[發(fā)明專利]基于模糊TS模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的預(yù)測控制方法和裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510077244.4
• 申請(qǐng)日: 2015-02-13
• 公開（公告）號(hào): CN104808486B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程龍;侯增廣;譚民;劉偉川
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 北京瀚仁知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11482
• 代理人: 宋寶庫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米定位領(lǐng)域，特別涉及一種基于模糊TS模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的預(yù)測控制方法和裝置。

背景技術(shù)

壓電陶瓷執(zhí)行器具有較高的負(fù)載能力、較大的驅(qū)動(dòng)能力、以及高精度的定位分辨率，能實(shí)現(xiàn)納米尺度的操縱，廣泛應(yīng)用于微系統(tǒng)、通信、半導(dǎo)體技術(shù)、生物技術(shù)以及航空航天技術(shù)等領(lǐng)域，是微裝配系統(tǒng)、原子力顯微鏡或高精度定位操作手術(shù)設(shè)備等的核心部件。

在現(xiàn)有技術(shù)中，基于逆模型的遲滯補(bǔ)償控制是應(yīng)用最為廣泛的壓電陶瓷執(zhí)行器控制方法，該方法首先建立遲滯特性的正模型，再由正模型求出遲滯特性的逆模型，最后在控制系統(tǒng)中加入使用該逆模型的前饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遲滯特性的補(bǔ)償控制。

當(dāng)使用上述方法對(duì)壓電陶瓷執(zhí)行器進(jìn)行控制時(shí)，需在控制過程中求取遲滯特性的逆模型，計(jì)算量很大，難以適用于響應(yīng)速度很快的壓電陶瓷執(zhí)行器，尤其是目標(biāo)跟蹤信號(hào)變化速度很快時(shí)，該方法的控制性能不能令人滿意；此外，遲滯特性與作用于壓電陶瓷執(zhí)行器上的電壓信號(hào)的頻率密切相關(guān)，這也進(jìn)一步對(duì)逆模型的精度造成了影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的第一個(gè)方面是提供一種基于模糊TS(Takagi-Sugeno)模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的預(yù)測控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓電陶瓷執(zhí)行器的實(shí)時(shí)精確的控制，包括：

獲取壓電陶瓷執(zhí)行器的電壓位移采樣數(shù)據(jù)組；

根據(jù)模糊TS模型，對(duì)所述電壓位移采樣數(shù)據(jù)組執(zhí)行模糊聚類，獲得多個(gè)線性子規(guī)則，并根據(jù)最小二乘辨識(shí)法獲得各所述線性子規(guī)則的參數(shù)；

確定性能指標(biāo)取最優(yōu)條件下的各所述線性子規(guī)則對(duì)應(yīng)的子預(yù)測控制律；

獲取壓電陶瓷執(zhí)行器在一個(gè)采樣周期內(nèi)的電壓位移預(yù)測數(shù)據(jù)組；

以所述電壓位移預(yù)測數(shù)據(jù)組對(duì)所述線性子規(guī)則的滿足度為權(quán)重對(duì)所述子預(yù)測控制律執(zhí)行加權(quán)平均、確定最終預(yù)測控制律、并將所述最終預(yù)測控制律作為控制輸出函數(shù)。

本發(fā)明的第二個(gè)方面是提供一種基于模糊TS模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的預(yù)測控制裝置，包括：

數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取壓電陶瓷執(zhí)行器的電壓位移采樣數(shù)據(jù)組，和獲取壓電陶瓷執(zhí)行器在一個(gè)采樣周期內(nèi)的電壓位移預(yù)測數(shù)據(jù)組；

模糊TS模型建立模塊，用于根據(jù)模糊TS模型，對(duì)所述電壓位移采樣數(shù)據(jù)組執(zhí)行模糊聚類，獲得多個(gè)線性子規(guī)則，并根據(jù)最小二乘辨識(shí)法獲得各所述線性子規(guī)則的參數(shù)；

子預(yù)測控制律確定模塊，用于確定性能指標(biāo)取最優(yōu)條件下的各所述線性子規(guī)則對(duì)應(yīng)的子預(yù)測控制律；

最終預(yù)測控制律確定模塊，用于以所述電壓位移預(yù)測數(shù)據(jù)組對(duì)所述線性子規(guī)則的滿足度為權(quán)重對(duì)所述子預(yù)測控制律執(zhí)行加權(quán)平均、確定最終預(yù)測控制律、并將所述最終預(yù)測控制律作為控制輸出函數(shù)。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明基于模糊TS模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的預(yù)測控制方法，通過采用模糊建模方法對(duì)壓電陶瓷執(zhí)行器以離線方式進(jìn)行建模，減輕了在線建模的計(jì)算負(fù)擔(dān)，并且在模糊模型確定以后，控制器就可以根據(jù)該模型進(jìn)行設(shè)計(jì)子控制預(yù)測律，僅有最終控制律的解模糊算法需要在每一個(gè)采樣時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，減小了預(yù)測控制方法的計(jì)算量，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓電陶瓷執(zhí)行器的實(shí)時(shí)精確的控制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于模糊TS模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的預(yù)測控制方法實(shí)施例一的流程圖；

圖2是本發(fā)明基于模糊TS模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的預(yù)測控制方法實(shí)施例一的原理圖；

圖3是本發(fā)明基于模糊TS模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的預(yù)測控制裝置實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4是本發(fā)明基于模糊TS模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的預(yù)測控制裝置實(shí)施例一的應(yīng)用現(xiàn)場圖。

具體實(shí)施方式

圖1是本發(fā)明基于模糊TS模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的預(yù)測控制方法實(shí)施例一的流程圖，如圖1示，本發(fā)明基于模糊TS模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的預(yù)測控制方法，包括：

S101、獲取壓電陶瓷執(zhí)行器的電壓位移采樣數(shù)據(jù)組，優(yōu)選的，包括：

獲取所述壓電陶瓷執(zhí)行器的電壓和位移，并以線性向量形式表示電壓位移采樣數(shù)據(jù)組：

X＝[y(t-1),y(t-2),…,y(t-n_y),u(t),u(t-1),…,u(t-n_u)]∈R^p (1)

其中n_y為輸出量y所對(duì)應(yīng)的最大延遲，n_u為輸入量u所對(duì)應(yīng)的最大延遲，所述獲取所述壓電陶瓷執(zhí)行器的電壓和位移包括：