微位移系统中压电陶瓷驱动器迟滞建模

针对超精密微位移系统中压电陶瓷驱动器的迟滞非线性问题,提出了一种基于遗传反向传播(BP)神经网络的压电陶瓷迟滞非线性建模方法.通过电涡流位移传感器获取压电陶瓷驱动器不同电压值下所对应的位移值;利用六次多项式拟合获得迟滞的数学模型,从而建立基于遗传BP神经网络的迟滞,模型.实验结果显示:该迟滞模型在神经网络测试下的最大误差为0.082 1 μm,平均绝对误差为0.0158 μm.表明,所建的迟滞模型能够较精确地反映出压电陶瓷驱动器的迟滞特性,同时为微位移控制系统设计提供了一定的理论基础.     

压电陶瓷迟滞神经网络建模与线性补偿控制

针对压电陶瓷的迟滞非线性,本文首先进行实验测量得到压电陶瓷的位移迟滞数据;通过分析实验数据,引入线性方程实现压电陶瓷输入电压与输出位移关系的线性化,并建立了基于多项式拟合算法的神经网络迟滞模型;根据迟滞模型设计前馈控制器,分别采用了前馈开环和前馈结合PID的方法对压电陶瓷迟滞非线性进行补偿控制实验.实验结果表明,采用前馈开环控制,压电陶瓷位移主环迟滞减小了91.84%,位移次环迟滞减小了85.67%,位移跟踪的平均相对误差为2.97%;采用前馈结合PID控制,压电陶瓷位移主环迟滞减小了96.42%,位移次环迟滞减小了88.44%,位移跟踪的平均相对误差为2.04%.证明了该控制方法能有效地抑制压电陶瓷的迟滞非线性.     

大位移压电陶瓷驱动器的有限元分析

为研究压电陶瓷驱动器的驱动效能,制作了大位移压电陶瓷驱动器.基于压电陶瓷材料的机电耦合特性,应用动力学有限元分析方法,将大位移压电陶瓷驱动器离散成一系列四面体单元,分别进行了力学和电学分析.根据压电陶瓷的基本压电方程,耦合了位移模式与电场模式的有限元模型,建立了压电陶瓷驱动器的有限元动力学模性.利用有限元分析软件ANSYS中的直接耦合场进行分析求解,分析结果与试验测量值取得了良好的一致,证实了利用压电陶瓷双晶片弯曲变形,制作的大位移压电陶瓷驱动器结构设计的合理性.该分析方法对压电陶瓷驱动器的设计、制造与测试具有理论指导意义.     

压电陶瓷驱动器非线性建模研究

压电陶瓷驱动器电压位移之间的非线性特点严重影响着它的位移控制精度,建立压电陶瓷驱动器非线性模型是纳米级微位移测控中的关键环节.采用支持向量机回归的方法,通过引入核函数和损失函数将非线性回归转化成线性问题并提高回归精度,建立了一种新的压电陶瓷驱动器外环非线性模型,并就模型的准确性与其它建模方法进行了比较.试验证明,所建的基于支持向量回归的压电陶瓷驱动器非线性模型很好的描述了压电陶瓷驱动器外环非线性特点,误差控制在2%以内,并且建模过程简单,准确性高.     

基于应变式传感器的压电陶瓷定位系统设计

基于压电陶瓷驱动的纳米扫描和定位系统,是原子力显微镜系统的关键部件。本文设计了基于电阻式应变传感器(SGS）的压电陶瓷微纳米位移定位系统。该系统在硬件上采用仪表放大器对SGS应变信号进行RF滤波、放大、模拟滤波处理得到与压电陶瓷位移变化线性相关的电压信号,该信号由高精度AD采集,并通过控制器输出到上位机软件MATLAB中进行噪声分析、FIR数字滤波去噪、线性度分析。实验结果表明,该位移检测系统输出电压噪声峰峰值小于0.5mV,输出非线性误差小于0.06%,可实现2nm的位移分辨率。该定位系统可以应用于原子力显微镜的开发中。     

比例模糊控制在压电陶瓷执行器中的应用

针对压电陶瓷的逆压电效应,提出了一种以压电陶瓷驱动精密流量阀为执行器,采用压电陶瓷驱动流量阀阀芯,控制其开口大小,从而达到精确控制流过阀的液体流量的目的.在减压出口处安装了金属橡胶材料,以达到消除流体通过节流口后压力剧烈变化所产生的纹波现象,并就其驱动电压一输出位移一输出流量之间的数学关系建立模型.由于压电陶瓷的非线性、迟滞、蠕变等特性影响控制精度且控制复杂,提出了一种比例模糊控制方法,取得了较通常采用的控制方法更为理想的效果.     

