Modeling of piezoelectric actuator for compensation and controller design

This work proposes a novel method for describing the hysteretic non-linearity of a piezoelectric actuator. The hysteresis behavior of piezoelectric actuators, including the minor loop trajectory and the residual displacement near zero input, are modeled by a set of hysteresis operators, including a gain and an input-dependent lag, as well as the parameter scheduling method. A hysteresis model, using the identified parameters, and containing only the dominant hysteresis operator, is presented herein. Based upon a simplified hysteresis model, tracking is controlled to reduce the non-linear effects in the characteristics of the piezoelectric actuator. A proportional-integral (PI) controller, with inverse model feed-forward, suppresses the tracking error to within ±1% full span range (FSR) of the actuator, noticeably improving the tracking performance of the piezoelectric actuator.     

基于初态矩阵控制的时延系统预测补偿算法研究

针对工业过程控制中难以避免的时延问题,分析了其产生的机理.对于系统等效时延,采用预测思想,阐述了以动态矩阵控制的预测状态空间形式,并在此基础上,提出了时延补偿算法.引入补偿因子和过渡因子在线整定预测控制量和时延控制量,使控制作用快速平稳过渡,对于突变频繁的时延系统亦能迅速跟踪输入.仿真结果表明,该改进算法的时延补偿性能良好,保证了控制的稳定性和快速性.     

加速度的扰动补偿在控制系统中的应用

为了提高直流力矩电机速度控制系统的伺服性能,使精密光电稳定平台具有更好的动态性能和更强的抗干扰能力,提出了一种基于加速度信号的扰动补偿控制方法。该方法建立了标称控制器,并利用加速度信号构造扰动观测器, 快速、精确地补偿外界扰动及由模型误差造成的影响,从而提高系统的响应速度及抗扰动能力。实验结果表明,该控制方法显著地改善了电机控制系统的动态性能,使电机响应迅速而且没有超调;对于阶跃型外界扰动,系统的速度仅出现了宽度仅0.1 s的脉冲型波动,且幅度比PID控制至少减小50%。此外,控制系统对于电机模型的不确定性具有鲁棒性。本文所述控制方法容易实现,适于工程应用。     

尺蠖型压电驱动器的闭环控制研究

针对尺蠖型压电驱动器的输出特性,提出利用驱动电压与输出位移分段线性拟合曲线、逐步“搜索”驱动电压值,从而逼近目标位置的闭环控制方法,分析了控制方法的可行性。针对该方法,构建了闭环控制试验系统,对该方法进行了验证,试验结果表明：采用该方法可以实现对尺蠖型压电驱动器的闭环精确控制,相比于开环工作而言定位精度提高了14.4%,该方法具有控制精度较高、响应迅速等优点。     

叠堆式压电陶瓷驱动器的复合控制

提出了逆Bouc-Wen前馈控制与反馈控制相结合的复合控制算法,用于改善压电陶瓷驱动器对目标轨迹的跟踪性能。建立了压电陶瓷驱动器的Bouc-Wen迟滞动力学模型,并用粒子群算法(PSO)对该模型的参数进行识别。基于Bouc-Wen迟滞模型,提出了逆Bouc-Wen前馈补偿控制。最后,为消除迟滞模型的不确定性,引入比例积分(PI)反馈控制,并与前馈补偿控制构成复合控制算法。建立了基于dSPACE实时系统的压电陶瓷驱动实验平台,迟滞实验结果表明:压电陶瓷的迟滞误差量几乎为0,线性度高达96.5%;目标轨迹跟踪实验结果表明:复合控制算法的最大跟踪误差为0.180 5μm,均方根(RMS-Root mean square)跟踪误差为0.055 4μm,跟踪精度达到了10-8 m。相比于开环控制、前馈控制及PI反馈控制,提出的复合控制算法能够基本消除压电陶瓷的迟滞非线性,同时具有很好的轨迹跟踪性能。     

Jiles-Atherton模型的超磁致 伸缩驱动器磁滞补偿控制

研究了磁滞补偿控制的方法,建立了基于Jiles-Atherton模型的磁滞补偿控制系统。介绍了Jiles-Atherton磁滞模型的主要思想及其主要参数,对该模型反向运动时磁化强度变化与磁场强度变化的对应关系进行了分析,并在此基础上,提出了利用磁滞环的宽度,通过重新给定反向起始点的迭代初值,实现磁滞补偿的方法。实验结果表明:对于阶跃响应,采用磁滞补偿时没有延迟,且达到稳态时间比不进行磁滞补偿时缩短12 ms;对于正弦响应,采用磁滞补偿时没有延迟,且均方误差比不进行磁滞补偿时提高了0.19 μm,能有效消除磁滞的影响,提高定位精度。     

压电陶瓷微位移器件控制模型的研究

从不同角度介绍了压电陶瓷微位移器件的两种控制模型.首先,借助于统计物理学分析,结合数学建模方法,建立了一个简单实用的压电陶瓷的迟滞数学模型.其次,借助于弹性体变形理论,介绍了压电/电致伸缩陶瓷的归一化控制模型,从理论上说明了采用电极化强度的方法可以有效减小迟滞的观点.并设计了两种实验系统,对两种控制模型进行了实验验证,实验结果表明,所建立的两种模型可有效减小压电陶瓷的迟滞非线性误差,提高压电陶瓷微位移的控制精度,有助于实现压电陶瓷驱动器的高精度开环微位移控制.     

