[發明專利]壓電陶瓷執行器精度控制裝置的設計方法及精度控制系統

在審

• 申請號: 201711427714.0
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN107991882A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 黃德青;簡雨沛;康鑫;閔達
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙)51229
• 代理人: 何凡,李蕊

技術領域

本發明涉及本發明屬于運動控制和精密制造技術領域，具體涉及一種壓電陶瓷執行器精度控制裝置的設計方法及精度控制系統。

背景技術

隨著MEMS(micro electro mechanical system)技術的不斷發展，人們在微觀領域的探索和研究不斷加深。在許多應用領域，如精密加工，光纖通訊，材料科學等，對于驅動器精度要求都在逐步加深，傳統意義上的電機驅動器由于慣性大，響應慢，精度低，已經不在滿足上述領域的要求。作為智能材料的一種，壓電陶瓷具有響應快，驅動力大，精度高，穩定性好等優點，其被廣泛的應用于微納米定位和驅動系統中。

但是由于壓電陶瓷材料具有固有的遲滯非線性，直接影響到微納米控制系統的控制性能，甚至會造成不穩定。如何設計控制器來有效抑制壓電陶瓷執行器的遲滯非線性，實現高精密運動控制，是壓電陶瓷微納米控制系統首要面對的問題。

發明內容

針對現有技術中的上述不足，本發明提供的壓電陶瓷執行器精度控制裝置的設計方法及精度控制系統能夠通過精度控制裝置有效抑制壓電陶瓷執行器的遲滯非線性，實現高精密運動控制。

為了達到上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

第一方面，提供一種壓電陶瓷執行器精度控制裝置的設計方法，其包括：

采用Bouc-wen模型構建壓電陶瓷執行器的遲滯非線性模型：

H(x,h)＝y(t)＝kx(t)-dh(t))

其中，h(t)為遲滯分量；y(t)為壓電陶瓷執行器的輸出位移；x(t)為壓電陶瓷執行器的驅動電壓；k為驅動電壓與輸出位移的比率；d為遲滯分量與輸出位移的比率；

對遲滯非線性模型求其反函數，得到遲滯補償器：

其中，y_r(t)為期望的輸出位移；H(y_r,h)^-1為遲滯非線性模型的反函數；

采用Matlab系統辨識工具箱的ARX函數辨識出的參數α₁,α₂,…a_n和b₀,b₁,…b_m構建壓電陶瓷執行器的線性動力學模型：

其中，z^-1為單位遲滯算子；n為壓電陶瓷執行器的階數，m為小于n的參數；

采用線性動力學模型的相位或階數選取學習濾波器，并根據學習濾波器構建迭代學習控制器：

U_i+1(z)＝Q(z)(U_i(z)+βL(z)E_i(z))

其中，U_i(z)和E_i(z)分別為第i次迭代時壓電陶瓷執行器的驅動電壓和跟蹤誤差；U_i+1(z)為第i+1次迭代時壓電陶瓷執行器的驅動電壓；L(z)為學習濾波器；Q(z)為低通濾波器；β為增益系數；

連接遲滯補償器和迭代學習控制器形成壓電陶瓷執行器的精度控制裝置。

第二方面，提供一種壓電陶瓷執行器精密運動控制系統，其包括壓電陶瓷執行器、信號發生器及精度控制裝置；信號發生器依次與加法器、精度控制裝置、數模轉換器、功率放大器、壓電陶瓷執行器、位移傳感器和模數轉換器連接；模數轉換器的輸出與加法器輸入連接；精度控制裝置的遲滯補償器的輸出與數模轉換器輸入連接，精度控制裝置的迭代學習器的輸入與加法器連接。

本發明的有益效果為：本方案通過對構建的壓電陶瓷執行器的遲滯非線性模型求逆，得到的逆模型，即遲滯補償器，其能夠補償掉壓電陶瓷執行器固有的遲滯非線性特性；通過構建的線性動力學模型設計的迭代學習控制器可以進一步減小因為建模的不精確而引入的誤差，經過數次迭代，能將誤差減小到壓電陶瓷執行器控制系統的硬件設備的精度，滿足精確跟蹤控制的需求。

采用迭代學習控制器和前饋遲滯補償器相結合的方法，通過迭代學習控制器的幾次迭代，理論上可以將誤差減小到零，在實際操作中，能將誤差減小到整個系統的設備的極限精度，即整套設備越精密，誤差越小。

附圖說明

圖1為壓電陶瓷執行器精度控制裝置的設計方法一個實施例的流程圖。

圖2為壓電陶瓷執行器精密運動控制系統的原理框圖。

圖3為含前饋遲滯補償器的PID控制示意圖。

圖4為遲滯補償器和迭代學習控制器串聯的復合控制示意圖。

圖5為本發明方法同傳統PID控制及含前饋遲滯補償器的PID控制的跟蹤控制對比效果圖。