压电陶瓷作动器非对称迟滞建模与内模控制

压电陶瓷作动器被广泛应用于精密定位和控制中,但其本身存在的非对称迟滞非线性特性,严重影响了系统的定位和控制精度。针对这一问题,提出了一种基于广义Bouc-Wen模型的非对称迟滞建模方法,并利用差分进化算法辨识模型参数;基于所建的广义Bouc-Wen模型构建了其具有解析形式的迟滞逆模型,并设计了内模控制方案实现对压电陶瓷作动器的精密跟踪控制;最后在压电陶瓷作动器实验平台,对所提出的建模和控制方案进行了实验验证。对压电陶瓷作动器的建模结果表明,系统建模误差均小于0.051 0,比经典Bouc-Wen模型的建模误差降低约21%～46%;对100 Hz内幅值为20μm的期望位移信号的控制实验结果表明,所提出的控制方法具有良好的实时跟踪性能和跟踪控制精度。对100 Hz期望信号的跟踪控制均方根误差为0.491 6μm,相对误差为0.040 2μm,可以很好地满足实际工程需要。     

压电陶瓷执行器迟滞非线性补偿与最优控制

为提高空间望远镜精密稳像系统中压电驱动快摆镜(FSM)的摆动精度,对压电陶瓷执行器迟滞非线性补偿和控制技术进行研究。针对压电迟滞的非对称性以及Duhem模型求逆过程复杂的问题,对Duhem模型中的微分方程进行变换,直接建立Duhem非对称逆迟滞模型作为迟滞前馈补偿器,并利用免疫差分进化算法辨识模型参数。在Duhem逆模型补偿压电静态迟滞非线性的基础上,引入基于优化参考跟踪的线性二次型高斯(LQG-ORT)控制方法进一步提高压电执行器的动态定位精度,采用动态迟滞率相关自回归各态历经模型(ARX)建立状态空间方程,用于卡尔曼滤波器预测状态变量和控制器计算状态变量的最优控制系数矩阵。实验结果表明：直接建立的Duhem非对称逆迟滞模型能有效描述压电执行器非对称逆迟滞曲线,拟合均方根误差为0.635 9 V(0.5 Hz),相对误差为0.79%(0.5 Hz);实时跟踪幅值为24μm,频率范围1～80 Hz的目标位移信号,LQG-ORT算法的跟踪误差为0.065 5μm,相对误差为0.27%。     

压电超精密定位台的动态迟滞建模研究

为了提高压电超精密定位台的建模精度,采用Backlash-Like迟滞非线性模型来描述压电超精密定位台的迟滞特性,采用基于遗传因子的递推最小二乘法来辨识Backlash-Like模型的参数,并结合压电超精密定位台的动态特性,建立了压电超精密定位台的二阶动态迟滞模型。通过实验得到,对比Backlash-Like模型,动态迟滞模型在频率为30和40 Hz时,最大输出位移误差由1.21和1.39μm下降到0.32和0.44μm,且最大相对误差分别仅为3.5%和4.4%,平均位移误差由0.53和0.76μm下降到0.17和0.21μm,平均相对误差由1.93%和3.38%下降到1.11%和1.37%。实验结果验证了提出的动态迟滞模型,既能减小了因压电超精密定位台的动态特性而引起的系统误差,又能很好地模拟其迟滞特性与动态特性,并且避免了不同频率下的模型参数反复辨识问题,提高了压电超精密定位台在高频、快速、大行程定位中的精度。该方法简单且适应性强,易于工程实现。     

压电陶瓷执行器的类Hammerstein模型及其参数辨识

针对压电陶瓷执行器的迟滞非线性对压电陶瓷精密定位的影响,提出了应用类Hammerstein模型对压电陶瓷执行器进行建模的方法.建立了压电陶瓷执行器的迟滞模型并且描述其频率相关性.利用类Hammerstein模型把压电陶瓷执行器看成静态迟滞模型和动态二阶系统的串联,其中静态模型由分类排序的Preisach模型进行描述,二阶系统应用遗传算法辨识其参数.实验结果表明:加入二阶系统后,类Hammerstein模型对频率的相关性有较大增强,其误差相应地大幅降低,在800 Hz时平均绝对误差为0.339 2 μm;丽由Prcisach建立的迟滞模型的误差随着频率的增大而大幅增大,在800 Hz为0.888 1 μm.     

