改善电致伸缩陶瓷微位移器性能的研究

对压电陶瓷和电致伸缩陶瓷的逆压电效应和电致伸缩效应进行了详细分析，并通过采用所研制的ＨＲＰＤ系列压电／电致伸缩陶瓷驱动电源对ＷＴＤＳ－Ｉ电致伸缩微位移器进行了实验研究，得出采用电极化强度控制的方法使电致伸缩微位移器的迟滞由原来的１５％减小到１％，蠕变由原来的１０％减小到１％，并实现位移输出的线性化。     

采用刀具微位移补偿装置提高加工精度的技术研究

采用电致伸缩陶瓷微位移驱动器控制刀具进行实时误差补偿的方法明显提高轴类零件加工精度.阐明了微位移系统的补偿原理,描述出电致伸缩陶瓷的优点及蠕变特性,通过实验分析了电致伸缩陶瓷补偿系统在空载状态和轴向受弹性压力载荷时电压位移曲线的特性与差异,以此实现电致伸缩陶瓷驱动器的高精度开环微位移控制,在实际应用中亦有较高的实用价值.     

电致伸缩微位移器的特性及其应用

电致伸缩陶瓷是一种简捷的机-电换能器件，由于它具有体积小，结构紧凑，分辨率高，易于控制等优点，因而在微位移伺服机构，超精密加工，超精密测量等方面都得到了广泛的应用。一、电致伸缩微位移器的特性电致伸缩陶瓷微位移发生器作为微动执行元件，其微位移原理是电致伸缩效应，即陶瓷片在直流电场作用下产生的应变与电场强度的平方成正比（见图1），电致伸缩方程为：S。ME2式中S——应变M——电致伸缩系数（m‘何幻E——电场强度（y／m）为了获得较大的变形量，需将很多片叠起来使用，机械上串联，电路上并联，总伸长量可按下式求出…     

电致伸缩微位移机构中的预紧力分析

电致伸缩陶瓷微位移机构一般包含以下几个部分：电致伸缩陶瓷做位移驱动器、弹性变形体、支承部件。电致伸缩陶瓷微位移驱动器作为机构的核心元件，由专业厂家专门生产．其性能已定，故使用者只能通过优化其它部分而使微位移机构工作于最佳状态。微位移机构的每一个组成元件，其制造精度是有限的。利用一些联接件，如垫片、钢球、螺钉等把它们装配到一起，各装配面之间就会产生接触不紧密的问题，其间隙值从几微米到几十微米，甚至更大。一方面，如果不对它们进行预紧，电致伸缩陶瓷微位移“驱动器的最大位移量也不够补偿其间隙值，另一方面…     

基于电容法的电致伸缩材料特性测试装置

提出了一种新型电致伸缩特性测试装置,该装置将强电场产生的电致伸缩应变转变为平板电容极板位移从而转为电容量变化,利用测量电容来测量电致伸缩应变.在装置中设计了一时驱动线圈,通过线圈产生的磁力可测量材料的驱动力,从而可利用该装置研究电致伸缩材料的驱动力特性,为电致伸缩材料的实际应用提供了验证条件.试验证明:基于电容法的电致伸缩特性测试装置能有效测量包括电致伸缩微形变在内的微形变,为电致伸缩材料特性研究提供了一种有效装置.     

超磁致伸缩材料微位移驱动器的实验研究

针对超磁致伸缩材料微位移驱动器在精密定位控制中存在的迟滞和位移非线性等不足,对超磁致伸缩材料微位移驱动器进行实验研究,介绍了微位移驱动器中预紧机构和放大机构的设计理论、设计过程和研究方法。研究结果表明:微位移驱动器的控制精度高、重复性好且适用范围较大。     

强干扰条件下超磁致伸缩致动器的模糊滑模动态控制

针对强干扰条件下,超磁致伸缩致动器位移动态控制存在的不足,建立了强干扰下超磁致伸缩致动器动态线性化模型,设计了基于模糊切换增益调节的滑模控制器,实现了致动器的动态跟踪控制。提出的模糊滑模控制器能有效实现了致动器的动态控制,位移跟踪误差在5%以内,取得了良好的控制效果。     

超磁致伸缩微位移给进器异形板弹簧有限元分析

超磁致伸缩微位移给进器是以超磁致伸缩材料为核心、以自动控制理论为基础典型的机电产品。主要通过超磁致伸缩致动元件和微位移传感器实现闭环控制系统，并在软件上实现对磁致伸缩滞后等因素进行补偿，完成车刀的精密给进。根据内燃机活塞异形加工的要求，对超磁致伸缩微位移给进器的关键部件-异形板弹簧进行了有限元分析。通过有限元的计算结果发现，该异形板弹簧的最大应力值出现在弹簧的螺栓孔处，最大变形位置为顶端。这在设计时必须加以考虑。     

弹性薄膜——电致伸缩微进给机构研究

由弹性薄膜和电致伸缩微位移器构成的微进给定位机构，将在超精密加工和测试装置中得到广泛的应用。本文给出了该种结构的设计方法，并对其性能进行分析。     

基于圆形膜片柔性结构的超磁致伸缩执行器的研究

分析了超磁致伸缩材料的工作机理及特性，介绍了超磁致伸缩微位移驱动系统的组成原理和微位移执行器的结构。在此基础上，提出一种元摩擦和无爬行现象的圆形膜片柔性结构作为微位移执行器的力和位移的传递机构，建立其简化的力学模型，并采用弹性力学和有限元的方法对其力学性能进行了理论分析。实验结果表明，基于圆形膜片柔性结构的超磁致伸缩微位移执动器具有结构紧凑、重复精度高、输出位移大（可达40um）的优点。     

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。     

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。     

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。     

压电主动元件设计与实验研究

为自适应调节和改善空间结构动力学性能 ,利用压电材料的正逆压电效应 ,研制了一种具有传感和驱动双重功能的压电主动元件。该主动元件由压电驱动器、微位移传感器、压力传感器等组成 ,具有输出和实时检测微位移和力的功能。提出了压电主动元件的设计理论 ,并给出其工作机理及组成结构。针对其关键部件——压电驱动器进行了静态实验研究 ,包括位移输出情况、重复精度和稳定性实验。实验结果表明该驱动器输出位移可达 63 .2 μm、重复精度± 0 .0 5μm、稳定性 <0 .1μm,能够用于空间可展结构的精密微位移控制     

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.     

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.     

纯电力加载下压电陶瓷内环迟滞特性的实验研究

以典型压电陶瓷堆叠执行器为研究对象,对纯电力加载作用下压电陶瓷的内环迟滞行为进行了实验研究和分析。实验采用Sawyer-Tower方法获得了执行器的极化强度,利用高精度电容式位移传感器测量了执行器的输出位移,结合外围实验设备,通过计算得到了堆叠执行器在输入电压频繁折返过程中的电压-极化和电压-应变曲线。从压电陶瓷内部晶体的电畴转向角度出发,对其行为特性的产生机理进行了分析,给出了压电陶瓷堆叠执行器的建议工作区域。     

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。     

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。