基于Bouc-Wen模型的压电执行器的前馈线性化控制器

本文提出并研究了利用Bouc-Wen模型构建压电陶瓷执行器的迟滞位移在线观测器的方法,并采用迟滞位移在线观测器构成前馈控制系统实现了压电陶瓷执行器的输出位移与输入控制电压之间迟滞关系的线性化。在此基础上设计了相应的数字控制算法,实现了一种基于数字信号处理器的前馈线性化控制器,建立了相应的实验装置并进行了实验验证。实验结果表明,当前馈线性化控制器的输入控制电压为频率0.5 Hz幅值5 V的正弦电压时(功率放大器放大倍数为20倍),压电陶瓷执行器输出位移的最大绝对误差和非线性度分别为1.25μm和2.37%;当前馈线性化控制器的输入控制电压为频率0.5 Hz幅值递增的三角波电压时,压电陶瓷执行器输出位移的最大绝对误差和非线性度分别为1.80μm和3.06%。采用DSP实现的前馈线性化控制器能够较好地实现压电陶瓷执行器输出位移与输入控制电压之间迟滞关系的线性化,而且由于是开环控制,成本较低。     

基于多次压电效应的微执行器

基于多次压电效应理论提出一种有别于传统压电执行器驱动方式的微执行器,且可实现弹性位移与多次逆压电位移的两级定位功能.详细地分析了基于多次压电效应的微执行器的原理,并采用PZT-5压电陶瓷叠堆进行实验,通过改变压电叠堆的边界条件得到了基于多次压电效应的微执行器的位移量,实验结果表明该微执行器产生的弹性位移、多次逆压电位移及总位移均与所施加外力具有较好的线性关系.实验结果不仅验证了理论分析的正确性,而且证明了基于多次压电效应的微执行器的可行性,同时,通过实验间接地量化出PZT-5的二次逆压电系数约为9.46×10-12m2/N.多次压电效应研究为压电执行器的设计提供了一条新途径.     

压电陶瓷执行器迟滞与非线性成因分析

从微观上系统分析了电致伸缩效应、逆压电效应和铁电效应的位移机理,表明:三种效应的位移机理是根本不同的;压电陶瓷执行器的位移主要是由逆压电效应、铁电效应所引起的,电致伸缩效应对位移的贡献极其微弱,可以忽略不计;单纯的逆压电效应是线性的,而铁电效应则是迟滞非线性的.指出了非180°电畴转向与转向的不完全可逆,分别是造成压电陶瓷执行器非线性和迟滞的根本原因.通过实验研究了驱动电压幅值、驱动电压频率、驱动循环次数及晶片厚度对压电陶瓷执行器迟滞和非线性的影响.     

阿基米德曲线形双晶压电执行器的设计与分析

文中开展了具有阿基米德曲线形驱动臂的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)双 晶压电执行器的设计、模拟仿真以及实验验证。 为验证不同设计的表现,分别设计并制造了全驱动型和半驱 动型压电执行器。 这2 种压电执行器通过商业化的生产工艺制造,与更复杂的 MEMS 系统兼容。 采用有限元 法分析了2 种执行器的位移与驱动力,还开展实验分别测试了 2 种执行器的位移与驱动力。 研究表明,在相 同的驱动电压下,全驱动型压电执行器的性能优于半驱动型压电执行器。 当驱动电压为 110 V 时,半驱动型 和全驱动型执行器的实验测量位移分别约为17 μm 和29 μm,相应的驱动力的实验测量值分别约为 9 mN 和 15 mN,实验结果与有限元分析结果相符。 仿真和实验结果表明文中提出的执行器设计方案是合理的。     

压电驱动晶体的特性研究

压电陶瓷迟滞特性是影响压电陶瓷驱动器位移输出精度的主要因素。在仔细研究现有的解决方案的基础上，采用Preisach模型对压电的迟滞性进行建模，并进行了相应的实验研究。实验结果证明该方法可以很好地降低压电陶瓷迟滞特性对位移输出性能的影响。而且采用压电陶瓷位移输出不回复到初始0电压状态的处理方法能够更地吻合实际情况。     

基于Preisach模型的压电陶瓷执行器线性插值法迟滞位移研究

论文介绍了基于Preisach模型的迟滞特性建模方法.通过一系列实验数据建立了Preisach模型,研究了如何应用线性插值法和BP神经网络方法进行任意Preisach函数X（α,β）值的求解,从而计算得到相应电压序列的位移,分析比较了两种方法的预测结果.实验表明,基于Preisach模型的线性插值方法方法可以更好地预测压电陶瓷执行器的迟滞位移.     