压电执行器的Bouc-Wen模型在线参数辨识

现有的定参数Bouc-Wen模型由于无法表征压电执行器迟滞具有的频移和时变性,极易产生较大的模拟误差。为了精确地模拟压电执行器的迟滞特性,本文建立了压电执行器的Bouc-Wen模型,并采用递推最小二乘在线辨识方法来实时辨识Bouc-Wen模型的参数。为了避免出现数据饱和现象,使用限定记忆来限定辨识方法所使用的数据组数。为验证该辨识方法的有效性,建立了相应的实验系统对其进行实验验证。实验结果表明,限定记忆递推最小二乘在线辨识方法能使Bouc-Wen模型也呈现频移和时变特性。以100 Hz的驱动电压为例,其最大绝对模拟误差从1.38μm降为0.51μm。因此,与传统的离线参数辨识方法相比,限定记忆递推最小二乘在线辨识方法能够有效地提高Bouc-Wen模型的模拟精度。     

压电微定位台的率相关动态迟滞建模及参数辨识

针对压电微定位台固有的率相关迟滞非线性严重限制其微定位精度的问题,研究了基于Backlash-Like的Hammerstein率相关迟滞非线性模型及其建模方法。以改进的Backlash-Like分段辨识模型描述压电微定位台的静态非线性特性,结合ARX(Auto Regressive eXogenous)模型,建立描述压电微定位台的率相关动态迟滞模型。同时,针对传统的粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)进行模型参数辨识时易陷入局部最优的问题,提出一种具有交叉变异策略的改进型粒子群算法进行模型的参数辨识。实验结果表明:与传统的Backlash-Like模型相比,改进的Backlash-Like分段辨识模型在输入电压为60V,频率为2Hz的信号时,模型辨识的最大误差由0.68μm下降到了0.104μm,最大相对误差由2.69%下降为0.35%。当压电微定位台输入电压为60V,频率分别为30Hz,60Hz和90Hz的单频信号时,Hammerstein率相关迟滞模型较Backlash-Like分段辨识模型,均方根误差由0.393 1～0.700 6μm下降至0.054 1～0.190 4μm,相对误差由1.721%～3.087%下降至0.236%～0.831%。验证了基于改进Backlash-Like的Hammerstein率相关迟滞模型较传统的Backlash-Like静态迟滞模型能精确地描述压电微定位台的率相关动态迟滞特性,具有较好的频率泛化能力,提高了压电微定位平台的定位精度。     

压电陶瓷驱动器的复合控制方法研究

针对压电陶瓷驱动器中的迟滞非线性特性,提出一种提高压电陶瓷执行器定位精度的复合控制方法。建立了非等间隔阈值的Prandtl-Ishilinskii(PI)迟滞模型,通过自适应差分进化算法进行系统辨识,求取参数并建立逆模型。考虑到压电陶瓷迟滞非线性特性随输入信号频率变化的特点,采用融合PI逆模型前馈控制与滑模控制的复合控制方法用于压电陶瓷的精密驱动。实验结果表明,相比逆模型前馈和PID结合的复合控制方法,采用逆模型前馈和滑模复合控制方法,平均误差下降了0.0300μm,均方根误差下降了0.0346μm,能有效克服压电陶瓷迟滞非线性,提高系统跟踪性能。     

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。     

WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性建模与实验验证

为了模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间的迟滞曲线,通过采用Bouc-Wen模型模拟迟滞分量,提出了一种表征WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间迟滞关系的Bouc-Wen模型并建立了相应的参数辨识方法。为了验证Bouc-Wen模型及其相应的参数辨识方法的有效性,建立了相应的实验装置并对模型进行了实验验证。研究结果表明,Bouc-Wen模型的最大绝对误差为3.78μm,最大相对误差为5.79%,表明Bouc-Wen模型及相应的参数辨识方法能较好地模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性。     

压电作动器非对称迟滞模型的建立和参数辨识

现有的众多基于传统Bouc-Wen改进的压电陶瓷非对称迟滞模型存在参数冗余,降低了模型参数辨识的准确性,而且常用的粒子群算法(PSO)在辨识压电陶瓷非对称迟滞模型参数方面收敛慢且容易陷入局部最优值。为此,首先提出了一种归一化的非对称迟滞模型,采用两个多项式达到非对称效果,利用归一化Bouc-Wen消除参数冗余;然后采用参数和变异策略自适应的差分进化算法进行迟滞参数辨识;建立了相应的测试系统,对压电陶瓷作动器进行了实验研究。结果表明,相比于传统的Bouc-Wen模型,所提出的模型能更精确地描述压电陶瓷实际电压位移曲线,而且消除了参数的冗余,降低了参数辨识的难度。相比于粒子群算法和传统差分进化算法,自适应差分进化算法能更快更精准地找到最优参数值。     

