基于电流控制的压电陶瓷驱动器

为了解决电压控制型压电陶瓷驱动器驱动压电陶瓷时存在的迟滞、蠕变和带宽窄的问题,设计了基于电流控制的压电陶瓷驱动器,利用压电陶瓷致动器位移与其所带电荷量间的线性关系,该驱动器通过控制压电陶瓷的充电电流和时间控制其位移量．在此基础上,提出了以分辨率换取稳定性的动态保持控制方法,采用该电流型驱动器,实现了开环下对压电陶瓷致动器的稳定、快速、高精度定位．实验结果表明,该驱动器驱动行程为10μm的压电陶瓷时,满行程带宽大于1．5kHz,重复定位精度小于4nm（0．4％）．     

一种新型并联XYY微定位平台动力学建模及控制仿真

介绍了一种新型的压电陶瓷驱动的并联XYY结构微定位平台。该平台通过Y方向两个压电驱动器的实时校正,能够避免因加工装配误差引起的结构非对称性对平台运动直线度的影响。推导了微定位平台的动力学模型。通过引入过程噪声的数学模型增广LQG控制器,实现了微定位平台解耦和跟踪,仿真发现这种方法能够有效抑制窄带随机扰动,提高定位精度。     

基于PI迟滞模型的压电驱动器自适应辨识与逆控制

压电陶瓷驱动器的迟滞非线性特性严重影响了其跟踪定位精度,甚至引起闭环系统失稳.本文采用经典PI模型描述压电驱动器的迟滞非线性,利用自适应投影算法对PI模型的权向量进行在线辨识,并与传统的最小二乘辨识方法进行比较.迟滞PI模型的优点是模型存在解析逆,因此本文对压电驱动器采用自适应逆跟踪控制,利用驱动器的输出位移与参考位移之差使用自适应投影算法在线辨识PI模型的权向量,并计算PI逆模型的权向量和阈值,最终得到要输入的电压值.最后实验结果表明自适应逆跟踪控制比传统的逆模型跟踪控制精度提高了49.8%.     

双重驱动机器人柔性手臂的研究

本文研究了机器人柔性手臂的实验系统,针对柔性臂的振动问题和定位精度问题,提出了在单个关节柔性臂上实现宏／微结合双重驱动的基本思想。用伺服电机实现柔性臂的宏动,用压电陶瓷驱动器实现柔性臂的微动,通过有效地控制伺服电机和压电陶瓷驱动器抑制柔性臂的振动,并完成柔性臂的精密定位。     

基于三段PI模型的压电驱动器迟滞补偿方法

迟滞非线性降低了压电陶瓷驱动器对期望位移的跟踪精度,为解决该问题,本文通过二次规划寻优算法,基于最小均方误差准则,以压电陶瓷驱动器的运动速度规律为依据,对压电陶瓷运动速度规律不同的迟滞段分别进行PI建模.建模结果表明,相较于传统PI模型,本文提出的三段PI模型能精确地描述压电陶瓷迟滞曲线的非奇对称性.在对压电陶瓷三段PI建模的基础上,计算出压电陶瓷三段PI逆模型的阈值向量与权系数向量.通过建立的三段PI逆模型对压电陶瓷进行迟滞补偿控制,实验结果表明,与传统PI逆模型迟滞补偿控制相比,三段PI逆模型迟滞补偿控制方法将压电陶瓷对期望位移的跟踪精度提高了81.3%.     

应变反馈式压电陶瓷微位移驱动器的研制

介绍了采用应变片测量压电陶瓷微位移驱动器位移的原理和设计思想,介绍了实验装置的结构,给出了实验结果,证明将应变片直接粘贴在压电陶瓷基体表面测量其位移的方法是可行性的;通过对压电陶瓷滞回特性的测定,提出了建立压电陶瓷的控制模型的基本思路。     

大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验

针对大位移压电陶瓷驱动器,研究了压电陶瓷双晶片的驱动效能。基于压电陶瓷材料的逆压电效应,应用压电陶瓷双晶片在机械自由、电学短路状态下,一片加正向电压缩短另一片加反向电压伸长共同作用产生弯曲变形,通过组合设计将压电陶瓷双晶片的弯曲变形位移叠加起来,实现了压电陶瓷驱动器的大位移输出。在相同电压的条件下,此压电陶瓷驱动器的输出位移量比叠层驱动器有较大的增加,达200μm,结构尺寸也大大减小。该驱动器不需要位移放大机构,可直接应用于有大位移要求的机构驱动。     

电液伺服阀用压电弯曲元件特性的实验研究

研制了一种压电弯曲元件型压电驱动器,该驱动器用于电液伺服阀的电-机械转换器.压电驱动器由三层结构构建,其中中间弹性层为铍青铜,在铍青铜的上下表面各粘接一片压电晶片,材料为PZT-5H.利用激光测微仪LC-2400A及LV-1610对压电驱动器的输出位移、位移滞环及谐振频率进行了实验测量,分析了压电驱动器尺寸与其特性之间的关系.实验结果表明,该驱动器满足所设计电液伺服阀的性能要求.     

