多层压电执行器输出位移的模糊神经元PID控制

为了提升压电执行器输出位移的性能,该文采用模糊神经元比例、积分、微分(PID)控制器对其输出位移进行控制。首先,分析了压电悬臂梁执行器机电特性,搭建其动力学模型;其次,将模糊算法、神经元、PID三者相结合,设计出一种能快速、精确、抗干扰能力强的控制器;最后,对压电悬臂梁执行器控制系统进行了仿真,并通过实验验证了该控制器的性能。结果表明,压电执行器对5 μm阶跃目标位移的响应时间为0.3 s,且无超调,稳态误差中线由无控制时的0.57~0.66 μm减小为几乎为0;在跟踪由正弦信号、常值信号、斜坡信号所组成的目标位移时,跟踪误差几乎为0。该文所设计控制器可消除压电执行器的定位误差,并使其具有抗干扰能力强,响应迅速,无超调量等优点。     

压电式执行器用于超精密进给机构的技术研究

通过对压电陶瓷微位移执行器动态特性问题的研究,设计了一种可微机控制的数字高压信号源作为电压调节器、压电陶瓷作为驱动器的精密微动平台。针对高精度的定位和进给需要,设计了数字闭环控制系统,引入数字比例-积分-微分(PID)模糊控制器以提高系统的动态特性。实验表明,该控制系统简单、可靠、实用,所提出的校正方法对改善压电陶瓷微位移执行器的动态特性有显著效果,现已将其用在磨床进给机构中。     

压电微动平台的改进PID控制

为使压电微动平台具有良好的静动态特性,即响应快,超调量小,无振荡及稳态误差小,采用比例、积分、微分(PID)控制法来对其进行定位控制。将常规PID控制中积分环节的矩形积分改进为梯形积分,以提高压电微动平台的控制精度;采用微分分离法对常规PID控制中的微分环节进行改进,以使压电微动平台在具有良好稳定性的情况下,具有很快的响应速度。实验验证了压电微动平台改进PID控制的有效性,结果表明,压电微动平台对4μm阶跃参考位移的响应时间为0.05s,输出略有超调,但无振荡,且稳态误差几乎为0;在变幅值三角波及任意波形参考输入作用下,压电微动平台的输出可很好地跟踪输入。     

基于钝化微分的压电微动平台PID控制

为避免压电微动平台在工作过程中受到扰动或冲击,采用改进比例、积分、微分(PID)控制器对其进行控制。首先,在平台的PID控制器中引入低通滤波器,以降低微分环节对扰动或冲击的敏感性(即使微分环节对扰动或冲击产生钝化效应),进而设计出了压电微动平台的改进PID控制器;接着,基于所搭建的压电微动平台位移测量系统,实验验证了所设计的钝化微分PID控制器的效果。实验结果表明,在钝化微分PID控制作用下,平台具有较快的响应,达到5μm阶跃目标的响应时间为0.3s,无超调;平台的定位误差显著减小,在跟踪最大值为15.25μm的变幅值三角波时,定位误差中线由无控制时的-0.7～1.2μm减小为-0.1～0.1μm。     

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。     

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。     

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%）。     

压电悬臂梁振动控制系统联合仿真与实验研究

针对传统的悬臂梁振动抑制系统建立动力学方程的复杂性和精确性不高等缺点,该文提出利用多物理场耦合仿真软件搭建悬臂梁系统作为被控对象,通过设计比例、积分、微分(PID)算法在Simulink中建立控制器模型,对悬臂结构进行振动控制联合仿真。由于结构具有未知性,因而传统控制器PID参数的选取常需根据经验进行试凑来确定。通过提出遗传算法优化PID参数的模型,从而实现参数在线优化实时控制压电悬臂梁振动,仿真和实验均验证了该模型的有效性。此外还通过改变压电执行器在悬臂梁不同应力处的位置进行了振动抑制的仿真与实验。结果表明,该算法模型具有很好的鲁棒性,在不同位置处均可获得最佳的PID整定参数,实现振动抑制最佳效果。     

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%。     

压电陶瓷迟滞逆模型的前馈PID控制

为减小压带陶瓷迟滞特性对系统跟踪精度的影响,在Preisach模型的基础上对压电陶瓷迟滞性进行建模。借助Matlab软件对实验数据进行拟合和采用逆控制思想,在迟滞逆模型的基础上提出前馈PID(即比例、积分、微分)控制算法。实验结果表明,压电陶瓷最大迟滞性控制在2.2%内,输入、输出具有较好的线性关系,带前馈的PID控制具有良好的控制性能。     

