超磁致伸缩致动器的广义预测-多模PID控制方法

摘要：为了克服超磁致伸缩致动器的磁滞现象对精密驱动定位精度的影响,在进行磁滞补偿的前提下,研究自校正PID控制方法,建立基于广义预测控制与多模控制结合的广义预测-多模PID控制方法。首先,介绍了广义预测控制的主要思想,并由此推导出PID参数与被控对象待估参数的关系。接着,针对起动阶段控制效果不平稳的问题,建立了根据PID参数变化情况,在线调整控制方法,实现在磁滞补偿后对致动器的控制。实验结果表明：采用广义预测-多模PID控制器,虽然单次平均运算时间比广义最小方差-模糊 PID控制器长7ms,但跟踪误差均方差减少0.066μm。能有效消除被控对象由于扰动带来的影响,提高跟踪精度,在对实时性、控制精度要求较高的精密定位领域,有良好的应用价值。     

超磁致伸缩致动器的广义最小方差-模糊PID控制方法

为了克服超磁致伸缩致动器用于精密驱动定位时磁滞现象所带来的影响,在进行磁滞补偿的前提下,研究了自校正PID控制原理,建立了基于广义最小方差原理(GMV)及模糊(Fuzzy)规则的广义最小方差-模糊PID(GMV-Fuzzy PID)控制方法.介绍了广义最小方差原理的主要思想,并由此推导出PID参数与被控对象参数的关系.在上述关系的基础上,建立了以误差与误差变化量为输入,待定参数k为输出的模糊规则.最后,根据在线估计的被控对象参数及GMV-Fuzzy PID的输出,在线调整PID参数,实现磁滞补偿后对致动器的控制.实验结果表明:采用GMV-Fuzzy PID控制器,每次运算时间比采用Fuzzy PID控制器缩短了0.015 4 s,跟踪误差均方差相差0.036μm.该方法能有效消除被控对象由于扰动带来的影响并缩短运算时间,在一些实时性及控制精度要求较高的精密加工场合,有良好的应用价值.     

超磁致伸缩致动器的广义最小方差-模糊PID控制方法研究

摘要：目的：为了克服超磁致伸缩致动器用于精密驱动定位时,磁滞现象带来的影响,在进行磁滞补偿的前提下,研究了自校正PID控制的方法,建立了基于广义最小方差原理（GMV）及模糊（Fuzzy）规则的广义最小方差-模糊PID（GMV-Fuzzy PID）控制方法。方法：首先,介绍了广义最小方差原理的主要思想,并由此推导出PID参数与被控对象参数的关系。接着,在上述关系的基础上,建立了以误差与误差变化量为输入,待定参数k为输出的模糊规则。最后根据在线估计的被控对象参数及GMV-Fuzzy PID的输出,在线调整PID参数,实现在磁滞补偿后对致动器的控制。结果：实验结果表明：采用GMV-Fuzzy PID控制器,每次运算时间比Fuzzy PID控制器缩短了0.0154s,跟踪误差均方差相差0.036μm。结论：能有效消除被控对象由于扰动带来的影响并缩短运算时间,在保证精度的前提下,提高实时性。     

超磁致伸缩致动器的小脑神经网络前馈逆补偿-模糊PID控制

针对超磁致伸缩致动器(GMA)在精密致动控制中存在的迟滞和位移非线性,提出了小脑神经网络(CMAC)前馈逆补偿结合模糊PID控制的新策略。通过小脑神经网络(CMAC)学习获得超磁致伸缩致动器动态逆模型用于对超磁致伸缩致动器迟滞非线性进行补偿;利用模糊PID控制降低小脑神经网络(CMAC)学习时的误差和抑制扰动,提高系统的跟踪控制性能,从而实现超磁致伸缩致动器的精密致动控制。仿真和实验结果表明:所采用的控制策略有效地消除了迟滞非线性的影响,系统的跟踪误差降低到了5%以下,而位移跟踪误差均方差仅为0.58。此外,这种策略的特点是学习和控制同时进行,控制系统能够适应被控对象动态特性的变化,使系统具有较强的鲁棒性,同时也能够有效地抑制外界的干扰,提升系统的自适应控制性能。     

强干扰条件下超磁致伸缩致动器的模糊滑模动态控制

针对强干扰条件下,超磁致伸缩致动器位移动态控制存在的不足,建立了强干扰下超磁致伸缩致动器动态线性化模型,设计了基于模糊切换增益调节的滑模控制器,实现了致动器的动态跟踪控制。提出的模糊滑模控制器能有效实现了致动器的动态控制,位移跟踪误差在5%以内,取得了良好的控制效果。     

