压电陶瓷驱动器的复合控制方法研究

针对压电陶瓷驱动器中的迟滞非线性特性,提出一种提高压电陶瓷执行器定位精度的复合控制方法。建立了非等间隔阈值的Prandtl-Ishilinskii(PI)迟滞模型,通过自适应差分进化算法进行系统辨识,求取参数并建立逆模型。考虑到压电陶瓷迟滞非线性特性随输入信号频率变化的特点,采用融合PI逆模型前馈控制与滑模控制的复合控制方法用于压电陶瓷的精密驱动。实验结果表明,相比逆模型前馈和PID结合的复合控制方法,采用逆模型前馈和滑模复合控制方法,平均误差下降了0.0300μm,均方根误差下降了0.0346μm,能有效克服压电陶瓷迟滞非线性,提高系统跟踪性能。     

压电陶瓷作动器非对称迟滞的建模与补偿控制

针对传统Bouc-Wen模型不能反映压电陶瓷作动器迟滞的非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题,提出了一种改进Bouc-Wen模型,通过修改形状控制参数使其能够模拟压电陶瓷作动器的非对称迟滞曲线.利用粒子群优化算法辨识了所需的模型参数,进一步研究了基于模型的前馈补偿控制、前馈加PI反馈补偿控制对于实现高精度位移输出的效果;在开环前馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约42％;在前馈加PI反馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约20％.研究结果表明:在相同的控制方式下,采用改进Bouc-Wen模型能够得到比传统Bouc-Wen模型更高的轨迹跟踪精度;与单纯采用基于模型的前馈补偿控制相比,采用基于模型的前馈加PI反馈补偿控制可显著提高压电陶瓷作动器的位移输出精度.     

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%。     

压电作动器的率相关迟滞建模与跟踪控制

为了降低率相关迟滞特性对压电作动器的影响,研究了基于Hammerstein模型的建模方法和实时跟踪控制策略。以改进的Prandtl-Ishlinskii(MPI)模型表示静态非线性部分,以外因输入自回归模型(Autoregressive Model with Exogenous Input ARX)表示动态线性部分,建立了能够描述压电作动器率相关迟滞特性的Hammerstein模型。基于所建Hammerstein模型,设计了基于前馈自适应逆补偿和PI反馈的复合控制策略。最后,设计并实现了基于前馈逆补偿和PI反馈的复合控制策略来对比和验证所设计的控制策略的有效性。验证实验显示:采用文中设计的控制策略实时跟踪100Hz以内,幅值为11μm的单一频率信号和扫频信号以及变幅值的复合频率信号和正弦扫描信号时,均方根误差为0.280 8~0.437 3μm,相对误差为0.016 5~0.024 4,并且具有良好的实时性能。与基于前馈逆补偿和PI反馈的复合控制策略相比,提出的基于前馈自适应逆补偿和PI反馈的复合控制策略具有更高的跟踪精度。     

压电微动工作台的位移复合控制

为解决稳态精度和稳定性之间的矛盾,提高压电陶瓷执行器的控制性能,进而提高其驱动的微动工作台的定位精度,构造了一种前馈补偿同反馈调节相结合的复合控制算法。其中,前馈补偿为基于压电陶瓷执行器迟滞非线性模型的前馈控制,通过自学习算法来实现,用来补偿压电陶瓷执行器的迟滞非线性,提高对参考位移信号的跟踪能力;反馈调节为PID反馈控制,用来进一步校正前馈补偿没有消除的偏差以及由模型的不确定性所引起的误差,且为了减小积分饱和作用以及微分对扰动的敏感性,对PID算法进行了改进,使之成为一种变系数积分与加权微分的PID算法。试验验证了该算法的有效性,并将该算法同其他控制算法——开环控制、前馈控制、PID 反馈控制进行了对比试验研究,结果表明,复合控制算法比其他控制算法具有更好的性能。     