压电陶瓷驱动器ECNLP动力学模型及其位移跟踪控制器的研究

针对压电陶瓷驱动器中存在的复杂非线性滞回动力学特性, 首先建立了一种新型机电耦合非线性集总参数(Electromechanical coupling nonlinear lumped-parameter, ECNLP)模型. 该模型不仅能够准确、合理地刻画压电叠堆中的非线性滞回动、静态特性, 而且充分考虑了驱动器中弹性和运动部件的动力学特性. 基于此模型, 利用微分几何的输入输出线性化原理, 实现了该模型的精确线性化变换, 并导出了相应的线性可控规范型子系统. 根据该子系统, 提出了一种基于LQ方法的压电陶瓷驱动器非线性位移跟踪控制系统, 并进一步验证了余下内动态子系统的稳定性. 最后, 通过仿真计算检验了系统的控制效果.     

压电微定位平台神经网络与专家模糊复合控制方法

为了消除压电微定位平台的迟滞非线性特性,实现高精度定位控制,采用具有两个隐含层的BP神经网络建立压电微定位平台的迟滞模型,以精确描述驱动电压与输出位移的迟滞关系;设计一种基于BP神经网络迟滞逆模型的前馈控制器,对迟滞非线性进行补偿,将迟滞非线性近似线性化.为进一步提高定位系统的精度,提出基于迟滞逆模型前馈补偿和专家模糊控制的复合控制方法.仿真结果表明,该复合控制方法可以将压电微定位平台的定位误差控制在0.091μm以内,从而有效地消除迟滞非线性对压电微定位平台定位精度的影响.     

基于微观极化机理的压电陶瓷迟滞控制模型

针对迟滞和蠕变现象严重影响压电陶瓷驱动器的控制精度问题,基于压电陶瓷微观极化机理,应用Langevin模型和电畴转向理论,解释了由于电畴转向能量损失.压电陶瓷电极化强度由不可逆的电极化强度和剩余电极化强度两部分组成,压电陶瓷应变和电场表现出迟滞现象,而应变和电极化强度呈线性关系,然后推导出基于电极化强度的控制模型.最后应用控制流过压电陶瓷的电流来实现电极化强度控制方法,实验结果表明,同电压控制方法相比,电极化强度控制方法可以显著减小迟滞,线性度好.     

基于原子力显微镜动力学模型的新型接触式扫描成像策略

面向高速高精度原子力显微镜的扫描成像策略是当今微纳米控制领域的热点问题。本文设计了一种新型的原子力显微镜接触式扫描算法,该算法充分挖掘了AFM压电陶瓷运动平台和微悬臂的动力学特性,通过对微悬臂偏转角进行跟踪控制以达到AFM高速高精度成像的目的。在动力学建模方面,本文提出了一种新颖的基于AFM压电陶瓷运动平台动态方程及微悬臂动态特性的复合动力学模型,该模型所构建的动力学系统可以通过压电陶瓷的输入电压对微悬臂偏转角进行精确控制。在此基础上,本文设计了一种新型的图像融合算法,利用AFM正反向扫描得到的两幅图像进行融合匹配,能够较好地消除AFM控制周期暂态特性所带来的图像畸变,提高AFM扫描成像准确度。本文所提出扫描成像策略的有效性在AFM实验平台上进行了验证,实验结果表明此成像策略能够在较高扫描频率下得到较为理想的成像效果。最后通过对比实验将这种方法与传统接触式扫描算法的成像效果进行了比较,结果表明对比传统方法本文所提出的AFM成像策略可以更好地保证成像速度和精确度。     

基于压电双晶片的微型无人机增稳驱动系统研究

研究了一种,基于压电双晶片的微型无人机增稳驱动系统,并设计了一种基于升压电路原理的压电驱动电源,该驱动电源采用机载电池供电,通过 0～5V 控制信号控制其运动,对驱动电源的动态特性进行了测试.同时为实现对整个驱动系统的自适应控制,采用光纤 Bragg 光栅(FBG)传感器对压电双晶片的位移变化特性进行了测量.研究结果表...     

Two-Axial Piezoelectric Actuator Controller Using a Multi-Layer Artificial Neural Network Featuring Feedback Connection for Tactile Displays

Although some compensation method is required when using a piezoelectric actuator because of hysteresis, a sensor feedback method is not suitable for an actuator array. In this study, we design a controller using a neural network to apply it to a tactile display composed of two-axial miniature actuators. This paper describes the two-axial miniature actuator, which is composed of two bimorph piezoelectric elements and two small links connected by three joints. A control system for the two-axial miniature actuator is designed based on a multi-layered artificial neural network to compensate for the hysteresis of piezoelectric elements. The output neuron emits the time derivative of voltage, a two-bit signal expressing increment or decrement condition is generated by two input neurons, and two input neurons calculate current values of voltage and displacement, respectively. The neural network is outfitted with a feedback loop including an integral element to reduce the number of neurons. In the experiment, if the result of the left piezoelectric element is compared to that of the right element, the displacement amplitudes and the inclinations coincide on the right and left piezoelectric elements. Although precise hysteresis characteristics such as loop width are considerably different, the present neural system can follow the difference.     