超磁致伸缩致动器建模与控制仿真

设计一种超磁致精密伸缩致动器,对其构造和工作原理进行说明,并完成静态特性试验。通过对静态特性试验结果的分析,寻找到线性度比较理想的工作区间。在此基础上分析并建立所研制致动器的数学模型。为了提高致动器的响应速度和稳态输出,设计PID控制器进行校正,并对连续型和离散型的系统模型分别进行了仿真,得出控制器的控制效果,最后给出试验结果。对仿真结果和试验结果的对比分析,表明了所建立的超磁致伸缩致动器控制模型的有效性。     

压电陶瓷驱动器建模与控制技术的研究

由于压电致动器(PA)具有高带宽、高纳米位移分辨率和零机械摩擦等优点,其广泛应用于微/纳米操作、微/纳米定位和光学系统。然而,压电致动器的迟滞非线性却严重影响了其跟踪定位精度,甚至引起闭环系统失稳。为了模拟具有不对称特性的压电致动器的滞后特性和频率相关性,使用广义Bouc-Wen模型来描述压电致动器的滞后性并对该模型进行了参数辨识。然后,使用基于该模型的线性化反馈滑模控制器来改善压电致动器的迟滞非线性,最后采用MATLAB对压电致动器的位移与速度进行跟踪控制仿真,并对其位移误差进行仿真,以验证该模型的有效性,其显著提高了压电致动器的位移控制精度,有效提高了系统的鲁棒性,进而可显著提高双光子聚合加工系统的定位精度。     

基于Prandtl–Ishlinskii模型的超磁致伸缩驱动器实时磁滞补偿控制研究

针对超磁致伸缩驱动器(GMA)存在复杂的磁滞非线性易降低系统性能,导致系统不稳定的问题,建立了可以精确描述磁滞现象的模型并提出了合适的驱动控制方法。首先,基于Prandtl-Ishlinskii(PI)模型对GMA磁滞建模,并采用最小均方法(LMS)进行模型参数辨识,模型预测误差为0.037 9 μm。接着,通过对PI模型解析求逆进行实时补偿控制,从而有效减小磁滞误差,补偿控制误差为0.309 μm。实验结果证明,PI模型可以精确描述GMA磁滞现象,且具有计算简单,磁滞跟踪能力强的优点。基于该模型的实时磁滞补偿控制方法可以有效减小磁滞误差,提高GMA实时驱动定位控制精度,是实现GMA精密驱动控制的一种有效方法。     

精密磁致伸缩致动器的动态非线性多场耦合建模

为提高超磁致伸缩致动器(GMA)的精度,描述其在动态和准静态环境下的复杂磁滞行为,设计了具有精密位移输出的GMA,建立了包含磁滞及涡流损失的动态非线性多场耦合模型。首先,采用模块化方法设计了GMA;然后,利用热力学理论和能量守恒定律,建立了超磁致伸缩材料非线性多场耦合本构模型;最后,通过分析材料非线性本构行为与系统结构动态行为间的耦合过程,提出了GMA的动态非线性多场耦合模型。实验分析了能量损失及预紧力对系统特性的影响规律。结果表明:预紧力可改善系统输出特性且存在最佳预紧状态;建立的模型能够较准确预测位移,平均相对误差约为4.5%。另外,随着频率增加,异常和涡流能量损失以及磁滞量会增大,磁滞行为源于磁畴不可逆运动过程中的能量损失。实验还显示:对于精密GMA系统,不能忽略高频涡流效应。建立的模型较准确地描述了动态及准静态环境下GMA的复杂磁滞行为,由于考虑了材料本构行为耦合和系统动态行为耦合,进一步提高了GMA系统的精度。     

超精密隔振平台的广义预测控制系统仿真分析

超精密隔振平台振动控制系统是一个带不确定干扰的非线性系统。结合广义预测控制原理提出了一种计算机数字控制方法，该方法克服了一般线性状态反馈控制系统所存在的由于模型非线性和干扰引起系统控制精度变差的缺点。所设计的控制系统能够有效地抑制空气弹簧固有的非线性、超磁致伸缩致动器的磁滞和环境振动干扰。仿真结果表明，该方法使系统具有较好的鲁棒性和控制精度。     

扫描隧道显微镜微位移工作台的神经网络PID控制方法研究

提出了一种基于神经网络理论的微位移工作台控制方案。该工作台以压电陶瓷作为微位移驱动元件,对伺服电机大位移进行位移补偿。分析了压电陶瓷微位移驱动器的原理,建立了工作台的数学模型。神经网络PID控制器对工作台进行闭环控制,利用BP网络的自学习和自适应能力,实时调整网络加权值,改变PID控制器的控制系数,减小工作台的位移误差。采用专用的压电陶瓷驱动电源对工作台的位移进行了实验,相对于常规PID控制器,微位移为11.41 μm时的响应时间从1.5 s缩短到1 s,稳态位移误差从3.13％减小到1.05％,工作台的稳定性和定位精度得以提高,改善了扫描隧道显微镜的工作性能。     

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.     