单管压电扫描器建模方法的研究及标定精度分析

文章对扫描探针显微镜中的单管压电执行器在x-y平面扫描的电压-位移特性进行了物理和数据分析,提出了一种新的基于采集数据的建模方法。仿真及实验证明,建立的模型能有效的消除扫描速度、扫描角度、非正交和耦合误差,提高了精度。避免了建模时对压电陶瓷内部机理（极化等）的分析,使模型参数的个数降低到很少,并对其标定精度进行了分析。该方法是一种在工程实践中非常实用的建模方法。     

压电陶瓷管的微位移测量与非线性校正

为了对原子力显微镜(AFM)中压电陶瓷管扫描位移进行非线性校正,提出了一种微位移测量与校正的简易方法.采用涡流位移传感器测量微位移,将其放大100倍以提高检测灵敏度;得到了压电陶瓷管的位移-电压曲线,其最高位移分辨率计算值为0.4 nm.根据AFM中压电陶瓷管的工作特点,确定扫描范围下测量得到的位移-电压关系,通过对等间隔像素点施加对应的非等间隔控制电压序列的方法进行非线性校正,依据像素点精度要求通过插值算法获得控制电压序列.系统采用LabVIEW虚拟仪器技术,校正后压电陶瓷管最大位移滞回偏差从10.1%降为0.4%.实验表明:扫描频率和扫描像素分辨率调节方便,同时校正算法复杂度也有所降低.     

基于压电纤维的微位移驱动器的研究

基于压电纤维复合材料特性研究,设计了一种新型的压电式微位移驱动器,它能够实现60μm的行程和亚微米量级的定位精度。对驱动器的电压-位移特性、分辨率以及迟滞和蠕变特性进行了实验研究,研究表明,相比于传统的压电陶瓷式微位移驱动器,这种新型的压电纤维微位移驱动器拥有更大的行程和更好的位移线性关系。本研究对压电纤维复合材料在微驱动方面的研究奠定了理论基础。     

Preisach迟滞逆模型的神经网络分类排序

为了补偿影响压电陶瓷执行器纳米定位系统精度的迟滞非线性,提高系统的控制精度,开展了基于压电陶瓷执行器的迟滞非线性逆模型的研究。兼顾到迟滞的擦除特性和建模的精确度,提出了一种Preisach逆模型分类排序法的神经网络实现方法,用神经网络取代了传统的反查值方法,以避免插值误差。建立三层BP神经网络,运用实测数据进行训练,确定各层权值;然后,结合排序得到的电压和位移极值信息,通过神经网络方法拟合出较精确的输入电压值。运用若干组实验数据检验了此逆模型的有效性,结果表明,该神经网络的实现方法将逆模型的平均误差降低到了1.5V以下,最大误差绝对值降低到了2.7V以下。与反查值方法相比,神经网络实现方法有效提高了压电陶瓷执行器纳米定位系统的迟滞逆模型的精度。     

压电执行器迟滞特性的自动采集及分析

压电微执行器用于纳米级微定位，预先获得其迟滞非线性特性是必要的，介绍了压电叠堆迟滞特性曲线的微机自动采集系统。系统基本部分是微机和通用数据采集板PCL-818L。高压运放输出作为高压驱动电源；电涡流位移传感器和后续减法放大电路承担测微位移任务，一定程度上可替代昂贵的精密电容位移传感器，测得了不同驱动电压范围的执行器迟滞特性曲线。     

动态非线性压电驱动机电耦合动力学系统建模及其宽带高精度位移控制系统研究

摘要：研究了压电陶瓷驱动器的复杂非线性滞回动力学系统建模及其位移跟踪控制问题。首先采用状态空间方程,建立了一种新型压电驱动机电耦合动力学系统集总参数（Piezo-actuated Electromechanical Coupling Lumped Parameter－PECLP）模型。该模型首次将动态本征非线性集成到压电叠堆的滞回特性中,并兼顾考虑了驱动器中弹性和运动部件的动力学特性。在此基础上,利用微分几何的输入输出线性化方法,导出了一个简化的线性规范型子系统。根据该子系统,设计了一种基于LQ方法的非线性位移跟踪控制系统。与现有控制系统的对比仿真结果表明,本文提出的控制系统不仅消除了驱动器的稳态定位误差,有效的实现整体动态性能的最优化, 而且将其在-3dB的截止频率从638Hz扩展到5217Hz,频带宽度提高了将近一个数量级。较好的改善了驱动器的高速频响特性。     

基于纳米定位的压电陶瓷执行器控制方法的研究进展

压电陶瓷执行器在较高电场的作用下将产生严重的非线性，迟滞和蠕变，从而大大降低了它的定位精度。从控制方式，驱动方式和控制算法上，分析，总结了国内外关于纳米定位中压电陶瓷执行器的各种控制方法，进而提出：压电陶瓷执行器在静态或对频响要求不高的场合下，应采用电压驱动，电容传感器反馈并同优良控制算法相结合的控制方法；而在对频响要求较高的场合下，应采用电荷驱动、电容传感器反馈并同优良控制算法相结合的控制方法。     

RBF neural networks hysteresis modelling for piezoceramic actuator using hybrid model