压电陶瓷作动器非对称迟滞建模与内模控制

压电陶瓷作动器被广泛应用于精密定位和控制中,但其本身存在的非对称迟滞非线性特性,严重影响了系统的定位和控制精度。针对这一问题,提出了一种基于广义Bouc-Wen模型的非对称迟滞建模方法,并利用差分进化算法辨识模型参数;基于所建的广义Bouc-Wen模型构建了其具有解析形式的迟滞逆模型,并设计了内模控制方案实现对压电陶瓷作动器的精密跟踪控制;最后在压电陶瓷作动器实验平台,对所提出的建模和控制方案进行了实验验证。对压电陶瓷作动器的建模结果表明,系统建模误差均小于0.051 0,比经典Bouc-Wen模型的建模误差降低约21%～46%;对100 Hz内幅值为20μm的期望位移信号的控制实验结果表明,所提出的控制方法具有良好的实时跟踪性能和跟踪控制精度。对100 Hz期望信号的跟踪控制均方根误差为0.491 6μm,相对误差为0.040 2μm,可以很好地满足实际工程需要。     

压电执行器动态迟滞建模与LQG最优控制器设计

为提高空间天文望远镜稳像系统中压电快摆镜(Fast Steering Mirror,FSM)的动态性能,对压电执行器(Piezoelectric Actuator,PZT)动态迟滞补偿和控制进行研究。鉴于基于广义Play算子Prandtl-Ishlinskii(PI)模型的求逆复杂性和迟滞曲线的非对称性,构造一种基于广义Stop算子PI逆模型来补偿压电执行器迟滞非线性。采用Hammerstein模型对压电执行器动态迟滞特性进行建模,以广义PI模型和自回归遍历模型(Auto-regressive Exogenous Model,ARX)分别表征Hammerstein迟滞模型中的静态非线性和率相关性,并针对迟滞率相关模型不确定性问题,提出一种前馈补偿和线性二次型Gauss最优控制算法(Linear Quadratic Gaussian,LQG)相结合的复合控制策略。利用自适应差分进化算法(Adaptive Differential Evolution algorithm,ADE)辨识和整定模型及控制器参数。实验结果表明:该动态迟滞模型能够有效描述1～100Hz频率范围内压电执行器迟滞曲线,拟合均方根误差为0.077 1μm(@1 Hz)～0.512 3μm(@100Hz),相对误差为0.31%(@1Hz)～2.09%(@100Hz);实时跟踪幅值为24.5μm的变频目标位移,LQG控制算法的跟踪精度相比于直接前馈控制和PID控制分别提高48.6%和27.02%。     

基于梯形算子的AFM驱动器非对称迟滞性校正

原子力显微镜(AFM)通常采用压电陶瓷(PZT)作为驱动器以实现纳米尺度的观测和操作。然而,PZT自身的迟滞非线性会对AFM观测质量和操作精度产生很大影响。基于Prandtl-Ishlinskii(PI)模型的前馈控制方法可对PZT的迟滞非线性进行补偿,但传统PI模型无法消除PZT的非对称迟滞性的影响。针对这个问题,提出一种基于梯形算子的非对称迟滞模型,并可用系统辨识方法获取逆模型参数,该方法可有效实现具有非对称迟滞特性驱动器的前馈补偿控制。AFM系统实验证明,该模型可有效减小非对称迟滞性导致的建模误差,基于该模型的前馈迟滞补偿控制可有效提高AFM的扫描成像质量。     