基于模糊神经网络的精密角度定位PID控制

针对精密角度定位系统存在非线性、时变性,传统PID控制难以获得理想控制效果的问题,提出一种基于模糊神经网络的PID控制方法,将模糊控制、神经网络与PID控制相结合,采用3层前向网络、动态BP算法,利用神经网络的自学习和自适应能力,实时调整网络的权值,改变PID控制器的控制参数,整定出一组适用于控制对象的kp、ki、kd参数,实现精密角度定位PID控制的自适应和智能化。实验结果表明,采用BP神经网络整定的PID控制较传统的PID控制,控制性能有较大的提高,能有效提高定位精度,缩短定位时间。     

直线电机精密定位平台轨迹跟踪控制器设计

为了实现直线电机精密定位平台的位置和速度的轨迹跟踪控制,本文基于内模控制（IMC）的基本原理,在直线电机精密定位平台参数辨识的基础上,设计了定位平台速度环的模型状态反馈（MSF）控制器和基于位置环PID和速度环MSF的级联控制器。将PID/MSF级联控制器与速度/加速度前馈控制（VFC/AFC）相结合,构成了PID/MSF+VFC/AFC的复合轨迹跟踪控制器。该复合轨迹跟踪控制器通过整定速度前馈的增益来改善位置环偏差控制的跟踪滞后现象和动态响应,增加控制系统的稳定性和伺服精度;通过整定加速度前馈的增益在不减小级联控制器位置环增益的前提下,减小速度前馈带来的超调量,提高轨迹跟踪精度。基于MATLAB/dSPACE实时仿真控制平台,实现了某直线电机平台的轨迹跟踪控制。仿真和实验结果表明,该轨迹跟踪控制器的轨迹跟踪精度为±0.028 mm,定位精度为±4 μm,满足直线电机精密定位平台轨迹跟踪控制的要求。     

压电陶瓷驱动器模糊自整定PID控制方法研究

本文将模糊自整定PID控制思想应用于对压电陶瓷驱动器的控制，运用模糊理论的方法对PID的3个参数进行在线自调整，有效克服压电陶瓷驱动器迟滞，非线性的影响。在LabVIEW环境下实现了该控制算法。在此基础上，建立了实验系统，对压电陶瓷驱动器进行模糊自整定PID控制研究。实验结果表明，被控制方法明显提高了系统的动态性能和稳态精度，同时系统具有较强的适应性和鲁棒性。     

Model reference adaptive control for a piezo-positioning system

Piezoelectric (PZT) actuators having the characteristic of infinitely small displacement resolution are popularly applied as actuators in precision positioning systems. Due to its nonlinear hysteresis effect, the tracking control accuracy of the precision positioning system is difficultly achieved. Hence, it is desirable to take hysteresis effect into consideration for improving the trajectory tracking performance. In this paper, a model reference adaptive control scheme based on hyperstability theory is developed for a moving stage system driven by a PZT actuator. It is worth emphasizing that the controller can be constructed without a nonlinear hysteresis dynamic equation to compensate the hysteresis effect. According to simulation results, the tracking error was only nanometer order. Through experimental examinations, the tracking performance was obtained as precision as ten nanometers order which is the resolution limitation of the measurement system. The effectiveness of the proposed adaptive control scheme was validated.     

自适应PID控制与传统PID控制的无抖振切换

提出一个自适应控制器和一个传统PID控制器相互切换的控制方案,仿真结果表明,自适应PID控制方法在辨识精度、控制性能和跟踪能力等问题上可以和多模型自适应控制相媲美,从而省去了多模型自适应控制寻找大量合适模型集的不易,是一种简便有效的控制方法.     

GMA-DSP测控系统的PID控制设计与实现

设计了一种用于精密定位控制的超磁致伸缩微位移驱动器(GMA),介绍了其结构及工作原理,并构建了以DSP处理芯片TMS320F2812为控制核心的GMA位移闭环控制系统,在实验辨识系统控制对象模型的基础上,设计了PID控制调节器,经实验测试,成功实现了输出位移的高稳定、高精度自动控制,为GMA在高精控制领域的实际应用奠定了基础。