精密磨床辅助工件平台的设计

为补偿精密磨床砂轮的振动对加工精度的影响，设计了一台作为磨床辅助进给装置的微进给工件平台。该工作平台采用压电陶瓷作为驱动机构，弹性铰链作为预紧机构。为了避免压电陶瓷驱动器受到弯矩的作用，在压电陶瓷驱动器的顶部和动平台之间加了一个球形接头。利用弹性铰链的预紧力，实现驱动器和动平台之间的赫兹接触。高精度的电容式位移传感器用来测量动平台的实际输出并形成反馈控制系统。为了消除压电陶瓷的迟、蠕变等非线性，采用了非线性PID控制算法来实现微进给平台的实时控制。采用跟踪微分器对信号进行跟踪并得到其微分信号，提高了控制系统的鲁棒性。通过计算机仿真了所设计的微进给平台的特性和闭环控制算法的有效性。     

以压电陶瓷为作动器的主动隔振研究

本文讨论了压电陶瓷作动器的性能和基于共振情况下的柔性结构的高频窄带主动隔振技术。由压电陶瓷作为作动器，激振器作为干扰源，铝制悬臂梁作为结构组成了系统装置。由力传感器将结构的信号经补偿器补偿后作用于作动器组成了闭环主动隔振系统，最后给出了经典的二阶补偿下的闭环隔振实验结果。     

基于压电元件的主动弹性隔振系统理论与试验

基于力作动器的传统主动隔振理论已得到广泛研究和较多应用,但要求较高的作动器功率,因此限制了较小功率的压电元件在主动隔振上的应用。将压电元件粘贴于一定形状的弹性元件上,构造成主动弹性隔振器件,使其具有传统被动弹性隔振器与主动隔振器两者的优点。通过综合考虑隔振系统的性能指标与主动弹性隔振器的自身能力,建立主动弹性隔振系统的理论模型,推导并分析反馈控制、前馈控制在主动弹性隔振系统中的应用框架。试验研究基于压电元件的Z形主动弹性隔振系统,通过采用粘贴其上的压电元件作为隔振器的作动器与检测隔振器内部性能的传感元件,用加速度信号作为隔振系统性能指标信号,分别采用前馈与反馈控制算法有效地实现了振动源的隔离。     

智能杆致动器优化配置及扭振主动控制试验

针对智能杆系统中压电扭转致动器的优化配置问题,提出了一种由柔性薄壁杆、压电扭转致动器和电阻应变片传感器组成的智能杆系统,对智能杆的扭转振动进行了理论与试验研究。采用拉格朗日方程和假设模态法推导了智能杆系统的动力学方程,建立了系统的状态空间表达式。选取控制器的最小输入能量作为致动器位置配置的优化准则,运用遗传算法获得了压电扭转致动器的最佳配置位置,并构建了试验系统。试验结果表明,获得的最优位置是合理的,将致动器配置在最优位置并实施相应的应变反馈控制,控制器的输入能量最小,智能杆的扭转振动能得到有效抑制。     

冗余度柔性机器人复模态振动主动控制

研究了具有压电作动器与应变传感器的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题；建立了受控系统的状态空间表达式；获得了压电作动器的实际控制电压，并根据连杆中点的应变信号对受控系统的状态进行了近似估计。仿真算例表明，该方法可以显著改善受控系统的动力学性能。     

一种新型压电作动器及在结构振动主动控制中的应用

针对传统压电片作动器直接粘贴到被控结构表面时受到的各种限制,文中提出并设计制作一种新颖的弓型压电作动器.该作动器由一个弓型梁座和粘贴于其上的压电片构成,使用时将弓型梁座粘贴于被控结构上,压电片驱动弓型梁弯曲变形,进而对被控结构产生作动.随后将其应用在弹性梁振动主动控制中,以验证这种新型作动器的可行性和有效性.采用热弹性比拟方法建立带弓型压电作动器的悬臂梁振动主动控制系统的状态空间模型,采用LQR(linear-quadratic regulator)方法进行控制器设计.基于dSPACE硬件在线控制仿真系统,进行悬臂梁振动的主动控制实验,并对这种新型压电作动器与传统压电片作动器的振动控制效能进行实验对比.实验结果表明,这种弓型压电作动器具有良好的作动效能和安装方便灵活、可重复使用等优点.     