压电定位平台Hammerstein建模与反馈线性化控制

压电定位平台以压电陶瓷、柔性铰链作为驱动及放大机构,具有高定位精度和快响应速度,被广泛应用于各种精密/超精密定位领域。压电定位平台面临的主要挑战是压电陶瓷的固有迟滞非线性特性,这严重影响平台的定位和跟踪精度。针对此问题,提出一种基于Hammerstein结构的迟滞建模方法及基于此模型的输入-输出反馈线性化控制策略。首先,建立Hammerstein结构的迟滞模型,并进行模型参数估计。接着,以基于Hammerstein模型的输入-输出反馈线性化控制策略设计跟踪控制器。最后,在压电定位平台上对建立的模型和设计的跟踪控制器进行实验验证。模型辨识实验结果表明：提出的Hammerstein模型能有效地拟合压电定位平台输入量与输出量之间的迟滞非线性特性,其均方根误差小于0.5μm。轨迹跟踪实验结果表明：设计的跟踪控制器对期望信号（幅值60μm,频率100 Hz）的跟踪均方根误差为0.926 6μm,相较于基于改进的速率相关PI(Modified Rate-dependent Prandtl-Ishlinskii,MRPI)模型的前馈补偿跟踪控制、基于MRPI模型的前馈补偿与PID反馈复合跟踪控制,精...     

压电微操作平台的复合控制

由于压电驱动器的迟滞现象会使微操作平台出现非线性问题,严重影响了其运动精度和重复定位精度。为了解决该问题,提出一种前馈补偿同反馈调节相结合的复合控制算法。联合离散Preisach模型与支持向量机建立反映平台迟滞现象的理论模型,基于该模型采用迭代搜索方法得到离散Preisach逆模型,根据该逆模型对平台进行前馈补偿。反馈调节采用比例-积分-微分(propotion-integral-derivative,简称PID)控制,以校正前馈补偿无法消除的偏差及由模型不确定性所引起的误差。为了说明所提出的控制方法的可行性,对复合控制、前馈控制和PID进行实验验证比较分析,实验结果表明,所提出的控制方法具有更好的控制精度和响应快速性。     

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)。     

压电陶瓷微动台的复合控制

压电陶瓷微动台的迟滞非线性严重影响其动态定位精度,为了解决这一问题,采用一种改进的PI模型对微动台的迟滞非线性进行了建模.为了提高传统PID算法对压电陶瓷微动台的动态定位性能,将改进的PI模型与传统PID算法组合构成前馈复合控制算法,并进行了微动台的慢速与快速动态定位实验.结果表明,对同频曲线定位时,前馈PID复合算法的最大误差为传统PID算法的40％左右,平均误差为传统算法的20％～30％左右;对多频曲线定位时,前馈PID复合算法的最大误差和平均误差为传统PID算法的33％左右.数据表明前馈PID复合算法的动态定位性能明显优于传统PID算法.     

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。     

基于动态模糊系统模型的压电陶瓷驱动器控制

针对压电陶瓷驱动器(PZT)的迟滞非线性对周期性超精密跟踪精度的影响,对基于Takagi-Sugeno(T-S)型模糊规则的动态模糊系统( DFS)前馈+PI控制方法进行了研究。介绍了DFS模型前提部分和结论部分的辨识方法; 结合直接逆模型控制和迭代学习控制的思想,提出了周期性轨迹跟踪的DFS前馈+PI控制方法。最后,针对20 Hz的三角波和正弦波期望轨迹进行了跟踪控制实验。实验结果表明：提出的控制方法对三角波和正弦波期望轨迹的最大跟踪误差分别为0.25%和0.27%,相对于PI控制,跟踪精度分别提高了52倍和64倍,而最大跟踪绝对误差分别降低到5.1 nm和5.5 nm。结果显示这种控制方法易于实现,周期性轨迹跟踪精度高。     

Research on the control systems of a precision linear motor drive device

The model of a precision linear motor drive device (PLMDD) and its control requirements are analyzed. In order to enhance the tracking and anti-disturbance performance of the system, its third-order model is established, and disturbance-observer based input revising feedforward error compensation robust control algorithm, combined with integral-separated proportional integral derivative (PID) control algorithm is proposed. This includes feedback control algorithm and feedforward control algorithm. The feedback controller improves system tracking performance and suppresses load and mechanical disturbance while the feedforward controller compensates phase hysteresis introduced by feedback control. Theoretical analyses, simulations and experiments show that this control method increases the tracking precision of PLMDD from ±5 μm to ±2 μm and dramatically improves its anti-disturbance ability.     

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.