[發明專利]一種壓電陶瓷連接的剛柔耦合運動平臺控制方法

有效

• 申請號: 201910820728.1
• 申請日: 2019-08-29
• 公開（公告）號: CN110941181B
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發明（設計）人: 黃瑞銳;楊志軍
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 楊曉松

1.一種壓電陶瓷連接的剛柔耦合運動平臺控制方法，所述的剛柔耦合運動平臺包括框架剛體和平臺剛體，其中，框架剛體安裝在機械導軌上，平臺剛體通過柔性鉸鏈及壓電陶瓷連接到框架剛體上；框架剛體和平臺剛體上設置有位移速度檢測單元；平臺剛體上設置有用于驅動框架剛體移動的驅動單元，其特征在于：包括以下步驟：

1)構建工作平臺的雙閉環控制系統：以規劃的位移和速度為參考輸入，并以工作平臺的實際位移和速度作為反饋，以驅動運動平臺的直線電機為執行器，建立所述工作平臺的雙閉環控制系統；

2)檢測平臺剛體的位移和速度并分別與工作平臺的位移和速度作差，得到兩者之間的位移差和速度差，再由壓電陶瓷檢測平臺剛體與工作平臺之間的壓力，輸入到PD控制器A；

3)將步驟2)得到的速度差、位移差分別乘以柔性鉸鏈的阻尼和剛度，再加上測得的壓力，得到工作平臺的總擾動力；

4)將步驟3)得到的總擾動力與控制量一起輸入到擴張狀態觀測器，估計工作平臺的擾動信息；

5)將步驟2)得到的工作平臺的位移和速度與運動規劃的位移和速度作差，輸入到PD控制器B，對位移差和速度差分別進行比例增益放大，得到工作平臺的控制量；

6)將步驟4)得到的擾動信息的估計值補償到步驟5)得到的控制量中，轉變為無擾動的剛體平臺控制系統；

7)最后，以直線電機是否停止為切換控制的判斷條件，停止時即將位移差前向通道由所述PD控制器A構成的控制閉環切換至由所述PD控制器B構成的控制閉環，執行步驟5)，控制壓電陶瓷促動器的電壓，驅動剛體平臺定位補償誤差；

步驟3)中所述的總擾動力為：

其中，k，c分別為柔性鉸鏈的剛度和阻尼，F_N為壓電陶瓷受到的壓力；x_M，x_m分別為框架剛體和工作平臺的位移，分別為框架剛體和工作平臺的速度。

2.根據權利要求1所述的一種壓電陶瓷連接的剛柔耦合運動平臺控制方法，其特征在于：步驟4)中的擴張狀態觀測器為：

其中，β₁＝3ω，β₂＝3ω²，β₃＝ω³，ω是需要設定的參數；e_y為實際反饋與給定位移的差值；為工作平臺位移差的估計值；為工作平臺移動速度的估計值；b0為控制參數，通常為慣量的倒數；u為步驟5)得到的控制量。

3.根據權利要求1或2所述的一種壓電陶瓷連接的剛柔耦合運動平臺控制方法，其特征在于：步驟5)中的工作平臺的控制量獲得方法是：控制量通過以下公式獲得：

其中，k_p與k_d分別為PD控制器A的比例系數和微分放大系數，為大于0的正數；為工作平臺擾動差的估計值；e_y為實際反饋與給定位移的差值；x_M，x_m分別為框架剛體和工作平臺的位移；分別為框架剛體和工作平臺的速度；F_N為壓電陶瓷受到的壓力；k，c分別為柔性鉸鏈的剛度和阻尼；其中，v為給定速度。

4.根據權利要求1所述的一種壓電陶瓷連接的剛柔耦合運動平臺控制方法，其特征在于：步驟7)中壓電陶瓷的輸出電壓為：

其中，V是壓電陶瓷的輸出電壓，S為圓片底面積，g為材料系數，F是壓電陶瓷受到的壓力，l是壓電陶瓷的厚度；

壓電陶瓷作為位移促動器時的位移計算公式為：ΔW＝dV；

其中，ΔW是壓電陶瓷的伸長量，即是作為位移促動器時的位移，d為壓電系數，V為壓電陶瓷的輸出電壓。

5.一種壓電陶瓷連接的剛柔耦合運動平臺控制方法的應用，其特征在于，大行程精密加工設備上應用如權利要求1至4其中之一所述的剛柔耦合運動平臺控制方法控制運動平臺。