压电陶瓷式执行器的动态特性的改善研究

针对电压陶瓷微位移执行器动态响应慢的问题进行了研究,提出用数字ＰＩＤ方法加以解决,并研制出一套实用控制系统,其中,研制出一种可微机控制的精密高压调节器,与单片机数字系统相配合,形成了一个完整的、数字－模拟电路结合的控制系统,用于实现压电陶瓷微位移器动态性能的改善。实验表明,该控制系统简单、可靠、实用。所提出的ＰＩＤ方法对压电陶瓷微位移执行器的动态特性有明显的改善。     

压电陶瓷驱动器动态特性的实验研究

动态响应的迟滞非线性是影响压电陶瓷驱动器高精度控制性能的一个重要因素，必须在控制中加以动态校正补偿。但由于驱动器的材料、结构和工作条件各异，所以关于动态非线性的定量描述难以建立一个统一的数学模型。针对这个问题，将PID参数的模糊自调整算法应用于微位移工作台，建立了一个动态特性的闭环校正控制系统，真正实现了工作台的快速响应．     

压电微动平台的改进PID控制

为使压电微动平台具有良好的静动态特性,即响应快,超调量小,无振荡及稳态误差小,采用比例、积分、微分(PID)控制法来对其进行定位控制。将常规PID控制中积分环节的矩形积分改进为梯形积分,以提高压电微动平台的控制精度;采用微分分离法对常规PID控制中的微分环节进行改进,以使压电微动平台在具有良好稳定性的情况下,具有很快的响应速度。实验验证了压电微动平台改进PID控制的有效性,结果表明,压电微动平台对4μm阶跃参考位移的响应时间为0.05s,输出略有超调,但无振荡,且稳态误差几乎为0;在变幅值三角波及任意波形参考输入作用下,压电微动平台的输出可很好地跟踪输入。     

压电微动平台的极点配置PID控制

为提高压电微动平台的位移输出精度,设计极点配置比例、积分、微分(PID)控制器对其进行控制。首先,在对压电执行器进行电学特性、机电特性分析的基础上,建立了压电执行器的数学模型;其次,在对平台进行受力分析、运动分析的基础上,建立了平台的动力学模型;然后,在保持平台极点虚部不变,且将系统闭环阻尼比取为1的情况下,将平台极点沿着平行于实轴的方向平移,设计出平台的PID反馈控制器;最后,实验验证了所设计控制器的有效性。实验结果表明,所设计的控制器可使平台具有较快的响应,在不考虑传感器噪声水平的情况下,平台在控制系统作用下的定位误差基本为0。     

多层压电执行器输出位移的模糊神经元PID控制

为了提升压电执行器输出位移的性能,该文采用模糊神经元比例、积分、微分(PID)控制器对其输出位移进行控制。首先,分析了压电悬臂梁执行器机电特性,搭建其动力学模型;其次,将模糊算法、神经元、PID三者相结合,设计出一种能快速、精确、抗干扰能力强的控制器;最后,对压电悬臂梁执行器控制系统进行了仿真,并通过实验验证了该控制器的性能。结果表明,压电执行器对5 μm阶跃目标位移的响应时间为0.3 s,且无超调,稳态误差中线由无控制时的0.57~0.66 μm减小为几乎为0;在跟踪由正弦信号、常值信号、斜坡信号所组成的目标位移时,跟踪误差几乎为0。该文所设计控制器可消除压电执行器的定位误差,并使其具有抗干扰能力强,响应迅速,无超调量等优点。     

直流电机复合定位控制系统的研究

特性及伯德图分析显示,比例、积分、微分控制器(PID)与压电陶瓷微位移定位系统(PZT)在直流电机定位控制过程中表现出较强的互补性.利用这一互补性,可构建直流电机复合定位控制系统(CPCS).运用Matlab软件对系统进行建模和仿真,动态响应曲线表明,对阶跃及连续参照位移信号,该系统可根据定位位移大小和定位精度要求,进行PID控制与PZT控制之间的自动切换,完成对目标定位物体的动态跟踪,实现快速精确定位,效果优于单一定位控制器.     