基于光-压电的非接触式弹性圆环独立模态控制

在接近紫外波长的高能光束均匀照射下,极化的镧改性锆钛酸铅(PbLaZrTi,PLZT)铁电陶瓷具有反常的光生伏特效应,即在两极间会产生很高的电压。利用此电压信号来驱动层合于柔性板壳结构的压电作动器,可以实现对柔性板壳结构的非接触式控制。为实现弹性圆环的非接触式独立模态控制,利用模态展开技术及振型函数的正交性设计余弦状正交模态作动器,并利用PLZT产生的电压来驱动层合于圆环上的聚偏二氟乙烯(Polymeric polyvinylidene fluoride,PVDF)压电模态作动器。在控制策略上采用速度反馈的定光强控制,通过模态速度符号来调节压电作动器与PLZT的连接方向,以实现作动器产生控制力的正/负切换。采用Newmark-β法对弹性圆环在不同光强下的动态响应进行数值仿真分析。仿真结果表明,在PLZT产生的电压信号的驱动下,压电作动器对系统产生的驱动力随光照时间成指数倍增加,且光照强度越大控制效果越好。     

Delta并联机器人弹性振动控制

采用有限元理论建立Delta并联机器人弹性动力学模型,将弹性振动引起的位置和方向误差看作是对名义运动的摄动,得出动平台位形误差与结点位移的关系方程,作为评定机构运动精度的依据。在柔性构件上粘附阻尼层,消耗系统振动能量,抑制杆的横向振动,对杆的纵向振动采用压电作动器进行主动控制,兼顾响应与控制能量实现最优控制。实例显示,对机构综合采用以上两种振动抑制措施,可以将机构的振动水平控制在很低的水平。     

悬臂梁振动自适应模糊控制及DSP实现

以粘贴压电自感作动器的悬臂梁为研究对象,推导了悬臂梁振动主动控制的压电元传感方程和作动方程的传递函数,给出了压电自感作动器位置配置优化方法,设计了硬件电路以及软件流程.试验结果表明,利用压电自感作动器和模糊自适应控制器可有效地抑制悬臂梁振动.     

可控度/可观度在智能结构热压电致动器/传感器配置中的应用

研究智能结构中热压电致动器/传感器配置的优化问题。提出了热压电介质的动态控制方程。提出目标函数来评价系统可控度、可观度以优化致动器/传感器的放置,用具体算例讨论了热压电致动器/传感器的位置和数目对系统可控度、可观度的影响,由此得到了有关致动器/传感器配置的结论。     

综合模态H2范数下致动器/传感器的优化配置

致动器/传感器的优化配置问题是智能柔性结构振动主动控制中的关键技术问题,基于模态空间H_2范数研究了智能柔性梁系统中压电致动器/传感器的优化配置问题。根据Rayleigh-Ritz理论建立了系统的动力学方程并得到其状态空间表达式。提出了一种衡量系统能控/能观性并考虑模态权重的综合模态H_2范数准则,采用改进遗传算法研究系统中并置致动器/传感器的优化配置问题,得到了系统多个模态、综合模态H_2范数最优的致动器/传感器布局结果。实验结果表明,利用优化结果进行致动器/传感器的布局,系统单个模态和综合模态均具有较好的检测和控制效果,被控模态具有较好的能控/能观性,所提出的优化准则和优化方法是可行的。     

三自由度微定位工作台的设计与特性分析

设计一种用于平面磨削主动控制的新型数控微定位工作台。该工作台采用三个安装在底座上的压电陶瓷 (PZT)驱动器驱动动平台 ,三个圆形凹槽弹性铰链构成的弹性环节实现对压电陶瓷驱动器的预紧。为了提高定位精度采用三个高精度的电容式位移传感器用来测量动平台的输出 ,从而形成闭环控制系统。采用有限元分析软件ANSYS对微定位工作台的静、动态特性进行了数值分析。     