高线性度的二维无耦合纳米压电位移系统设计

设计了一套具有高线性度的二维无耦合纳米压电位移系统。提出了一种多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制方案,设计采用基于非线性反馈控制和相似控制相结合的具有接地配置功能的压电控制器。控制器中引入了T型电阻网络,使电容较小的压电致动器能够进行低频线性操作。并对压电陶瓷驱动的位移平台进行了机械结构设计,平台采用嵌套式串联结构来避免耦合位移。通过解析法和ANSYS Workbench有限元仿真两方面对位移平台进行了刚度及位移分析。搭建了一套干涉位移测量系统,对压电位移台的位移、耦合误差及线性度进行了验证测试。实验结果表明:系统满行程内二维位移台的耦合误差最大仅为0.098%,可以将迟滞不对称引起的剩余轨迹偏差减小到0.79%,两个压电陶瓷间的最大轨迹偏差仅为行程范围的0.23%,理论分析和实验验证了所设计多压电电荷控制器的可行性,且系统可有效抑制耦合位移并使定位精度得到明显提高。     

新型纳米分辨率位移定位平移台的研制

为克服已有压电驱动器存在的结构及控制系统复杂、定位行程小等缺陷,利用压电陶瓷的逆压电效应设计并制作了一种新型的压电纳米步进驱动器,建立光栅测试系统对这种压电驱动器的动态性能进行了测试.将压电纳米步进驱动器与电磁伺服马达耦合,设计新颖驱动结构,利用微机通过步进运动控制卡统一控制,实现大范围一维纳米分辨率位移定位.系统样机解决了所研制压电纳米步进驱动器双向运动、实用定位等问题.位移定位分辨率为50 nm,定位行程为100mm,纳米分辨率定位最大速度为0.6 mm/s.     

基于迟滞观测器的压电工作台自适应控制

为提高压电陶瓷驱动的微定位工作台的精度和速度,设计了一种基于迟滞状态观测器的自适应控制系统.在分析压电陶瓷迟滞非线性特性和工作台结构的基础上,建立了压电工作台的动态迟滞模型.迟滞观测器用于估计由位移偏差、传递函数、迟滞变量和扰动而产生的不确定误差,对神经网络控制器的输出量进行补偿,使工作台的位移跟随参考值.基于李雅普诺夫稳定理论推导了迟滞观测器的自适应调节律.实验结果表明,采用带有迟滞观测器的自适应控制系统时,在30μm、1 Hz正弦信号作用下,工作台的平均定位误差从之前的0.39μm减小到了0.19μm,对迟滞特性的非对称拟合平均误差由0.42μm减小到0.22μm,在10μm阶跃输入时的平均定位误差从0.22μm减小到了0.13μm,稳定时间由0.19 s缩短为0.08 s,定位工作台的性能得到明显的改善,能够满足实验要求.     

基于光控压电混合驱动悬臂梁独立模态控制

本文提出利用镧改性锆钛酸铅（PLZT）的光电效应,将PLZT作为电动势源来驱动压电作动器,从而实现光控板壳结构的振动控制。基于光控压电等效电学模型建立了光控压电混合驱动的数学模型,并进行了实验验证。为了实现光控悬臂梁的独立模态控制,针对悬臂梁结构,设计了正交模态传感器/作动器表面电极形状函数。提出PLZT与压电作动器正/反接控制的激励策略,并结合速度反馈定光强控制的控制算法,利用Newmark-β法对不同光照强度下悬臂梁的动态响应进行了数值仿真分析。分析结果证明了本文所设计的模态传感器/作动器及针对光控压电混合驱动提出的控制策略的正确性。     

基于模糊控制的微操作平台位置精度补偿方法

由于压电式微操作平台的迟滞非线性会导致其位置精度和动态性能下降,且难以建立精确的迟滞非线性模型,采用一种基于模糊控制策略的位置精度补偿方法,以摆脱对迟滞模型的依赖。以一种一维压电式微操作平台为对象,以平台的位置偏差与偏差变化率为模糊输入,压电驱动器输入电压变化量为模糊输出,提出采用基于PID控制的实验数据获取经验来制定模糊规则的方法。通过模糊推理和解模糊过程,建立平台输入量与输出量之间的模糊关系,实现了可消除迟滞现象的自适应补偿。为了说明所提出的位置精度补偿方法的可行性,通过实验与PID控制进行比较,分析平台跟踪不同频率正弦信号的位置误差。实验结果表明,所提出的模糊控制方法能使平台具有更高的位置跟踪精度和更快的跟踪速度,并具有较好的自适应性。     

Position precision compensation method of a micro-manipulation stage based on fuzzy control

The hysteresis nonlinearity of piezoelectric micro-manipulation stage leads to the decrease of its position accuracy and dynamic performance, and it is hard to establish the accurate hysteresis model. A position accuracy compensation method was adopted based on the fuzzy control strategy to get rid of the dependence on hysteretic model. As for a one-dimensional micro-manipulation stage, the position deviation and deviation variation rate of the stage was used as fuzzy input, and the input voltage change of piezoelectric actuator was used as fuzzy output. A method of developing fuzzy rules was presented based on experiment data of PID control to acquire experience. The fuzzy relationship between the stage input and output by fuzzy reasoning and de-fuzzy process was established, and the adaptive compensation of hysteresis could be realized. In order to illustrate the feasibility of the proposed method, the experimental comparative analysis with PID control was carried out. The position errors were compared when the stage was tracking the sine signals with different frequencies. The experimental results show that the proposed fuzzy control method can make the stage have higher position tracking accuracy and faster tracking speed, and has better adaptability.     