一种用于压电驱动微动工作台的测控系统

研究了压电陶瓷驱动器特有的迟滞和儒变特性，针对它的这些非线性特点，给出了一种有效消除这些非线性误差的闭环控制方案。采用高精度A／D和D／A转换芯片，设计了基于PC机并行增强口EPP协议的控制板。在自行设计高压驱动电路的基础上，研制出了用于纳米级定位的数字闭环控制器。测试结果表明，此控制器很好地克服压电陶瓷驱动器的非线性特性，系统定位精度优于10nm。     

彩色多普勒超声对宫腔疾病的诊断

研究了微型三坐标测量仪中由压电陶瓷器件+柔性铰链构成的微动系统.根据该微动系统对定位精度的要求及微动系统具有迟滞、蠕变等强非线性的特点,该文提出一种神经网络自适应模糊推理比例微分积分(PID)位置控制系统,并进行了控制系统结构研究和实验分析.跟踪实验结果表明,智能PID控制能有效改善系统的动态和静态性能;定位精度实验表明两轴双向定位精度较传统PID控制有大的提高,达到了设计要求.     

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。     

Tracking position control of piezoelectric actuators for periodic reference inputs

The hysteresis characteristic is one of the major setbacks in precise tracking position control of piezoelectric actuators. In this paper, a position control method for a piezoelectric actuator is presented. The controller is based on PID control method augmented with feedback linearization loop. The feedback linearization loop uses a plant model drawn from the Maxwell slip model. The control strategy is then further extended to include a repetitive control algorithm for tracking periodic inputs. Experiments were performed on a 2-axis linear positioner driven by piezoelectric actuators. The experimental results show that the tracking performance is noticeably improved by augmenting a PID controller with both feedback linearization loop and a repetitive controller.     

基于H like模型的压电陶瓷作动器内模控制

针对压电陶瓷作动器的率相关特性降低应用端控制精度的问题,该文研究了基于Hammerstein like模型的内模控制策略。其中非线性部分由最小二乘支持向量机模型表示,动态线性部分由自回归历遍模型表示。在此基础上构建了系统逆模型,设计了内模控制器以实现对压电陶瓷作动器的跟踪控制,最后通过实验平台进行了验证。实验结果表明,实时跟踪100 Hz内的期望信号相对误差均小于10%,证明了所设计内模控制方案的有效性。     

压电驱动三维超微定位平台的性能研究

提出一种以柔性铰链结构为导向机构、压电陶瓷为驱动器的三维超微定位工作台,对三维超微定位工作台的非线性和动态特性的问题进行了研究,提出改善方法以提高系统的定位性能。将三维超微定位平台用于微操作机械手。     

Modeling piezoelectric actuators

The piezoelectric actuator (PEA) is a well-known device for managing extremely small displacements in the range from 10 pm to 100 μm. When developing a control system for a piezo-actuated positioning mechanism, the actuator dynamics have to be taken into account. An electromechanical piezo model, based on physical principles, is presented in this paper. In this model, a first-order differential equation is adopted to describe the hysteresis effect, and a partial differential equation is used to describe the mechanical behavior. Since, in practice, a PEA is most often used as an actuator for positioning mechanisms, we considered the influence of such a mechanism on the overall mechanical behavior of PEA and positioning mechanism together. For a well-designed mechanism, the overall mechanical behavior practically equals that of a single mass-spring-damper system, of which the undamped eigenfrequency and the relative damping can be designed favorably. With respect to traditional voltage steering, charge steering has the advantage that no hysteresis is encountered between electrical input and elongation. Electrical steering configurations for both cases of steering are presented. Finally, for the case of charge steering, we derived the total model of a piezo-actuated positioning mechanism. This model is dominated by the mechanical model, which could be designed favorably. Therefore, this model gives a broad range of possibilities for model-based controller design     

Development and Assessment of a Novel Decoupled XY Parallel Micropositioning Platform

This paper presents the development and performance assessment procedures for a new XY parallel micropositioning platform (PMP) aiming at a submicrometer accuracy for microscale manipulation. The uniqueness of the proposed microparallel platform lies in that it possesses an uncomplicated structure as well as actuation isolation and output motion decoupling properties, which facilitates the adoption of two single-input–single-output controllers. Based on the matrix method, the kinetostatics models of the PMP are established and verified by finite-element analysis. Via system identification, a digital lag--lead compensator is designed to compensate for the hysteresis of each piezoelectric actuator. A feedforward control is then implemented to construct a zero phase error tracking controller. Positioning performance of the PMP in terms of resolution, accuracy, repeatability, and contouring performances of 1-D and 2-D motions has been evaluated by several experimental studies. Experimental results not only validate the effectiveness of the designed controller but also show that both positioning and contouring of the PMP can achieve a submicrometer precision within a specified velocity range.