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。     

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%。     

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。     

高压共轨压电堆执行器测控系统开发研究

针对柴油机高压共轨燃油喷射系统压电堆执行器的研发需求,研制了压电堆执行器测控系统,设计了压电堆执行器测试台架,开发了压电堆执行器驱动电路和基于Labview的上位机监控系统。通过测试中电集团第26所的一款压电堆执行器的迟滞特性、蠕变特性、刚度特性和动态特性,验证了该测控系统的准确性。     

采用变间隔阈值PI模型的压电平台前馈控制

为提高压电微动平台在运动过程中的定位精度,设计前馈控制器来控制平台输出位移。首先,根据压电微动平台迟滞曲线的特点,在不降低模型精度要求的前提下,对迟滞曲线非线性较大区域进行细密划分,对线性较好区域进行稀疏划分,进而建立了变间隔阈值的平台Prandtl-Ishilinskii(PI)迟滞模型;接着,通过对所建平台迟滞模型求逆,给出了平台的前馈控制算法;最后,将所设计的前馈控制器作用于平台,对其进行了实际控制。结果表明,在4μm的目标阶跃激励下,平台的响应时间为0.01s,无超调,稳态误差中线从无控制时的0.4~0.5μm减小为0~0.2μm;在最大值为20.7μm的幅值衰减三角波输入作用下,平台定位误差中线的最大正负差值从无控制时的3.82μm减小到1.15μm。所设计的控制器可有效减小压电微动平台的迟滞误差。     

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.     

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。     

基于有限元方法的三维微动平台设计

为了获得结构简单、紧凑的三维微动平台,采用并联结构设计平台的新构型。首先,基于直角柔性薄板结构,对微动平台进行了结构设计,所设计平台既可实现x、y方向的平动,又可实现绕z方向的转动,且具有较大的工作台面;然后,采用有限元方法对微动平台的位移、应力等静态特性,以及模态、频率响应、阶跃响应等动态特性进行分析;最后,通过实验对所设计平台的静、动态特性进行了测试。结果表明:在120V的驱动电压作用下,平台沿x、y方向的最大位移分别为24.08μm和23.24μm,绕z方向的转角为139μrad;平台沿x、y方向及绕z轴的固有频率分别为2.25kHz,2.28kHz和4.01kHz;在50N的阶跃力作用下,平台沿x、y方向的稳态位移分别为2.40μm、2.45μm,响应时间约为2ms。     

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...     

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。