基于Buck电路的压电陶瓷脉冲驱动电源研究

为提升传统压电陶瓷驱动电源的效率与动态性能,以双N型金属 氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）降压拓扑为基础,设计了一种新颖的压电陶瓷脉冲驱动电源方案,并进行了理论分析与实验验证。电源系统中主电路对输入高压进行降压调节,采样网络实时地检测压电陶瓷的驱动电压与电流,通过闭环控制对输出电压进行调节。同时,为使压电陶瓷驱动电源具有良好的自动调节能力,引入了模糊比例 积分 微分(PID)控制算法,提高了驱动电源的动态性能。     

压电式微位移机构动态特性研究

压电陶瓷驱动器在较高电场的作用下将产生严重的非线性,从而影响其定位精度。压电陶瓷驱动器的非线性不仅与材料的非线性、蠕变、滞后等因素有关,还与器件的动态响应特性有关。动态响应的迟滞非线性是影响压电式微位移驱动器控制性能的一个关键因素,直接关系到控制精度的提高。该文采用前馈控制同数字比例、积分和微分环节(PID)控制相结合的复合控制算法对一维压电式微位移机构的控制过程进行校正补偿,建立了动态特性的闭环校正控制系统。实测结果表明,机构的动态响应时间显著缩短,实现了机构的快速响应。     

空间光通信终端精跟踪伺服系统研究

为了提高空间光通信中的精跟踪伺服系统的跟踪精度,采用神经网络比例-积分-微分算法,解决精跟踪伺服系统设计中光斑抖动时变不确定性和压电陶瓷驱动中存在的迟滞、蠕变和位移非线性等不足。通过3层结构反向传播神经网络自学习方法,在线调整比例-积分-微分控制器的系数,控制压电陶瓷驱动精瞄偏转镜偏转,最终达到精跟踪伺服系统优化控制。进行了理论分析和实验验证,取得了室内精跟踪数据。结果表明,神经网络比例-积分-微分控制算法增强了伺服系统鲁棒性,并提高了伺服系统实时性;采用400Hz的CCD,精跟踪伺服系统对40Hz以下的抖动能有效抑制,基本能满足在空间光通信中跟踪带宽需要。     

压电陶瓷迟滞逆模型的前馈PID控制

为减小压带陶瓷迟滞特性对系统跟踪精度的影响,在Preisach模型的基础上对压电陶瓷迟滞性进行建模。借助Matlab软件对实验数据进行拟合和采用逆控制思想,在迟滞逆模型的基础上提出前馈PID(即比例、积分、微分)控制算法。实验结果表明,压电陶瓷最大迟滞性控制在2.2%内,输入、输出具有较好的线性关系,带前馈的PID控制具有良好的控制性能。     

压电式微定位机构及其控制系统的研究

研究、设计了一种以柔性铰链为导向元件、压电陶瓷为驱动器的微定位机构，给出了机构的动力学模型。结合检测装置和微机控制系统，设计并研制了基于前馈控制同数字PID反馈控制相结合的复合控制的微定位系统。实验表明，微定位系统定位行程可达100μm，定位分辨力0．01μm。     

一维压电式微定位机构的设计研究

针对精密工作台高速、低精度的矛盾,以柔性铰链为导向元件、压电陶瓷为驱动器,研究、设计了一种一维高分辨率压电式微定位机构。由于精密工作台高速运动产生的运动惯量较大,欲实现亚微米级的定位精度是很困难的,因而在精密工作台运行到位后,由微定位机构对检测装置所检测出的定位误差进行补偿,以提高工作台的定位精度;由于压电陶瓷微位移器件输出位移过小,因此提出了一种单自由度对称式柔性铰链放大机构来提高微定位行程。给出了机构的动力学模型,并结合光栅尺检测装置,设计并研制了数字闭环定位控制系统,对微定位机构的定位特性进行了测试。实测结果表明,此微定位系统可实现高分辨率、长行程定位,定位分辨率达0.01μm。     