基于改进PI模型的压电陶瓷迟滞特性补偿控制

压电陶瓷执行器的迟滞特性会降低星间激光通信精瞄系统的定位精度,对信标光的捕获以及链路的稳定性造成影响。针对这一问题,通过分析压电陶瓷执行器迟滞特性产生机理,提出一种基于PLAY迟滞算子的改进(Prandtl-Ishlinskii,PI)数学模型及其辨识方法,并利用该模型对压电陶瓷执行器迟滞特性进行前馈线性化逆补偿。并通过实验来验证数学模型和线性化的有效性,实验结果表明,通过对系统输入不同频率下等幅和减幅正弦控制信号来验证前馈逆补偿性能时,改进的模型最大拟合误差均在1%之内,通过前馈模型逆补偿的控制方法可使压电陶瓷驱动的线性度误差由5%减小到1%以内,并且改进PI模型在计算复杂度上由O(n)简化为O(1)。     

新型摩擦模型的参数辨识及补偿实验研究

针对影响运动控制性能的非线性摩控因素,对一种新型摩擦模型的参数辨识及其基于摩控模型的补偿进行了实验研究,详细地给出了摩控模型参数的辨识步骤及补偿算法,实验结果表明,此辨识方案及补偿算法可以应用于工业的高精度运动控制中。     

纳米定位系统动态误差灰色模型补偿方法研究

对等步距多工位工作的纳米工作台,采用灰色模型能够同时对定位误差中的系统误差和随机误差进行动态补偿。讨论了提高灰色模型精度的方法,建立了改进背景值的等维新息GM(1,1)灰色预测模型。用5 μm步距定位误差进行了一步预测分析,结果表明该模型具有较高的预测精度;5 μm和3 μm步距的定位误差预测补偿实验表明,工作台的定位误差可以控制在40 nm以内。实验证明了灰色预测模型用于纳米定位系统动态补偿的有效性,且需要的建模数据很少、计算量小,适用于具有时变特征的精密定位系统。     

压电陶瓷执行器迟滞补偿及复合控制

快速倾斜镜是星间激光通信终端精瞄系统的核心部件,其驱动装置为压电陶瓷执行器,而压电陶瓷具有迟滞特性,其严重影响了快速倾斜镜的定位精度,进而对星间通信链路的稳定性造成不利影响。为解决这一问题,本文设计了一种改进Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型对压电陶瓷执行器进行建模。在此基础上,提出了压电陶瓷执行器前馈线性化方法,以对迟滞特性进行前馈逆补偿。接着,提出了一种结合改进的P-I模型与增量式PID算法的复合控制算法,并在DSP中实现了该复合控制算法。最后,在试验平台上对该算法进行了验证。结果显示:当分别对系统输入10Hz和100Hz减幅正弦、等幅正弦曲线时,模型误差在0.59%以内,在输入同频100Hz以下的减幅正弦曲线时,传统PID算法的最大误差为59.31μrad,而该复合算法的最大误差为14.22μrad。实验数据表明,本文复合控制方法的动态跟踪性能明显优于传统PID方法,改进Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型可以精确描述压电陶瓷的迟滞特性。本文设计的复合控制方法满足实际应用对快速倾斜镜的要求。     

Research on back- pressure compensation characteristics of a pilot-assisted load control valve applied in overrunning load hydraulic systems

This paper reports the research of proportion flow control with back-pressure compensation feature on an LCV (load control valve). The back-pressure compensation feature means when back-pressure rises, flow of the LCV can be unchanged or lower. The back-pressure compensation feature is very important to the safety of the system, because high back-pressure will make the main valve open larger and lowering speed be undesired faster. In this paper, static equilibrium equations of LCV were established and influence relationship of back-pressure and other parameters was derived. In addition, back-pressure influence was simulated, based on above analysis a preliminary optimization scheme was proposed and tested. After that, the method of back-pressure compensation was proposed and has been verified by simulation. Finally, an LCV with back-pressure compensation feature was tested on the test rig. Experiment data validates that the main flow of the LCV with back-pressure compensation method was lower under a higher back-pressure and the pilot pressure control region was unchanged.     

Dynamic characteristics and dual control of a ball screw drive with integrated piezoelectric actuator

This paper describes the precision continuous path tracking control by using a dual-actuated single stage. First, fine-drive mechanism and the dynamic model of the entire drive system are described. In the simulation model, the dynamic characteristic of the dual-actuated stage is investigated to see whether it can provide precise motion by using dual control. Second, the fine motion controller is designed. Adjusting the control parameters, a positioning resolution of 20 nm and a bandwidth of 260 Hz were obtained. Third, the frequency responses of coarse and fine drives are experimentally investigated. After that, the dual controller is designed based on the investigated dynamics. Finally, whether coarse motion and fine motion could work complimentarily by the dual servo is examined in the experiments. By using the simultaneous dual controller, tracking errors were reduced sufficiently compared to the single coarse control.     

