置策略是可行的。     

具有Hammerstein结构的非对称PI模型的超磁致作动器数学建模EI北大核心CSCD

超磁致作动器(giant magnetostrictive actuator,GMA)作为一种以磁致伸缩材料为核心的智能驱动器,由于其优良的性能而广泛应用于诸多领域中,但是其本身固有的回滞非线性的存在限制了其进一步地发展,因而针对回滞非线性的建模研究一直是该领域的重点。基于Hammerstein结构,应用非对称Prandtl-Ishlinskii(PI)模型来表示Hammerstein结构中的非线性环节,用受控自回归(auto-regressive with exogenous,ARX)模型来表示Hammerstein结构的动态环节(尤其是针对高频信号),并且基于AIC准则的判定过程辨识出了动态系统传递函数的阶次和具体形式,建立了超磁致作动器的一种具有Hammerstein结构的非对称PI模型,并有效地减少了模型辨识参数的数量。试验结果表明,具有Hammerstein结构的非对称PI模型比单一非对称PI模型拥有更高的精度,尤其是针对较大频率的激励信号。     

面向铁氧体裂纹检测的感应加热电源研制

针对常规感应加热电源对铁氧体加热时存在加热均匀性差和负载回路谐振频率漂移的问题,提出了一种全桥逆变拓扑结构的串联谐振式数字感应加热电源.基于负载串联谐振回路换流时电压和电流的相位差特性,通过PSPICE软件分析了阻性、感性和容性三种换流状态,仿真结果表明,串联谐振回路工作于弱感性状态,可以保证电路安全可靠运行;基于电磁耦合原理,对比分析了原边补偿和副边补偿两类负载匹配变压器,通过匹配负载等效电阻实现电源系统最大能效输出;采用Fuzzy-PI频率跟踪技术实现负载谐振频率实时跟踪.最后,将研制的数字感应加热电源成功地应用于铁氧体裂纹检测实验.     

基于迟滞观测器的压电工作台自适应控制

为提高压电陶瓷驱动的微定位工作台的精度和速度,设计了一种基于迟滞状态观测器的自适应控制系统.在分析压电陶瓷迟滞非线性特性和工作台结构的基础上,建立了压电工作台的动态迟滞模型.迟滞观测器用于估计由位移偏差、传递函数、迟滞变量和扰动而产生的不确定误差,对神经网络控制器的输出量进行补偿,使工作台的位移跟随参考值.基于李雅普诺夫稳定理论推导了迟滞观测器的自适应调节律.实验结果表明,采用带有迟滞观测器的自适应控制系统时,在30μm、1 Hz正弦信号作用下,工作台的平均定位误差从之前的0.39μm减小到了0.19μm,对迟滞特性的非对称拟合平均误差由0.42μm减小到0.22μm,在10μm阶跃输入时的平均定位误差从0.22μm减小到了0.13μm,稳定时间由0.19 s缩短为0.08 s,定位工作台的性能得到明显的改善,能够满足实验要求.