基于多项式拟合的压电陶瓷迟滞神经网络建模

在压电陶瓷致动器优化设计的研究中,针对压电陶瓷的迟滞非线性特性,提出了一种基于多项式拟合算法的神经网络建模方法.由于压电陶瓷驱动器的迟滞现象是一种多对多的映射关系,而传统的建模方法只能对一对一映射进行建模.为解决上述问题,在对压电陶瓷迟滞现象的形成原因和特点进行深入分析的基础上,采用多项式拟合和神经网络相结合的方法对压电陶瓷驱动器的迟滞现象进行建模.仿真结果表明,采用多项式拟合算法的神经网络建模克服了传统建模方法只能对迟滞曲线进行分段建模的局限性,且拟合精度比较高,神经网络正模型的拟合误差为1.45％,神经网络逆模型的拟合误差为1.16％.表明上述神经网络模型精确地反映了压电陶瓷的迟滞特性.     

压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究

压电陶瓷驱动器是原子力显微镜(AFM)的关键组件。AFM在生物、材料及半导体等领域应用广泛,而利用AFM获得高精确的测试结果依然面临诸多挑战。其中,压电陶瓷驱动器具有迟滞、非线性等特点,在大范围高频工作状态下,对定位精度的影响更显著,这严重限制了AFM的进一步应用。本文围绕大范围压电陶瓷驱动器的迟滞性展开研究,设计一种基于改进型多项式拟合算法的迟滞建模方法,使得拟合模型可随输入信号频率的变化而变化,充分提高压电陶瓷迟滞模型的准确性。实验表明,该方法可为压电陶瓷驱动器建立准确的迟滞模型,建模过程简单,通过设计基于该迟滞逆模型的前馈控制算法,可使驱动范围在100μm的压电陶瓷驱动器的线性度提高至1.5%。     

压电陶瓷微位移驱动器在IC封装设备中的应用研究

在IC封装设备中，由于直线导轨的扭摆，造成的封装工作台工作梁末端的定位误差，是使工作台定位精度降低的一个主要原因。由于IC封装的高速高精度特性，使一般的误差补偿系统无法在其上进行应用。本文讨论了一种基于压电陶瓷的新的误差补偿方法，该方法通过电涡流传感器对直线导轨偏摆误差进行测量，从而在末端用压电陶瓷微位移补偿系统进行偏摆误差补偿，最后通过实验验证了方案的可行性。     

基于混合神经网络的压电陶瓷微位移执行器动态迟滞建模

提出了两个动态神经网络串联的混合神经网络动态迟滞模型,用以逼近压电陶瓷的迟滞特性.混合模型由两个动态RBF神经网络构成,前者形成一个相位超前的动态模型,其特性与压电陶瓷的输出特性类似,但在相位和幅值上有所区别;后者实现相位滞后的变换和幅值的非线性变换,以达到对压电陶瓷实际输出的逼近.仿真和实验表明,所提出的描述动态迟滞特性的动态迟滞模型是有效的.与PI模型相比较,具有较高的模型精度.     

基于RBF神经网络的压电位移台迟滞非线性建模研究

针对压电陶瓷微位移台固有的率相关迟滞非线性特性,以基于play算子的改进PPI模型构建迟滞算子,结合径向基(Radial Basis Function,RBF)神经网络模型,建立描述压电陶瓷微位移台迟滞特性的率相关模型.研究结果表明,在输入信号频率在10 Hz～90 Hz范围内时,模型输出的最大位移误差为0.399 0 μm～0.932 1 μm,均方根误差为0.259 4 μm～0.565 2 μm,相对误差为0.95％～2.48％.验证了基于PI迟滞算子和RBF神经网络的仿真模型能够准确有效的描述压电微位移台的率相关动态迟滞特性,具有较高的频率泛化能力.该方法易于实现,工程适用性强,具有较好的实用价值.     

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。     

HHT算法在压电陶瓷驱动器的微纳米位移传感器中的应用

针对信号虽然经过了模拟滤波,采集到的信号经过数据采集系统后不可避免的含有随机噪声,噪声限制了传感器的分辨率和系统的动态范围。提出利用HHT算法的经验模态分解对用于压电陶瓷的微纳米传感器采集到的数字信号进行数字滤波,将采集到的微弱信号进行进一步处理,以提高微纳米传感器在稳态输出时信号的信噪比从而提高传感器的性能。采用两种方法进行处理。其中一种方法是滤掉经过模态分解后信号中的最高频噪声,另一种方法是滤掉经过模态分解后信号中的前两阶噪声。最后对比实验结果证实了此算法的有效性,它能够改善传感器的线性度。     

压电陶瓷驱动器的建模分析与自适应逆控制

压电陶瓷驱动器的迟滞特性可用 Prandtl- Ishlinskii启动模型 (PIOP)描述 ,基于此本文提出一种自适应逆控制方案 .对象和逆控制器分别由一个 Prandtl- Ishlinskii停止模型 (PIOS)表示 ,应用稳定的归一化修正梯度算法 ,进行权值在线更新并收敛于驱动器逆模型实际值 .以降低非线性导致的控制误差提高控制品质     

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.     

