基于ILC的压电微动平台正弦扫描运动控制

研究了采用压电驱动器和柔性铰链结构的微动平台的正弦运动控制.首先分析了压电驱动器的滞回和非线性特性,建立了平台的传递函数;然后结合平台作正弦运动具有周期性的特点,提出了采用迭代自学习的控制策略并进行了实验研究.结果表明,微动平台的输出位移波形的精度和失真度得到了较大的改善,并成功应用于某激光测量扫描系统中.     

压电陶瓷驱动微位移机构迟滞非线性改善方法研究

压电陶瓷驱动器在精密微位移系统中有着广泛的应用,但其固有的迟滞非线性严重影响系统的运动精度,使控制困难.通过数学建模方法建立压电陶瓷的迟滞曲线逆模型,并用此模型对压电陶瓷进行位移补偿,可以有效减小压电陶瓷迟滞非线性对系统精确控制的影响.提出一种用两个压电陶瓷协同驱动微动平台运动的微位移机构,通过基于迟滞逆模型的开环控制方法,对压电陶瓷位移进行误差补偿,可以实现微动平台运动与控制信号较好的线性对应关系.     

基于二维微动平台的驱动电源设计

压电陶瓷驱动器在电场作用下将产生迟滞和蠕变,从而降低其定位精度,采用电荷控制可以减小位移迟滞和蠕变.本文简要介绍了二维微动平台的总体设计,根据系统的特点及要求,设计了电荷反馈式驱动电源.     

宏/微结合双驱动进给控制系统的建模与仿真研究

采用宏/微结合双驱动进给系统能使系统在大行程范围内具有较高的定位精度。本文设计的宏/微结合双驱动进给系统,由交流伺服电机驱动滚珠丝杠作为宏动机构,压电陶瓷驱动柔性铰链工作台作为微动机构。分别对宏动机构和微动机构进行了数学建模。采用双伺服环控制策略,由宏动机构跟踪输入信号,由精密光栅尺检测宏动机构的实际位移进行反馈构成内伺服环;微动机构将宏动机构的跟踪误差作为输入信号,实时进行补偿,构成外伺服环,实现了宏/微结合双驱动进给系统的连续跟踪控制。最后进行了仿真研究,仿真结果表明跟踪幅值为1mm频率为0.4Hz的正弦曲线,采用宏/微结合双驱动进给系统比只采用宏动机构跟踪误差由±1.6μm减小到了±6nm。     

压电式微固体模态谐振器电荷放大器负载效应的研究

文中采用串联电阻的方法,解决了传统的阻抗分析仪很难满足共振激励需求的问题,研究一种具有特殊电压激励方式的压电式微固体模态谐振器等效电路。通过绘制压电谐振器的导纳圆图,分析并获得压电谐振器在共振频率附近的等效电路参数。通过比较有无电荷放大器作为负载接入压电谐振器的实验结果,发现带有电荷放大器的压电谐振器等效电路的谐振频率从346.119 k Hz降低至344.979 k Hz。得出结论:如果电荷放大器作用于压电谐振器负载端,应该关注它对谐振频率的影响。     

混合导电填料力敏传感复合材料的阻温特性研究

文中研究了碳纤维对硅橡胶/炭黑力敏传感复合材料阻温特性的影响,并对导电机理进行初步的探讨。实验结果表明,随着碳纤维含量的增加,复合材料的电阻率由330Ω.cm减小到109Ω.cm,且呈非线性变化。由于碳纤维的加入,复合材料的阻温特性由NTC效应转变为PTC效应,PTC强度随碳纤维含量的增大而先增大后减小。在升降温过程中,复合材料的阻温曲线存在回滞环,回滞环宽度随碳纤维含量的增大而先增大后减小。     

压电陶瓷驱动器蠕变特性的研究

压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高、体积小、响应快、输出力大、不发热等优点，但其固有的迟滞、蠕变和非线性，严重影响了它的定位精度。在大行程微动工作台中，需要借助于位移放大机构来克服压电陶瓷驱动器位移行程小的缺点，但放大机构在放大位移的同时，也放大了压电陶瓷蠕变和迟滞误差的影响。本文通过对一种大行程压电陶瓷微动工作台蠕变特性的研究性实验，得到了该机构的蠕变特性曲线，找到了压电陶瓷驱动器蠕变的规律，为进一步修正和减少蠕变误差的影响、提高系统的定位精度，提供了科学的依据。     

采用耦合机构驱动的压电电机的研究进展

给出了压电电机的定义，按驱动方式对压电电机进行了分类；介绍了耦合机构驱动的概念及从蠕动驱动到楔蠕动驱动再到离合器驱动的发展过程，指出离合器驱动方式与传统的摩擦驱动方式相比，优点在于消除了摩擦损耗和易于进行精确的位置控制等；介绍了两种采用离合器耦合驱动的压电旋转型电机；分析了电机在研制过程中的技术难点在于消除或减小离合器回程间隙及位移放大机构等，指出耦合机构驱动的旋转型压电电机是今后压电电机发展的一个重要方向。     

