[發明專利]一種壓電陶瓷執行器的高精度控制方法

有效

• 申請號: 201310254046.1
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103336429A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 田大鵬
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G05B13/00
• 分類號: G05B13/00
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 陶尊新

技術領域

本發明涉及運動控制技術與高精度伺服技術領域，具體涉及一種壓電陶瓷執行器的高精度控制方法。

背景技術

壓電陶瓷執行器是一種精密執行機構，用于微米級乃至納米級的高精度定位與伺服。由于壓電陶瓷的物理特性導致其具有嚴重的非線性遲滯和蠕變特性，在不進行控制的情況下很難實現高精度定位。針對壓電陶瓷非線性特性進行控制的傳統方法有基于模型的補償方法、反饋控制方法和復合控制方法。

基于模型的補償方法是通過建立壓電陶瓷遲滯特性等非線性模型（如Preisach模型、Maxwell模型等），在控制量中加入相應的補償量，以抵消壓電陶瓷非線性特性帶來的影響。但是由于壓電陶瓷遲滯等特性與其運動頻率有關，在動態條件下很難得到精確度很高的模型，從而限制了采用模型補償的方法所能達到的伺服精度。

反饋控制方法通過將壓電陶瓷執行器的位置響應進行反饋，與位置指令相比較，得到控制量并施加于壓電陶瓷執行器上。但是，由于壓電陶瓷自身的非線性特性沒有得到補償，與線性程度較高的執行器（如電機）相比，閉環系統的動態性能難以得到有效的保證。

傳統反饋控制與前饋控制相結合的復合控制方法可以改善系統的動態性能，并保證靜態精度，但前饋環節多采用非線性模型，控制器設計相對復雜，不利于工程上的快速設計。

發明內容

本發明為解決現有壓電陶瓷執行器控制方法的存在的不足，提供一種壓電陶瓷執行器的高精度控制方法，有效提高系統的定位精度與動態性能，該方法簡單、可靠易于實現。

一種壓電陶瓷執行器的高精度控制方法，該方法由以下步驟實現：

步驟一、壓電陶瓷線性化干擾觀測器根據壓電陶瓷執行器的位置響應以及輸入給壓電陶瓷執行器的控制電壓估計出等效干擾，并對等效干擾進行補償，使壓電陶瓷執行器的實際位移響應特性呈線性比例關系；

具體為：設定壓電陶瓷執行器的位移響應為y(t)，初值為y(0)；輸入到壓電陶瓷執行器的控制電壓為u(t)，將壓電陶瓷執行器推動的負載質量、非線性遲滯特性、外界干擾的集合和其它未建模動態擾動的集合視為一個等效干擾，所述壓電陶瓷執行器的動力學特性表達式為：

y(t)=K_uu(t)+d(t)+y(0)，d(t)=H[u(t)]-My··(t)+dequ(t)+Δ-Kuu(t)]]>

式中，M為壓電陶瓷執行器推動的負載質量，H為非線性遲滯特性，d_equ為外界干擾的集合，Δ為其它未建模動態擾動的集合，d(t)為等效干擾，K_u為與非線性遲滯特性曲線接近的線性特性的線性系數；

所述壓電陶瓷執行器的位移響應y(t)為在等效干擾影響下與輸入控制電壓u(t)成線性關系，等效干擾d(t)=y(t)-y(0)-K_uu(t)；在所述輸入控制電壓中減去等效干擾與比例系數的乘積，實現對等效干擾的補償；

所述比例系數的取值為壓電陶瓷線性化干擾觀測器中的K_u的倒數；

步驟二、反饋控制器根據壓電陶瓷執行器實際位移響應與位置指令之間的偏差，計算反饋控制量；所述反饋控制量與線性指令前饋輸出量疊加后得到的控制量u_r用于壓電陶瓷執行器的位移響應y對指令進行跟蹤；