基于BTO／CNTs复合压电薄膜制备

介绍了一种新型的钛酸钡／碳纳米管（BTO／CNTs）压电薄膜的制备方法及其特性研究,利用BTO纳米颗粒、CNTs和聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为原材料,采用改进的sol—gel法制备出厚度均匀的复合薄膜,使用油浴极化法在一定条件下对复合薄膜极化。并利用SEM表征制备复合薄膜的掺杂效果,发现CNTs的加入加快了电子的转移速率。在周期性的外力作用下,发现其电压输出波形符合阻尼振荡模型,并测试不同配比下复合薄膜的压电电压输出,得出最佳BTO／CNTs质量比为10：l时,薄膜的输出电压最高可达4V。     

空间激光通信系统精跟踪单元PZT驱动电源的设计

压电陶瓷驱动电源是压电陶瓷微位移器应用中的关键部件。PA85是一种高电压、高功率MOSFET的带宽运算放大器,采用双电源供电,输出电流高达200mA,输出电压更可高达±215V。该文详细介绍了基于PA85的一种电源复合放大器的设计及仿真,通过对各项性能指标的仿真表明,该驱动电源具有精度高、分辨率高、稳定性好、纹波小和电路结构简单等优点。     

压电陶瓷驱动器迟滞非线性误差的建模与分析

压电陶瓷驱动器的最大迟滞非线性误差可以超过输出行程的15%,而快刀伺服系统(FTS)要求重复定位精度优于10 nm,相对线性度误差优于0.5%,压电陶瓷驱动器的误差无法满足该精度要求;首先对压电陶瓷迟滞非线性误差进行实验分析,将迟滞非线性误差分为频率无关迟滞现象和频率相关迟滞现象;接着对Bouc-Wen(BW)和Prandtl-Ishlinskii(PI)的频率无关迟滞模型进行修正和对比,确定了采用PI模型描述本文的频率无关迟滞现象,PI模型对频率无关迟滞曲线的辨识精度为0.392%;然后设计基于Hammerstein模型的频率相关迟滞模型,Hammerstein模型对频率相关迟滞曲线的辨识误差相比PI模型时,其均方根值降低了88.068%;提出了压电陶瓷驱动器迟滞非线性误差的建模方法,并分析了其有效性和准确性,给FTS伺服控制提供了一种实用的前馈控制器。     

压电扭转驱动器的有限元分析

为研究压电陶瓷的扭转驱动能力,制作了压电扭转驱动器,应用有限元分析方法,使用三维六面体耦合单元对压电扭转驱动器进行了力学和电学分析。根据压电陶瓷的基本方程,利用有限元分析软件ANSYS进行直接耦合分析求解。分析结果与试验结果取得了良好的一致,证实了利用压电陶瓷双晶片弯曲制作压电扭转驱动器结构设计的可行性。该分析方法与结论对压电驱动器的设计、制造与优化具有一定的指导意义。     

基于单神经元PID控制器的压电陶瓷控制方法

卫星地面综合测试是卫星研制过程中的重要环节,对系统功能验证及性能评估具有重要作用。传统的卫星地面综合测试系统存在研制周期长、投入较大、自动化流程不够完整、可重用性较差等不足。而北斗导航卫星地面综合测试系统采用分布式、高实时性、可配置、多主机的集成体系结构,是集计算机通讯、实时控制、实时数据处理、事后分析等功能于一体的测试系统,适用于从卫星总装集成到发射各个阶段的电气测试。通过卫星系统级的各项接口、功能、性能指标测试,表明该系统满足支持系统论证、状态确认、问题排查等测试需求,有力支撑了北斗导航卫星的成功发射和在轨运行。     

Deflection of coupled elasticity–electrostatic bimorph PVDF material: theoretical,FEM and experimental verification

Piezoelectric materials have wide applications in the field of mechanical, aerospace and civil engineering because of its voltage dependent actuation. Piezoelectric material goes through voltage generation whenever deflection is induced in it and vice versa. Piezoelectric bimorph beam has been widely used for sensing and actuating. In the actuation mode, an electric field is applied across the beam thickness, one layer contracts while the other expands. This results in the bending of the entire structure and tip deflection. In the sensing mode, the bimorph is used to measure an external load by monitoring the piezoelectric induced electrode voltages. In this research work, a 2D bimorph piezoelectric actuator model having two layers made of polyvinylidene fluoride (PVDF) material was developed to examine the inverse piezoelectric effect. Finite element analysis (FEA) was carried out on specially designed actuator model by using MATLAB Partial Differential Equation (PDE) Toolbox™. Theoretical analysis has been carried out to measure the tip deflection under applied electric field. The laboratory test was performed to investigate the deformation behavior of piezoelectric actuator. It is observed that, more the electric field applied, more the material would be deformed in a particular direction. The experimental results are in good agreement with numerical results.