压电陶瓷迟滞非线性前馈补偿器

为了有效补偿压电陶瓷的迟滞非线性,提出了基于STOP算子的改进PI模型以改善传统基于PLAY算子的PI模型解析求逆的复杂过程以及通过插值算法求逆的大量耗时。介绍了传统的基于PLAY算子和基于STOP算子的PI模型,然后基于STOP算子的叠加形式建立了以预期位移为输入,以控制电压为输出的PI模型,并将这一模型直接作为前馈控制器补偿压电陶瓷的迟滞效应。为了更好地平衡全局寻优与局部寻优能力,对粒子群优化算法进行了改进,利用其辨识出各算子的权值。最后,利用实验的方法验证了改进的PI模型对迟滞非线性的补偿效果。进行了两组实验测试,结果显示:无论对于规律变化还是随机变化的输入,提出的改进PI模型都可以很好补偿迟滞非线性,跟踪误差可控制在1%以内。因此,基于STOP算子的改进PI模型在压电陶瓷控制领域中具有很好的实用价值。     

压电陶瓷驱动器迟滞建模与控制研究

压电陶瓷驱动器存在迟滞非线性,在超精密定位应用中影响定位精度和系统性能。针对这一问题,提出了一种减小迟滞的自适应逆控制算法。基于Prandtl-Ishlinskii迟滞算子建立压电陶瓷迟滞模型,构建自适应逆控制系统并进行实验研究。结果证明,利用该算法,系统输出的非线性误差从17.7%下降到1.43%,系统性能显著提高。     

压电陶瓷作动器非对称迟滞的建模与补偿控制

针对传统Bouc-Wen模型不能反映压电陶瓷作动器迟滞的非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题,提出了一种改进Bouc-Wen模型,通过修改形状控制参数使其能够模拟压电陶瓷作动器的非对称迟滞曲线.利用粒子群优化算法辨识了所需的模型参数,进一步研究了基于模型的前馈补偿控制、前馈加PI反馈补偿控制对于实现高精度位移输出的效果;在开环前馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约42％;在前馈加PI反馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约20％.研究结果表明:在相同的控制方式下,采用改进Bouc-Wen模型能够得到比传统Bouc-Wen模型更高的轨迹跟踪精度;与单纯采用基于模型的前馈补偿控制相比,采用基于模型的前馈加PI反馈补偿控制可显著提高压电陶瓷作动器的位移输出精度.     

补偿压电陶瓷迟滞和蠕变的逆控制算法

研究了用于扫描探针显微镜,特别是原子力显微镜(AFM)中的扫描器高精度定位问题。压电陶瓷驱动器通常用于这种扫描器中,在无补偿的开环控制期间,它在输入电压和输出位移之间表现出明显的迟滞和蠕变。迟滞和蠕变降低了扫描器的定位精度并使扫描图像出现了畸变。给出了迟滞和蠕变模型及参数的在线辨识方法。在AFM的扫描控制中,使用基于该模型的逆控制算法补偿了压电陶瓷的迟滞和蠕变。在分析中,Preisach迟滞模型和对数蠕变模型被用于描述压电陶瓷驱动器的非线性。由于该方法不需要在控制过程中进行参数设置,因此很容易使用。此外由于是开环控制方法,可以具有更好的分辨率。闭环操作能够给出较好的迟滞和蠕变补偿,但由于在高带宽情况下传感器动态范围的限制,对于小扫描区域或样本特征,它减小了成像的分辨率。三角波轨迹跟踪的仿真结果说明轨迹误差在传感器噪声量级上,证明了这个方法的有效性。     

压电驱动器迟滞非线性的增强型Prandtl-Ishlinskii模型建模及实验验证

存在于压电陶瓷全工作范围内的迟滞非线性特性,往往导致压电陶瓷执行器的系统精度下降、振荡,甚至造成系统的不稳定。针对周期性的正弦输入信号,改进增强型Prandtl-Ishlinskii模型(EPIM)迟滞建模方法。在分析压电特性和传统的Prandtl-Ishlinskii模型特性的基础上,采用改进的增强型Prandtl-Ishlinskii模型来描述压电陶瓷的迟滞特性,搭建了基于dSpace的压电驱动微位移定位实验平台;将基于增强型Prandtl-Ishlinskii模型方法应用于压电驱动微位移定位平台中,对压电陶瓷的迟滞非线性特性进行辨识。实验结果表明,改进的增强型Prandtl-Ishlinskii模型(EPIM)比传统的Prandtl-Ishlinskii模型(PIM)更有优势。     

基于AFM的振幅反馈电路设计

原子力显微镜是一种原子级高分辨、高灵敏度的新型测量仪器,在微观领域及特殊领域被广泛应用。由于在测量样品形貌的时候存在扫描速度慢、耗时长的缺点,可通过引入软件PID反馈控制和硬件PID反馈控制等方法来有效提高其扫描速度。     