变转速泵控马达调速系统前馈补偿控制研究

针对变转速泵控马达调速系统稳速控制问题,建立了定量泵-变量马达调速系统数学模型。以数学模型为基础,考虑了系统变转速动力输入时变性和随机性对系统稳速输出的干扰,提出了前馈补偿控制方法,并对其数学模型进行了推导分析,得到了系统前馈补偿控制传递函数框图。该方法以系统流量为中间控制变量,通过定量泵扰动转速引起的系统流量变化实时补偿变量马达摆角,以实现系统稳速输出。以燕山大学泵控马达实验平台为基础,采用变频电机驱动定量泵实现了系统变转速输入,并以实验平台为基础搭建了Matlab/Simulink仿真平台,最后对所提出的前馈补偿控制方法进行了仿真与实验研究。仿真和实验结果表明,所提出的控制方法具有良好的控制效果,为变转速泵控马达系统的工程应用奠定了基础。     

基于预测补偿的伺服控制系统

本文介绍了基于预测补偿的控制器,能克服常规控制器的不足,保证伺服控制系统稳定快速的工作。给出了神经元的学习算法和负补偿量的表达式,最后得到仿真结果。     

基于电流偏差补偿模型的SICM自适应控制

扫描离子电导显微镜(SICM)能够在非接触条件下获取样品表面纳米级形貌特性信息,可以在生理液态环境下实现对活体细胞等柔软样品无损成像。但是通过前期大量实验结果,发现在使用连续扫描模式时SICM扫描图像存在"拖尾"现象,导致图像失真,并限制了扫描成像速度。针对这一问题,结合SICM成像原理进行分析,得出电流逼近曲线高度非线性是产生这一现象的主要原因,并提出一种基于电流偏差补偿模型的SICM自适应控制方法。主要思想是建立电流偏差补偿模型,利用上一行扫描高度数据作为先验知识预测当前扫描点位置,并输入补偿模型得到新的电流偏差作为系统被控量。最后分别用新旧控制算法对标准栅格扫描图像进行成像效果对比,实验结果验证了该算法在一定扫描速度范围内能够有效地解决"拖尾"现象,明显减小图像失真,为进一步提高SICM系统成像质量和成像速度提供了一种有效的技术方法。     

基于模型预测的感应电机弱磁控制研究

考虑工业场合对感应电机高速运行的实际需求,分析了感应电机在不同区域运行时的特点,特别对电机高速运行时的弱磁特性进行了研究,提出了一种基于模型预测算法的感应电机弱磁控制方法.首先预测被控对象未来的状态,再由滚动优化求出最优控制变量.仿真结果表明,基于模型预测算法的弱磁控制方法有更快的响应速度和较强的鲁棒性.     

非线性模型的压电元件复合控制方法

研究了压电元件的非线性及其复合控制问题。依据压电元件全程及局部伸长和缩短的实验数据,提出了一种根据外环曲线参数及当前坐标值确定比例系数,进而确定内环伸长曲线的数学模型。实验表明,这种全面反映内、外环曲线的非线性数学模型对上升和下降过程的最大拟合误差在全程范围内分别为1.2%和2.0%。利用此模型,可在压电元件非线性外环曲线及目前电压-伸长量已知的情况下,求出其下一时刻上升或下降的路径。以此模型为基础,构造了一种压电元件前馈复合控制算法,在输入峰-峰值为4 μm位移的情况下,得到了280 Hz的闭环带宽。同普通PID控制算法相比,带宽提高了30%以上。     

精密定位系统的摩擦力建模与补偿

为了提高由直线电机驱动的精密定位系统的定位精度,建立了优化Stribeck摩擦模型,对摩擦力这一影响定位精度的主要因素进行补偿。首先,对于传统的Stribeck摩擦模型进行优化,采用改进的最小二乘算法对模型参数进行辨识。然后,对所建立的摩擦模型补偿算法进行仿真并与扰动观测器的补偿算法进行比较,发现前者速度比后者速度在补偿后提高了4.33%,对摩擦力具有更好的补偿效果。最后,在大行程二维精密定位平台上进行验证,根据平台能够达到的最大速度定义0.005 m/s为低速运动,0.05 m/s为高速运动,在这两种速度下进行实验,并与基于库仑摩擦前馈补偿模型比较。实验结果表明：精密定位平台在速度为0.005 m/s的低速运动时,优化模型的跟随误差减小了67.67%;在速度为0.05 m/s的高速运动时,优化模型的跟随误差减小了51.63%,验证了优化Stribeck摩擦模型补偿算法的有效性。本文提出的优化Stribeck摩擦模型可用于提高由直线电机驱动的精密定位系统的定位精度。