压电微动平台的定位控制

为使压电微动平台定位速度快、定位精度高,采用复合控制方法来对其进行定位控制。基于保证模型精度并使精度在整个阈值区间变化尽量均匀的要求,来使阈值最优化,进而建立了压电微动平台的迟滞模型。基于所建平台迟滞模型,设计了其前馈控制器;为抑制平台的超调,在常规数字增量式PID中引入滤波器设计了其反馈控制器;将前馈控制与PID反馈控制相结合,设计了平台的复合控制器。实验结果表明:所建平台迟滞模型仅有7个算子,且均为有效算子,在16.3μm的最大实测位移下,模型最大误差为0.208μm;在复合控制作用下,平台达到5μm目标值的响应时间为0.173 s,虽慢于前馈控制,但明显快于PID反馈控制;在最大位移为17.155μm的参考输入作用下,若不考虑传感器噪声,平台的定位误差几乎为零。     

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.     

二维精密工作台测量系统设计

提出二维精密微动工作台的结构及控制方案。以直线电机作为驱动,由气浮导轨带动工作台实现水平x、y两个方向微位移运动,同时利用光栅传感器构成反馈控制。z方向采用激光位移传感器,实现非接触测量。     

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。     

压电致动的谐振式水下柔性结构动态迟滞建模及前馈补偿

具有运动灵活且操作方便优点的宏压电纤维复合材料(macro fiber composite, MFC)致动水下柔性结构广泛应用于水下仿生推进和变形控制系统中，但是MFC的迟滞非线性严重影响了系统的定位精度和操控性能。提出了一种改进Prandtl-Ishlinskii(PI)静态迟滞和传递函数动态模型串联的复合式模型来描述MFC致动水下柔性结构谐振状态下的动态迟滞行为。首先基于所提出水下结构的准静态迟滞特性辨识得到改进PI迟滞模型参数，然后通过传递函数串联馈通环节的动态模型捕捉MFC致动柔性结构的水下谐振特性。实验结果表明所建立的复合式动态迟滞模型能够很好地描述MFC致动水下柔性结构在谐振状态下的动态迟滞行为，并且在固有频率附近一定带宽范围内仍具有较高准确性。基于复合式逆模型的前馈补偿下，水下柔性结构在谐振状态下跟踪正弦轨迹的实测位移与期望位移基本重合，补偿后二者线性度较高，显著提升了MFC致动柔性结构谐振状态下的动态定位和跟踪精度，证实了所提出动态迟滞模型和补偿方法的有效性。     

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。     

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.     

面向微装配的压电陶瓷微夹钳建模与控制

建立了悬臂梁位移与外电场和外力之间的动静态模型以及压电陶瓷迟滞环的Backlash算子模型.以所建立的迟滞模型为前馈环节与PID反馈构成复合控制对悬臂梁进行位置控制.现场测试数据验证了该模型的正确性和复合控制方法的可行性,并分别用逆控制、PID控制以及复合控制方法进行了正弦曲线跟踪实验,这些控制方法的比较结果表明,复合控制策略具有最高的控制精度.     

汽车转向试验台加载系统惯性力补偿策略研究

针对汽车转向试验台加载系统的惯性力进行了补偿方法研究,通过机理建模原理建立了汽车转向试验台数学模型并得到简化方框图,求出方框图中相应的传递函数,分析试验台中转向器驱动系统和加载系统存在的耦合,并根据前馈补偿解耦原理设计了前馈补偿解耦控制器,以消除加载系统惯性力,最后将加载系统补偿前后的模型进行了Simulink仿真。解耦仿真结果表明,加入前馈补偿解耦器后,加载系统在不同频率下具有较高的跟踪精度,惯性力有效地得到补偿。     

舵机电液伺服加载复合控制方法研究

为解决飞机舵面加载控制中出现的强干扰、耦合等问题,分析被动式加载系统中干扰力矩的特点,对前馈补偿方法中存在的高阶微分补偿控制器物理上难以实现以及模型失配问题,提出了基于改进型前馈补偿结构和FCMAC-PID控制算法相结合的复合控制方法.在前馈补偿控制器设计中采用加载马达输出转轴角速度作为补偿输入,该种补偿器不仅有效地消除了多余力矩,而且降低了整个系统以及补偿器的阶次.针对普通PID控制器快速性和稳定性之间的矛盾,研究了FCMAC-PID控制器,在保证稳定性的同时快速性得到了改善.仿真表明:采用补偿复合控制器可以有效消除扰动,系统能快速准确跟踪载荷谱.     