压电式微定位工作台及其控制系统

为了提高机床的定位精度，研究、设计了一种以柔性铰链为导向元件、压电陶瓷为驱动器的微定位工作台。微定位工作台在滚珠丝杠副驱动的基础上，对工作台进行了二次精定位。给出了工作台的设计简图，并对其动力学模型进行了分析，结合检测装置和微机控制系统，设计了基于前馈控制同数字PID反馈控制相结合的复合控制的微定位控制系统。实测表明，微定位工作台定位分辨率可达到0．01μm，可满足精密、超精密加工的需要。     

双晶片压电驱动器的研究

为实现较大的驱动力和速度,提出一种新型压电驱动器,研究了驱动器输出性能随压电泵工作腔数、频率的变化规律。制作驱动器,分别进行十腔串联压电泵/五腔压电泵并联、3~5个压电振子工作、50~400 Hz频率下的输出试验。结果表明,压电泵并联时驱动器的最佳输出功率较大;工作的振子数目不同,存在不同的最佳频率使驱动器的输出速度最大,相同的频率使输出推力最大;最佳频率时,驱动器的输出与工作的振子数目呈正比。在150V、380Hz时驱动器输出功率最大,此时输出速度和推力是10.72mm/s、57.7N。     

高动态大功率桥式压电陶瓷驱动电源

压电陶瓷在内燃机燃油喷射,精细电火花加工等高动态应用,对压电陶瓷驱动电源响应频率、输出功率提出更高要求。该文设计并研制了一种新型高动态大功率桥式压电陶瓷驱动电源,采用桥式输出设计,实现了电源转换速率、输出功率均增加1倍,输出带宽达到10kHz。其控制部分采用直接数字频率合成技术(DDS)实现正弦、三角、锯齿和方波的输出。     

精密直线压电驱动器的设计与研究

针对现有直线驱动器精度及输出位移受限等问题,该文基于改进的尺蠖原理,以压电陶瓷堆为动力源设计了一种新型精密直线驱动器。首先介绍该驱动器的结构原理、运行过程及实现方式,然后对该驱动器所用压电陶瓷的特性进行分析,并采用ANSYS对主要部件进行有限元分析。本驱动器采用特有柔性铰链结构和柔性箝位片设计结构,可实现双向移动和输出位移不受限,有效弥补了现有驱动器的一些不足,实用价值较高,有望在微驱动领域推广与应用。     

直线型压电液压步进驱动器的研究

采用纯净水为媒介,在初始加载压力0.04 MPa(最佳加载压力)时研究了不同外界负载时压电驱动器的输出规律。结果表明,加载后驱动器的输出速度规律发生变化,输出推力整体趋势不变。随着负载增加,输出速度和推力逐渐降低。空载时,驱动器在频率350 Hz有最大输出速度(为25.83 mm/s);负载5 N时,驱动器在400Hz达到最大输出速度(为16.59mm/s)。在频率140~260 Hz时,驱动器负载后的输出步长近似于直线。加载压力0/0.04 MPa时,驱动器的最大承载值是30N;加载压力0.3 MPa时,驱动器的最大承载值是20N。最大承载值随加载压力的增加而逐渐减小。存在最佳负载使驱动器输出功率达到最大;适当加载压力可提高驱动器的最佳负载值。驱动器的最大输出功率在91mW以上。     

压电固体作动筒的应用基础研究

通过对大位移压电固体作动筒的动力学模型的研究，探讨了压电固体作动筒在振动控制中的动力学驱动模型。通过对压电作动筒和结构之间的驱动传递关系的研究，以及在结构应用中获得达到最大的位移输出和最大的作用力的匹配关系的研究，为驱动器的一体化应用提供基础。最后研究了压电作动筒驱动力及输出位移，同时在不同的频率及负载下，对压电作动筒的驱动性能进行了实验，并进行讨论。结论表明：利用压电作动筒作为智能结构驱动器件，