高频锁相激光干涉仪技术纳米定位系统

提出了一种基于高频相移电子电路驱动的压电陶瓷执行器和外差式迈克尔逊激光干涉仪的纳米位置控制方法,该方法结合双轴机械传输导轨组成了高精度大量程纳米定位系统.系统实现步长为4.945 nm的直线位移,步长的相对不确定度为1.6×10-9,1μm行程误差重复性为0.1 nm,5 mm往返行程误差重复性为0.4 nm.该方法对纳米技术与计量界在纳米刻度上的操作控制都是很有用的.     

基于迟滞观测器的压电堆补偿控制

压电堆具有反应速度快、能量密度高等特点被广泛应用于精密仪器的作动装置.然而,压电堆输出位移与驱动电压之间存在的迟滞效应会严重影响控制精度.为了补偿迟滞效应带来的影响,提升控制效果,提出了一种基于滑模变结构理论的类Luenberger迟滞观测器,观测器的设计不仅考虑到了模型中的不确定因素,还可在一定程度上减小外部扰动带来...     

基于压电智能结构的镗削振动主动控制的仿真与实验研究

在镗削加工中,由于镗杆长颈比较大,因此,普遍存在镗削振动问题,这种振动限制了切削效率,影响了工件表面质量。提出以压电振动干扰抑制镗削振动的设想,建立了含有压电控制单元的镗削振动系统动力学模型;基于该模型设计了实验装置。理论仿真和实验分析结果表明,该装置能够有效抑制镗削过程中镗杆的振动,且结构简单,易于实现。     

压电驱动器的非对称迟滞模型

为了补偿压电驱动器的非对称迟滞,提出了改进型Maxwell迟滞模型.Goldfarb提出的经典Maxwell迟滞模型由多个基础单元并联叠加而成,其基础单元为单个弹簧-物块单元,迟滞特性为平行四边形,故只能描述对称迟滞.为了能描述压电驱动器非对称迟滞,提出了基础单元迟滞特性为梯形的模型.为了简化算法程序,将梯形单元优化为两个三角形单元组合而成.为了验证该模型,以压电工作台为实验对象,运用该迟滞模型的逆模型进行迟滞补偿控制.单独的迟滞逆模型前馈开环控制实验结果表明,位移跟踪相对误差从7.37％降到了1.56％,输入输出基本呈线性关系.逆模型结合PID复合反馈闭环控制实验结果表明,位移跟踪相对误差进一步降低到0.53％,输入输出呈很好的线性关系.这表明本文所建立的迟滞模型能很好地描述压电驱动器非对称迟滞特性.     

压电陶瓷致动器的动态控制模型及逻辑规则控制

提出了一种新的压电陶瓷致动器的动态控制模型．该控制模型建立在泛布尔代数理论基础上;它依赖于压电陶瓷的控制经验．通过一系列控制规则,采用泛布尔代数的符号进行控制模型的表述．在所建模型基础上,结合PID控制器对压电陶瓷进行了Rule＋PI控制的离线仿真研究;仿真结果表明,该控制模型结构简单,控制方便,易于实现．     

Optimal design in vibration control of adaptive structures using a simulated annealing algorithm

Advanced reinforced composite structures incorporating piezoelectric sensors and actuators are increasingly becoming important due to the development of smart structures. These structures offer potential benefits in a wide range of engineering applications such as vibration and noise suppression, shape control and precision positioning. This paper presents a finite element formulation based on the classical laminated plate theory for laminated structures with integrated piezoelectric layers or patches, acting as sensors and actuators. The finite element model is a single layer triangular nonconforming plate/shell element with 18 degrees of freedom for the generalized displacements, and one additional electrical potential degree of freedom for each surface bonded piezoelectric element layer or patch. The control is initialized through a previous optimization of the core of the laminated structure, in order to minimize the vibration amplitude and maximize the first natural frequency. Also the optimization of the patches position is performed to maximize the piezoelectric actuators efficiency. The simulated annealing algorithm is used for these purposes. To achieve a mechanism of active control of the structure dynamic response, a feedback control algorithm is used, coupling the sensor and active piezoelectric layers or patches, and to calculate the dynamic response of the laminated structures the Newmark method is considered. The model is applied in the optimization of an illustrative adaptive laminated plate case. The influence of the position and number of piezoelectric patches, as well as the control gain, are investigated and the results are presented and discussed.