An radial basis function (RBF) neural networks rate-dependent hysteresis hybrid model for piezoceramic actuator is proposed. The piezoceramic actuator cannot be described by neural networks like the back propagation (BP) static neural networks because of its multi-valued hysteresis non-linearity. The proposed hybrid hysteresis model consists of hysteresis-like non-linearity in series with a dynamic RBF neural networks used for implementing non-linear transformations of the phase lag and non-linear magnitude. The hysteresis-like non-linearity model, which is composed of the previous output of piezoceramic actuator and input signal, differs from the hysteresis behaviour of piezoceramic actuator in only ways of their phase and magnitude, and it is used to describe the non-smooth behaviour of piezoceramic actuator. The results of both simulation and experiment show that the new modelling approach is very effective and of higher precision under a decayed input signal with the varying frequency.     

压电陶瓷执行器的动态模型辨识与控制

为了提高精密定位系统中压电陶瓷的控制精度,研究了压电执行器的动态模型及逆模型。根据Weierstrass第一逼近定理,提出了以多项式函数逼近Duhem模型中的分段连续函数f(·)和g(·),并应用递推最小二乘算法辨识Duhem模型的参数α 及f(·)和g(·)的多项式系数,建立了压电陶瓷执行器的非线性参数化动态模型。利用辨识结果建立压电陶瓷执行器的动态逆模型,避免对压电陶瓷执行器进行复杂的模型求逆;介绍了通过逆补偿和PID复合控制对压电陶瓷系统进行的控制。实验结果表明:仅通过逆补偿,可在0~200 μm使得控制绝对误差小于0.8 μm;在前馈逆补偿和PID环控制下,绝对误差可小于40 nm,结果验证了算法的有效性。该算法结构简单,适应性强,便于工程实现。     

Generalized preisach model for hysteresis nonlinearity of piezoceramic actuators

This paper presents a new approach for modeling the hysteresis nonlinearity of a piezoceramic actuator using a modified generalized Preisach model, and the use of this model in a linearizing control scheme. The developed generalized Preisach model relaxes the congruency requirement on the hysteresis loops of a piezoceramic actuator, which must be satisfied when using the classical Preisach model. The congruency property is experimentally proved to not hold when running the actuator on a minor hysteresis loop. A numerical expression of the model is derived in terms of first- and second-order reversal curve experimental datasets. Output prediction using this model is performed on both an exponentially decayed sinusoidal input signal and an arbitrary input signal, and the results show that the model can accurately reproduce the hysteresis response with an error of less than 2.7%. A tracking control system for a piezoceramic actuator is also developed by combining a PID feedback controller with a hysteresis linearizing scheme in a feed-forward loop. The results show that this new control system can achieve 0.25 μm tracking control accuracy, which is 80 and 50% less than that obtained when using an open-loop controller and a regular feedback control system, respectively.     

压电陶瓷执行器的神经网络实时自适应逆控制

目的：为了提高压电陶瓷执行器执行精度,提出消除压电陶瓷的非线性、非光滑的迟滞特性的方法。 方法：提出了基于内积的压电陶瓷动态神经网络非线性、非光滑的迟滞逆模型,采用反馈误差学习方法,避免了求取压电陶瓷的Jacobian信息,快速地在线得到压电陶瓷的逆模型,并结合PID反馈控制,在dSPACE系统平台上,实现压电陶瓷的神经网络自适应逆控制,为了提高实时性,程序采用效率高、速度快的C-MEX S Function编程。结果：实验结果表明：神经网络自适应逆控制的控制精度为：0.13μm,而PID控制精度为：0.32μm 。结论：所提出方法有效地消除了迟滞的影响,控制精度高。     

电致伸缩微位移装置的高精度控制方法研究

针对电致伸缩微位移高精度控制的需求，研究了基于非线性迟滞模型的前馈补偿与反馈技术相结合的控制方法，对电致伸缩微位移装置进行控制，取得良好的控制效果。将其应用于柔性工作台控制系统中，系统在跟踪正弦曲线时，跟踪误差小于5nm。     

压电陶瓷执行器迟滞特性的广义非线性Preisach模型及其数值实现

压电陶瓷执行器的迟滞非线性不具有经典Preisach模型的次环一致特性,直接利用该模型对压电陶瓷执行器的迟滞特性建模会产生较大误差。为了提高压电陶瓷执行器的迟滞特性建模精度,在非线性Preisach模型的基础上推导得到适用于压电陶瓷迟滞特性的广义非线性Preisach模型,并给出简化分类计算公式。广义非线性Preisach模型将经典Preisach模型表示定理中的次环一致特性修改为次环等弦长特性,放宽了对描述对象的限制要求。实验数据表明,与经典Preisach模型相比,广义非线性Preisach模型预测位移的误差绝对值的最大值降低了0.22 μm,均方根误差降低了0.11 μm,能够更精确地描述压电陶瓷的迟滞特性。