基于电流解耦的表贴式永磁同步电机无源控制研究

为了提高表贴式永磁同步电机的电流环频率响应能力和转速响应性能,针对其无源控制器设计过程中因d轴、q轴电流存在耦合而造成期望互联矩阵未知参数过多的问题,结合电压前馈解耦控制,提出了一种基于电流解耦的无源控制器新型设计方法。首先,根据能量平衡原理和电压前馈解耦控制,构建基于电流解耦的表贴式永磁同步电机端口受控耗散哈密顿系统（port control Hamilton system with dissipation, PCHD）模型。然后,通过互联和阻尼配置的无源控制（interconnection and damping assignment passivity-based control, IDA-PBC）方法,完成表贴式永磁同步电机无源控制器的设计,并在设计过程中引入了电压前馈解耦控制,消除了d轴、q轴电流的耦合关系,使期望互联矩阵的未知参数由3个减少为1个。最后,搭建表贴式永磁同步电机测试平台进行实验验证。实验结果表明,当表贴式永磁同步电机的电流环采用基于电流解耦的无源控制器时,q轴电流响应频率由小于250 Hz增大为大于333 Hz;额定转速下的转速响应时间由0.16 s减小为0.11 s,超调量由2.0%减小为0.6%,稳态误差由5.98 r/min减小为1.15 r/min。研究结果可为永磁同步电机的无源控制器设计提供新思路。     

High-bandwidth control of a piezoelectric nanopositioning stage in the presence of plant uncertainties

Inversion-based feedforward techniques have been known to deliver accurate tracking performance in the absence of plant parameter uncertainties. Piezoelectric stack actuated nanopositioning platforms are prone to variations in their system parameters such as resonance frequencies, due to changes in operating conditions like ambient temperature, humidity and loading. They also suffer from nonlinear effects of hysteresis, an inherent property of a piezoelectric actuator; charge actuation is applied to reduce the effects of hysteresis. In this work, we propose and test a technique that integrates a suitable feedback controller to reduce the effects of parameter uncertainties with the inversion-based feedforward technique. It is shown experimentally that the combination of damping, feedforward and charge actuation increases the tracking bandwidth of the platform from 310 to 1320?Hz.     

含控制时滞的海洋平台前馈反馈最优跟踪控制

通过引入状态变换,将含控制时滞的海洋平台系统转化为无时滞系统.然后,通过引入渐近稳定的期望系统,基于波浪力线性外系统近似模型,给出了海洋平台系统基于二次型性能指标泛函的前馈反馈最优跟踪控制器设计方法及其控制器的存在唯一性条件.控制器的前馈增益矩阵和反馈增益矩阵可分别经由求解代数Riccati方程和Sylvester方程得到.仿真算例表明了方法的有效性,且在减小平台的振动幅值和控制力方面,前馈反馈最优跟踪控制方法优于前馈反馈最优控制方法.     

A Synthesis of Feedback and Feedforward Control for Process Improvement Under Stationary and Nonstationary Time Series Disturbance Models

Process adjustment strategy is an important part of the process improvement methods. The feedback control technique is used to compensate for the deviation of the output, and it has been intensively investigated. For continuous improvement and proactive strategies, feedback control has a delay and thus is not the ideal solution. In this article, motivated by a realistic manufacturing example, we propose the periodic shift disturbance models and investigate the feedforward control application from a new disturbance decomposition framework. We combine feedforward control with feedback control for maintaining the stability of the process and delivering products at target values. Then, we evaluate the performance of different control strategies for various disturbance models by using the output mean square error criterion. Sensitivity analysis of these control methods is made on different model parameter spaces, and robustness analysis for both model parameter and model structure misspecifications is presented. Two simulated examples show that the proposed control strategies can significantly reduce the variation of an evolving disturbance process. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

Feedforward Control Based on Neural Networks for Hard Disk Drives

We present a novel feedforward control based on neural networks to attenuate the effect of external vibrations on the positioning accuracy of hard disk drives. The neural network compensator, which is an add-on function on top of nominal feedback control, uses the accelerometer signals obtained from a sensor to detect external vibrations. Our feedforward control can be regarded as a nonlinear finite impulse response (FIR) that corresponds to linear FIR when the basis function of the neural network is linear. By neural network learning, the tracking performance of hard disk drives can be improved with no information on disturbance dynamics or sensor model. We have analyzed the stability of the proposed scheme by the Lyapunov criterion. Here, we give simulation results to demonstrate that our control scheme can eliminate the effect of external disturbances on positioning accuracy.      

精稳控制系统与跟踪架运动耦合问题的分离

精密稳定控制系统控制对象是可见电视光路中安装在跟踪架上的可控反射镜，跟踪架的运动将对反射镜的运动产生耦合作用。根据坐标转换主光电平台摄像记录系统的光路结构，提出了复合运动关系新的解耦方法，试验证明，该方法有效地分离了跟踪架的耦合作用，开拓了运动关系分离的新思路。     

多通道反馈主动噪声分布控制系统的实现

在主动噪声控制领域普遍使用前馈控制,但是其要求能够获得有效的参考信号,因此在许多不能得到有效参考信号的情况下,只能选择反馈控制。相比于单通道系统,虽然多通道主动噪声控制具有更优的降噪性能,但是存在着计算负荷较大的不足,采用分布式控制是一种简单易行的解决办法。实验结果表明分布式多通道反馈主动控制具有良好的降噪性能。     

硼酸盐晶须改性环氧树脂性能研究

以4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯(TDE-85)/甲基纳狄克酸酐(MNA)体系作为树脂基体,分别以硼酸铝晶须和硼酸镁晶须为增强相,制备了晶须增强复合材料.研究了以不同的偶联剂表面处理的晶须对树脂体系力学性能的影响,并通过扫描电子显微镜(SEM)分析了复合材料弯曲断面的形貌.结果表明支化程度最高的硼酸酯偶联剂(tert-BE4)的表面处理效果最好,硼酸镁晶须/树脂体系的力学性能优于对应的树脂/硼酸铝晶须共混体系.