压电驱动器的非线性模型及其精密定位控制研究

压电驱动器的非线性特性和迟滞特性是影响微动平台定位控制精度的主要因素。采用改进的Preisach模型对压电驱动器的迟滞特性进行建模，利用建立的Preisach模型进行开环精密定位控制和作为PID反馈控制的前馈环节的研究。实验结果表明，该模型能够有效地降低非线性迟滞特性对压电驱动器位移输出精度的影响，提高驱动器的动态响应特性。     

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。     

Note: creep character of piezoelectric actuator under switched capacitor charge pump control

A major deficiency in piezoelectric actuator performance is caused by hysteresis and creep effects. Switched capacitor charge pump control was previously proved to be an effective way to reduce hysteresis. In this work, creep character of a piezoelectric stack under charge pump control is investigated and modeled. Experiments show that the creep can be reduced by about 77% compared with the one under voltage control. The creep factor denoting the degree of creep shows hysteresis loops similar to displacement outputs under voltage control.     

超磁致伸缩执行器磁滞非线性建模与控制

针对超磁致伸缩执行器的磁滞非线性问题,应用Priesach理论模型建立了执行器的磁滞模型,并根据其逆模型设计了前馈补偿器,同时设计了磁滞模型的自适应算法和动态调整前馈补偿器的参数,最终实现对执行器磁滞非线性进行补偿和控制。仿真和试验结果表明该模型能够很好的描述执行器的磁滞非线性,采用自适应算法有效地改善了执行器输出位移的磁滞非线性,减小了系统的非线性误差,提高了执行器的控制精度。     

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.     

压电执行器动态迟滞建模与LQG最优控制器设计

为提高空间天文望远镜稳像系统中压电快摆镜(Fast Steering Mirror,FSM)的动态性能,对压电执行器(Piezoelectric Actuator,PZT)动态迟滞补偿和控制进行研究。鉴于基于广义Play算子Prandtl-Ishlinskii(PI)模型的求逆复杂性和迟滞曲线的非对称性,构造一种基于广义Stop算子PI逆模型来补偿压电执行器迟滞非线性。采用Hammerstein模型对压电执行器动态迟滞特性进行建模,以广义PI模型和自回归遍历模型(Auto-regressive Exogenous Model,ARX)分别表征Hammerstein迟滞模型中的静态非线性和率相关性,并针对迟滞率相关模型不确定性问题,提出一种前馈补偿和线性二次型Gauss最优控制算法(Linear Quadratic Gaussian,LQG)相结合的复合控制策略。利用自适应差分进化算法(Adaptive Differential Evolution algorithm,ADE)辨识和整定模型及控制器参数。实验结果表明:该动态迟滞模型能够有效描述1～100Hz频率范围内压电执行器迟滞曲线,拟合均方根误差为0.077 1μm(@1 Hz)～0.512 3μm(@100Hz),相对误差为0.31%(@1Hz)～2.09%(@100Hz);实时跟踪幅值为24.5μm的变频目标位移,LQG控制算法的跟踪精度相比于直接前馈控制和PID控制分别提高48.6%和27.02%。     

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。     

Switched capacitor charge pump reduces hysteresis of piezoelectric actuators over a large frequency range

Piezoelectric actuators exhibit large hysteresis between the applied voltage and their displacement. A switched capacitor charge pump is proposed to reduce hysteresis and linearize the movement of piezoelectric actuators. By pumping the same amount of charges into the piezoelectric actuator quantitatively, the actuator will be forced to change its length with constant step. Compared with traditional voltage and charge driving, experimental results demonstrated that the piezoelectric stack driven by the charge pump had less hysteresis over a large frequency range, especially at ultralow frequencies. A hysteresis of less than 2.01% was achieved over a frequency range of 0.01-20 Hz using the charge pump driver.     

超磁致驱动器迟滞系统逆模补偿控制

设计了超磁致驱动器和实验系统。针对超磁致伸缩执行器的磁滞非线性问题，对迟滞系统进行了可逆性分析后，采用BP神经网络对超磁致驱动器的迟滞特性建立了逆模型。分别进行了有逆模前馈的开环控制、传统PID控制和PID加逆模前馈的闭环控制来补偿迟滞特性。实验结果表明，逆模前馈补偿器有效地减小了系统的非线性误差，提高了执行器的控制精度。     

Output feedback integral control of piezoelectric actuators considering hysteresis

In this paper, output feedback integral control of piezoelectric actuators is considered with respect to the hysteresis effect. The linear dynamics of the piezoelectric actuator is modeled as a linear state space system with an input nonlinearity that considers the hysteresis effect. A proof of the Lyapunov stability of the system with integral control is presented, and a method for deriving the upper bound for the regulating gain is shown. A simple example is used to illustrate the approach, and then the approach is applied for tracking a step signal with an experimental single-axis piezoelectric actuator to verify that the system is stable.     

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。