基于形状的复合材料层合板振动主动控制研究

根据Hamilton原理,建立了覆盖压电传感器／激振器的复合材料层合板的运动方程．并借助于压电方程、层合板理论得到了压电传感器、激振器的输出与输入方程。根据压电片随机布置产生的控制效果来确定最优整体压电片的形状。最后给出了计算实例,结果表明把压电片布置在靠近固定端和沿轴向布片为最优位置,可以达到比整体布片更优的控制效果。     

基于旋转磁铁箝位的压电尺蠖驱动器理论与试验分析

为简化压电尺蠖驱动器信号控制系统并降低摩擦磨损,提出了一种基于旋转磁铁箝位的新型压电尺蠖驱动器。该驱动器利用直流电机带动永磁体转动实现交替箝位,通过激光对射传感器感知永磁体位置产生的激励信号来驱动压电叠堆实现精密直线位移输出。优化了驱动器结构的相关参数,制作了压电尺蠖驱动器样机并对其进行试验测试,结果表明：驱动器性能稳定,最小分辨率为0.119 μm,最高速度和最大载荷分别为481.43 μm/s、950 g。     

采用压电陶瓷元件进行智能板振动控制

将分布的压电传感器／驱动器运用于智能板结构的主动减振控制中,分布的压电传感器能感知结构的局部应变状态,并通过控制回路反馈给驱动元件,构成闭环控制。建立了智能板闭环控制的分析模型,揭示在应变率反馈下,主动控制的机理是增加了结构的阻尼。用两对压电陶瓷元件仿真了柔性板的闭环控制,获得了令人满意的结果。     

压电智能悬臂梁的压电片位置、尺寸及控制融合优化设计

对压电智能悬臂梁振动控制中的压电片的位置、尺寸及其控制参数进行研究.在对压电片和基板的耦合特性进行分析的基础上,建立智能悬臂梁的压电传感、致动方程及基于闭环控制系统的状态方程,并以系统的存留能量作为目标函数,建立压电智能悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数的优化模型及一阶灵敏度分析表达式,并采用移动渐进线法(Method of moving asymptotes,MMA)对模型进行求解.采用Simulink对优化结果的动态响应特性进行仿真分析,仿真结果表明,采用提出的优化模型及算法对悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数进行优化是合理的.     

高频响伺服刀架的建模与控制

考虑目前应用压电陶瓷驱动器的伺服刀架只能提供单向驱动力,设计了一种基于双压电陶瓷驱动器的快速伺服刀架。涉及的两个压电陶瓷驱动器分别为刀具的进给和回复提供驱动力,其呈对称布置,用于有效提高刀架的整体刚度。为了对两个压电陶瓷驱动器进行联动协调控制,建立了PI迟滞模型和其逆模型,并设计了相应的联动协调控制方法。利用PI逆模型作为PID反馈控制的前馈环节构成复合控制用于调节快速伺服刀架的输出位移。实验验证了新型快速伺服刀架的响应频率、响应时间、位移响应特性和定位精度。结果显示:新型快速伺服刀架的响应频率为871.86 Hz,响应时间为0.000 45s;三角波信号的最大定位误差为3.366 1μm,误差百分数为7.63%,平均绝对误差为0.698 0μm,误差百分数为1.58%;正弦波信号的最大定位误差为3.244 4μm,误差百分数为7.67%,平均绝对误差为0.930 9μm,误差百分数为2.20%。     

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.     

压电陶瓷驱动微位移机构迟滞非线性改善方法研究

压电陶瓷驱动器在精密微位移系统中有着广泛的应用,但其固有的迟滞非线性严重影响系统的运动精度,使控制困难.通过数学建模方法建立压电陶瓷的迟滞曲线逆模型,并用此模型对压电陶瓷进行位移补偿,可以有效减小压电陶瓷迟滞非线性对系统精确控制的影响.提出一种用两个压电陶瓷协同驱动微动平台运动的微位移机构,通过基于迟滞逆模型的开环控制方法,对压电陶瓷位移进行误差补偿,可以实现微动平台运动与控制信号较好的线性对应关系.