[發明專利]基于PI模型的壓電陶瓷執行器參數辨識和復合控制方法

有效

• 申請號: 202110088650.6
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112835295B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 李自成;熊軒;王后能;曾麗;熊濤;廖小兵
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

本發明提供了基于PI模型的壓電陶瓷執行器參數辨識和復合控制方法，依次通過針對壓電陶瓷執行器輸入電壓與輸出位移之間多值的映射關系，建立PI遲滯模型；采用優化粒子群方法對PI遲滯模型進行參數辨識，從而建立PI遲滯逆模型；通過PI遲滯逆模型設計前饋控制器，并結合滑模控制的復合控制方法對壓電陶瓷執行器進行控制。本發明實現了由壓電陶瓷輸出?輸入多值映射關系來描述遲滯特性的功能，更好地描述了遲滯特性與壓電陶瓷執行器的關系；由前饋控制結合滑模控制的復合控制方法控制壓電陶瓷執行器，較好地解決了前饋控制無法實時反饋和滑模面的抖動問題，控制方法簡單，控制效果好，有效地抑制了壓電陶瓷執行器遲滯非線性特性。

技術領域

本發明屬于壓電陶瓷執行器技術領域，具體涉及基于PI模型的壓電陶瓷執行器參數辨識和復合控制方法。

背景技術

近年來，隨著微電子/光電子信息器件制造、微納制造、光機電一體化、超精密加工技術的飛速發展，制造裝備對精度的要求越來越高。由于具有響應快、定位精度高、分辨率高等優勢，壓電陶瓷驅動器被廣泛應用在微型機械制造、超精密加工、半導體技術、顯微鏡技術等領域。然而由于其輸入電壓同輸出位移之間存在嚴重的遲滯非線性，影響了運動控制精度和系統的穩定性。

壓電陶瓷執行器是利用壓電材料的逆壓電特性，在輸入電壓的作用下產生形變，達到機械運動的目的，并通過位移放大機構(例如柔性餃鏈等)來實現高分辨率位移輸出。然而作為一種極性材料，壓電陶瓷本身固有的非線性特性，如遲滯、溫度、蠕變和動態頻率特性等，尤其是遲滯特性，直接影響了系統的運動性能，給跨尺度噴印制造中的精密定位和跟蹤帶來了困難和挑戰。

目前，針對遲滯特性的補償方法主要分為兩種：逆模型補償和閉環控制。逆模型補償方法屬于開環控制，通過對遲滯特性建立逆模型，串聯在系統前進行補償，具有系統簡單，響應快的特點，然而，該方法容易受到擾動影響，控制精度取決于模型精度，無法進行實時補償。第二種是閉環控制方法，主要包括PID控制、魯棒控制和自適應控制等方法。此類方法將遲滯看做擾動，直接通過系統的輸入、輸出及誤差進行補償控制，然而此類方法控制器設計較復雜，加大控制器的負擔，不易實現。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：提供基于PI模型的壓電陶瓷執行器參數辨識和復合控制方法，用于抑制壓電陶瓷執行器的遲滯非線性特性。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：基于PI模型的壓電陶瓷執行器參數辨識和復合控制方法，包括以下步驟：

S1：獲取壓電陶瓷執行器在輸入電壓下產生的輸出位移，通過建立PI遲滯模型描述輸入電壓與輸出位移之間的多值映射關系；

S2：采用優化粒子群方法對PI遲滯模型進行參數辨識，建立PI遲滯逆模型并設計前饋控制器；

S3：采用融合逆模型前饋控制與滑模控制的復合控制方法對所述壓電陶瓷執行器進行控制。

按上述方案，所述的步驟S1中，具體步驟為：采用基于彈塑性變形的物理模型的建模方法建立PI遲滯模型，設T為采樣周期，t∈[t₀,t_N，t₀≤…≤t_i≤t≤…≤t_N，y₀是系統初始狀態，y(t)為算子輸出，r為算子閾值，具體公式為：

設yⁱ(0)為算子初值，一般取為0，則上式的初始條件為：

y(t₀)＝max{x(t₀)-r,min(x(t₀)+r,y₀)}；

將多個閾值不同的Play算子進行加權疊加后得到PI遲滯模型。