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。     

基于Matlab与T—S模糊系统的压电驱动器磁滞特性建模及实验验证

针对压电驱动器的磁滞特性，提出了一种基于MISO模糊系统的磁滞建模方法，将一维输入空间中的多值函数映射为多维输入空间的单值函数，有效地解决了磁滞曲线多值映射的问题。基于Matlab7．1软件，该方法根据磁滞系统的输入输出数据，在最大隶属度、最近邻居和超半径概念的基础上，基于1阶T—S型模糊推理对模糊系统进行训练和参数优化，从而精确地建立了压电驱动器的磁滞特性模型。     

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。     

压电陶瓷驱动器的迟滞特性

针对压电陶瓷固有的迟滞现象对其定位控制精度的影响,对迟滞进行了特征分析和实验验证。基于微观极化机理和机电耦合效应分析了迟滞的成因,分别对不同驱动行程,全行程不同位置和不同起始电压下的迟滞特性进行了对比实验。结果表明:对10V行程的驱动,随着电压区间的递增,平均位移输出先增大后减小,平均迟滞误差从0.419 3μm减小到0.158 9μm;对100V行程的驱动,随着起始电压的增大,平均位移输出从42.882 5μm减小到25.92μm,平均迟滞误差从3.999 3μm减小到1.692 3μm;起始电压每增加15V,位移输出减小5.654 2μm,迟滞误差减小0.769μm。实验结果反映了电畴翻转状况对驱动过程机电耦合效率的影响,有效验证了电畴翻转理论。实验也表明:针对电畴翻转不同阶段所表现的的迟滞特征对压电陶瓷驱动器的迟滞误差进行补偿,可修正或减小迟滞误差带来的影响,为提高系统定位控制精度提供科学的参考依据。     

基于迟滞性能优化的指尖密封型线设计

采用优化理论以迟滞程度最小为目标,对指尖曲梁型线进行了优化,获得了相应的优化型线,在此基础上采用有限元技术对优化型线的指尖密封迟滞性能进行了分析,并与对数螺线型线指尖密封进行了比较。研究表明,较之对数螺线型线,优化型线指尖密封的迟滞性能获得了很大的改善。     

金属橡胶构件的性能分析与实验研究

利用金属橡胶的弹性性能,设计了一种以金属橡胶作为阻尼元件的隔振器,对其进行了理论分析和静态实验研究,通过实验获得了金属橡胶隔振器刚度,密度及振幅之间的相互关系,并利用Masing理论,建立了金属橡胶隔振器数学模型,利用数学模型对实验结果进行了验证,为金属橡胶隔振器的应用提供了理论依据。     

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.     

压电微动工作台的动态迟滞模型

为实现压电微动工作台的快速准确运动定位,研究了其运动定位模型.压电工作台的运动定位精度主要受工作台动态特性和迟滞特性的影响,在介绍这两类典型特性模型及其适用范围的基础上,提出了能够同时体现压电工作台动态特性和迟滞特性的动态迟滞模型,并给出了采用Prandtl-Ishlinskii (PI)迟滞算子的动态迟滞模型参数辨识途径.以TRITOR100型压电工作台为例进行实验研究,结果表明:当压电工作台在30 μm的定位范围内以±900 V/s的输入电压速率进行快速运动定位时,动态迟滞模型的模型精度比以往常用的线性动态模型和迟滞模型有较大提高,其平均误差为0.16 μm,最大误差为0.38 μm,为高性能运动定位工作台控制系统的设计提供了模型基础.     

Analysis of the dynamic hysteresis characteristic of finger seal

The research about hysteresis characteristic of finger seal (FS), which was carried out based on the model with static loads, could not reflect the dynamics behavior of FS system when the rotor runs at high speed. To solve this problem, the relations between the dynamics parameters, structure parameters as well as working parameters in the system were given out through the analysis of finite element analysis result. A mass-spring-damper dynamics model of FS system was proposed and the hysteresis characteristic of the FS system was analyzed. This work shows that the dynamics characteristic analysis of the FS is necessary and the dynamics model proposed in this paper is valid. This dynamics model is the basis for the optimization design of FS system.