[發明專利]一種壓電驅動器的自適應逆控制方法

在審

• 申請號: 201710146154.5
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN106802565A
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 陳遠晟;陳朝霞;郭家豪;羅丹;應展烽;張旭東;徐冰;董妍男
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 陳鵬

技術領域

本發明屬于自動控制領域，具體涉及一種壓電驅動器的自適應逆控制方法。

背景技術

隨著新世紀的前沿科技—納米技術的興起和發展，人類在認識和改造自然方面開創了一個前所未有的新局面。它給信息技術、先進制造技術、醫學、能源、航天航空和國防等多個領域帶來了重大變革。精密驅動技術作為納米科技的關鍵技術之一，在微電子制造、光電子技術、航天技術、超精密加工、生物醫學工程、原子力顯微鏡等領域，都起著舉足輕重的作用。全球的多種行業正逐漸以微米、納米作為精度標準，如在微光刻操作中，要求步進定位系統的誤差在20nm以內。精密驅動技術已成為許多現代工業領域和前沿科學技術研究的共同基礎，它的每一次突破都會使許多相關技術，如電子產品的集成度、光盤的容量、機械產品的精度等級、儀器設備的微型化程度等得到較大幅度的提高。

壓電驅動器具有剛度高、體積小、響應快、位移分辨率高的優點，是微精密驅動中理想的驅動器件，所以壓電驅動器是微、納米級精密驅動中應用最廣的驅動元件。但是作為一種鐵電多晶材料，壓電驅動器在電場作用下會產生遲滯、蠕變等非線性特征，大大限制了響應速度與定位精度的提高。

因此對壓電驅動器遲滯非線性模型和控制算法的研究具有重要的實踐意義。目前，對壓電陶瓷遲滯性進行建模，在遲滯模型的基礎上采用逆控制的思想，進行前饋控制的技術已較為成熟。這種方法雖然能夠有效地降低壓電陶瓷遲滯特性帶來的影響，然而在前饋逆控制中不能消除參數變化引起的模型誤差，同時，對于不同規格、型號的壓電驅動器，需要不同的逆模型控制器，適用范圍單一。

發明內容

本發明的目的在于提供一種壓電驅動器的自適應逆控制方法，通過在線測量實際輸入電壓與輸出位移，對實際遲滯關系進行建模以及求逆，并用自適應控制算法對PI逆模型的權值和閾值進行在線調整，可以有效地消除模型參數變化對跟蹤效果的影響。

實現本發明目的的技術方案為：一種壓電驅動器的自適應逆控制方法，包括以下步驟：

步驟1、針對壓電驅動器的遲滯非線性關系，離線建立壓電驅動器的輸出位移與輸入電壓的非線性數學模型；

步驟2、根據建立的非線性數學模型，計算得壓電驅動器的逆模型，作為初始逆控制器來驅動壓電驅動器；

步驟3、壓電驅動器在線運行時，測量其實際輸出位移與輸入電壓；

步驟4、通過自適應算法對模型參數進行在線辨識，獲得在線運行時的模型并計算其逆模型；

步驟5、根據計算所得逆模型參數，替換壓電驅動器的控制器中原有參數進行在線更新。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

(1)本發明提出的在線參數可調的逆控制器，根據實際輸入電壓與輸出位移在線調整參數，提高了輸出精度；(2)本發明可以有效地克服壓電驅動器運行時，由于輸入信號變化等原因而引起的遲滯模型參數變化所導致的誤差；(3)本發明提出的自適應逆控制方法，可以同時適用于不同規格、型號的壓電驅動器。

附圖說明

圖1為本發明壓電驅動器的自適應逆控制方法的流程圖。

圖2為基本Play算子示意圖。

圖3為壓電驅動器遲滯效應示意圖。

圖4為本發明系統框圖。

圖5為示例輸入波形圖。

圖6為模型自適應辨識結果圖。

具體實施方式

結合圖1，本發明的一種壓電驅動器的自適應逆控制方法，包括以下步驟：

步驟1、針對壓電驅動器的遲滯非線性關系，離線建立壓電驅動器的輸出位移與輸入電壓的非線性數學模型；

步驟2、根據建立的非線性數學模型，計算得壓電驅動器的逆模型，作為初始逆控制器來驅動壓電驅動器；

步驟3、壓電驅動器在線運行時，測量其實際輸出位移與輸入電壓；

步驟4、通過自適應算法對模型參數進行在線辨識，獲得在線運行時的模型并計算其逆模型；

步驟5、根據計算所得逆模型參數，替換壓電驅動器的控制器中原有參數進行在線更新。

進一步的，步驟1中遲滯非線性表現為輸入電壓與輸出位移之間的環形關系；由于Prandtl-Ishlinskii模型擁有解析的逆模型，因此本發明采取PI模型來描述壓電驅動器遲滯非線性特性。PI模型把遲滯非線性看成是一系列基本Play算子線性加權疊加而成的，結構簡單，并且能夠得到解析形式的逆模型。

如圖2所示，輸入信號v與輸出信號y之間的算子稱為Play算子，遞歸數學表達式為：