压电执行器的非对称动态迟滞特性建模研究

传统Bouc-Wen模型难以精确表征压电执行器固有非对称率相关动态迟滞非线性,因此提出一种广义Bouc-Wen(GBW)迟滞模型用于精确表征压电执行器的迟滞非线性。首先,基于传统Bouc-Wen迟滞模型引入两项非对称项和二阶IIR滤波器表征压电执行器非对称迟滞及高频相位滞后特性,进一步分析了模型参数值与频率变化规律并确定了模型的率相关参数。然后,搭建了基于NI CompactRIO测控系统的压电执行器精密定位实验平台,通过粒子群优化算法完成GBW模型的参数辨识,并对提出的GBW模型进行实验验证。实验结果表明,对于变频率正弦激励信号,GBW模型的最大误差为0.190 6μm,均方根误差为0.043 1μm仅占压电执行器位移行程的0.65%,相较于传统Bouc-Wen(CBW)模型及改进Bouc-Wen(EBW)模型分别下降了82.07%和62.10%。对比CBW模型和EBW模型,所提出的GBW模型精度和宽频性能均有显著提升,并且解析逆模型存在易于控制器设计,有助于实现压电执行器在超精密仪器设备中宽频、高速精密定位。     

压电驱动器迟滞非线性的分数阶建模及实验验证

存在于压电陶瓷全工作范围内的迟滞非线性特性,往往会导致压电陶瓷执行器的系统精度下降、振荡,甚至造成系统的不稳定。针对周期性的正弦输入信号,提出一种基于分数阶算子的迟滞建模方法。首先,在分析压电特性和分数阶算子特性的基础上,采用结构简单参数少的分数阶算子来描述压电陶瓷的迟滞特性;然后,搭建了基于dSpace的压电驱动微位移定位实验平台;最后,将基于分数阶算子的迟滞建模方法应用于压电驱动微位移定位平台中,对压电陶瓷的迟滞非线性特性进行辨识。实验结果表明采用基于分数阶的迟滞模型(FOM)比传统的Prandtl-Ishlinskii模型(PIM)及其改进的增强型Prandtl-Ishlinskii模型(EPIM)更有优势;在低频段,FOM模型比PIM模型和EPIM模型精度略有提高,但是在高频段,FOM模型比PIM模型和EPIM模型精度则提高显著。在输入频率为100HZ的情况下,所提出的FOM模型较PIM模型的均方根误差(RMSE)值精度提高69.84%,较EPIM模型的RMSE值精度提高68.88%。     

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。     

基于AFM的光盘形貌研究

介绍了原子力显微镜(AFM)的原理及特点。用AFM对光盘上记录信息用的凹坑结构进行了三维检测,并对测量结果进行了分析。结论表明AFM在光盘质量检测过程中具有独特的优势。     

基于PI迟滞模型的单压电变形镜开环控制

压电非线性迟滞导致压电变形镜的开环控制精度及闭环工作带宽降低,限制了其在自适应光学系统中的应用。为克服迟滞影响,提出采用PI迟滞模型描述单压电变形镜的迟滞非线性特性,实现单压电变形镜的高精度开环控制。首先建立PI迟滞数学模型,利用最小二乘法辨识PI迟滞模型的权值,计算出PI逆模型的权值和阈值,从而获得消除迟滞后的变形镜控制电压;接着搭建了基于哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台,采用单压电变形镜的环形致动器进行离焦面形的开环控制实验。实验结果表明,经过迟滞消除后变形镜的电压-变形迟滞由9.3%降低到1.2%,离焦面形的开环重构精度提高70%以上,证明该迟滞模型可有效应用于单压电变形镜的开环控制。     

基于Prandtl–Ishlinskii模型的超磁致伸缩驱动器实时磁滞补偿控制研究

针对超磁致伸缩驱动器(GMA)存在复杂的磁滞非线性易降低系统性能,导致系统不稳定的问题,建立了可以精确描述磁滞现象的模型并提出了合适的驱动控制方法。首先,基于Prandtl-Ishlinskii(PI)模型对GMA磁滞建模,并采用最小均方法(LMS)进行模型参数辨识,模型预测误差为0.037 9 μm。接着,通过对PI模型解析求逆进行实时补偿控制,从而有效减小磁滞误差,补偿控制误差为0.309 μm。实验结果证明,PI模型可以精确描述GMA磁滞现象,且具有计算简单,磁滞跟踪能力强的优点。基于该模型的实时磁滞补偿控制方法可以有效减小磁滞误差,提高GMA实时驱动定位控制精度,是实现GMA精密驱动控制的一种有效方法。     

基于LSTM的矩形纳米光栅AFM图像复原方法

原子力显微镜(AFM)利用探针与待测物之间的交互作用力进行成像,通过获取矩形纳米光栅计量标准器具的高分辨率成像得到相关的几何量参数并进行标定,实现从标准计量器具到工作计量器具的量值传递。在AFM扫描过程中,由于针尖的影响作用,使得扫描所获图像是探针和样品共同作用的结果,而不是样品形貌的真实描述。针对这一现象,本文提出了一种基于长短期记忆网络(LSTM)的AFM图像复原方法,该方法对通过膨胀法获得的仿真图像各扫描行进行训练,进而获得适用于矩形纳米光栅AFM图像复原模型。实验结果表明,针对线宽20 nm,高40 nm的矩形纳米光栅,经过该方法复原后光栅线宽的相对误差为7.40%,相较于传统的复原方法进一步提高了测量准确度。