基于径向基神经网络的压电作动器建模与控制

针对压电作动器(piezoelectric actuator,PEA)的率相关迟滞非线性特性,构建了Hammerstein模型对压电作动器建模.采用径向基(radial basis function,RBF)神经网络模型表征迟滞非线性,利用自回归历遍模型(auto-regressive exogenous,ARX)表征频率的影响,并对模型参数进行了辨识.此模型可以在信号频率在1～300 Hz范围内时,较好地描述压电作动器的迟滞特性,建模相对误差为1.99%～4.08%.采用RBF神经网络前馈逆补偿控制,结合PI反馈的复合控制策略实现跟踪控制,控制误差小于2.98%,证明了控制策略的有效性.     

压电作动器的动态迟滞建模与H∞鲁棒控制

压电作动器具有率相关动态迟滞非线性特性,给传统建模和控制技术提出了挑战.本文针对压电作动器,提出了一种基于Bouc-Wen的Hammerstein率相关迟滞非线性模型,其中Bouc-Wen模型和线性动态模块分别用于描述系统的静态迟滞非线性特性和率相关特性.同时,构造了一个基于Bouc-Wen模型的迟滞补偿器,将迟滞补偿器与被控对象串联使系统线性化;并建立了不确定性系统模型,提出了一种H∞鲁棒跟踪控制方案,可以实现给定频率范围内单频率和复合频率参考信号的良好跟踪.实验结果表明,所建动态模型具有良好的泛化能力,跟踪控制相对误差小于8%,证明了所提出方法的有效性.     

基于Bouc-Wen类迟滞模型的压电微动台建模

针对压电微动台驱动时,由压电陶瓷产生的迟滞现象,提出了一种迟滞模型.基于Bouc-Wen迟滞模型的基本思想,并针对Bouc-Wen迟滞模型进行了优化改进,大大降低了模型参数的辨识难度,缩短了运算时间,保证了模型的较高精度要求.为了验证模型的正确性,运用相关的实验设备对模型进行了实验验证.结果表明:改进后的模型定位误差为0.1866μm,最大相对误差为0.467%,验证了模型具有较高的精度以及该迟滞模型的可行性,为后续压电微动台控制器的设计提供了一种可行方案.     

循环神经网络前馈补偿的压电驱动器跟踪控制

压电驱动器固有的迟滞特性,以及其他动态特性严重地影响其跟踪性能.循环神经网络能够准确拟合非线性系统,并且具有记忆存储能力,本文设计了一种循环神经网络对压电驱动器的迟滞特性进行建模,进而得到能够准确模拟输出位移和输入电压之间关系的逆模型,并据此对压电驱动器进行前馈补偿.此外,考虑到建模误差以及其他扰动对驱动器跟踪精度的影...     

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.     

镍铬合金导线在电涡流位移传感器中的应用

基于电涡流的基本原理,以镍铬合金导线为涡流线圈,将导线绕制在陶瓷骨架上构成涡流探头,结合电源模块、放大模块和显示模块,设计制作了电涡流位移传感器。实验结果表明:该传感器能实现对金属位移的测量,具有结构简单、抗干扰能力强和测量精度较高等特点。     

压电陶瓷传感器稳定性的仿真分析

针对传感器测量高温体振动信号的稳定性问题,提出了将温度与结构特性相结合的仿真方法,讨论了温度场对压电陶瓷传感器稳定性产生的影响。根据压电陶瓷的正逆压电效应,采用ANSYS软件进行有限元仿真,得出了传感器稳定工作的频率范围和固有频率随温度变化的规律,并获得了固有频率和机电能量转换特性相对稳定的温度范围,由此为理论和试验分析提供了依据。分析实例体现了所采用的数值仿真方法在压电陶瓷传感器稳定性分析中的有效性和实用性。     

压电式精密驱动器及其闭环控制系统设计

提出了一种以压电叠堆作为驱动源的新型步进直线精密驱动器,设计了直线驱动器的整体结构,分析了直线驱动器的工作原理。制作了直线驱动器样机并进行试验测试,试验结果表明:步距与电压间具有良好的线性关系,但驱动器存在步距误差。采用PCI—6229NI数据采集卡,使用LabVIEW软件设计了驱动器闭环反馈控制系统,对比试验结果表明:驱动器定位精度显著提高,可达到0.06μm。     

微电热驱动器中偏置层的分析

设计了一种电热微驱动器,根据几何关系、泰勒公式和材料力学求得偏置层结构末端的位移公式,并验证了采用镍作为偏置层材料的合理性.通过Coventorware软件中的有限元模块进行仿真分析,得出施加驱动电压为5 V,响应时间为5 ms,驱动器的初始温度为300 K时,得出偏置层宽度W1与驱动器位移d的曲线关系.通过验证驱动器的最大应力为235 MPa,小于镍的许用应力,确定驱动器在W1=20μm可以进行可靠的工作.分析偏置层厚度和宽度的加工误差对驱动器末端位移的影响,可得在对偏置层进行加工时要严格控制偏置层厚度H1的加工误差.