壓電驅動器的遲滯非線性建模與控制.pdf

1、遲滯現(xiàn)象是一種輸入-輸出關系呈多重分支的非線性，且分支的切換發(fā)生在輸入達到極值的時刻，廣泛地存在于壓電材料、機械間隙系統(tǒng)、光學、電子束、經濟等領域。由于這種現(xiàn)象十分普遍，而且涉及到多個學科，受到了許多研究者的關注。本課題研究了壓電驅動器遲滯非線性的建模方法，并基于模型設計了控制器。
　　壓電陶瓷驅動器是一種高性能的功能器件，具有體積小、響應快、功耗低、位移分辨率高等優(yōu)點，在智能結構、精密加工、納米技術、微電子工程、精密光學、生物工

2、程等領域有廣泛地應用前景，如壓電式微位移機構、掃描探針顯微鏡的探頭定位、天文望遠鏡定位系統(tǒng)等。然而，壓電陶瓷驅動器作為一種鐵電材料，本身所固有的非線性遲滯特性是制約驅動精度的瓶頸。這種遲滯非線性不僅削弱閉環(huán)控制的反饋作用，而且有可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。隨著智能結構、精密加工以及微電子等技術的不斷進步，對定位精度的要求也越來越高。本課題設計了一種前饋與反饋復合的控制策略，用于提高壓電驅動器的定位精度。前饋控制器在Preisach遲滯模型理論

3、的基礎上，采用神經網絡描述壓電驅動器遲滯非線性的逆過程。與經典的Preisach遲滯模型相比，神經網絡模型所需的參數更少，而且參數易于識別。反饋控制器根據傳感器測量的位移信號，修正驅動電壓，并補償積累的誤差。實驗結果顯示，這種控制方法能夠有效的提高壓電驅動系統(tǒng)跟蹤控制的精度，控制后的最大定位誤差只有8.8μm，比控制前減小了77.44％。
　　雙曲函數模型能夠用較少的參數描述壓電疊堆驅動器的遲滯非線性，但是僅遵循記憶擦除性而不符合

4、次環(huán)一致性。根據經典的Preisach模型理論，改進了雙曲函數模型用來描述壓電雙晶片的遲滯過程。逆控制器采用改進的雙曲函數模型描述遲滯的逆，與壓電雙晶片的遲滯過程相互抵消。通過分析壓電雙晶片與逆控制器構成的偽線性系統(tǒng)的幅頻與相頻特性，設計前饋控制器減小系統(tǒng)固有頻率對定位精度的影響，同時設計了反饋控制器補償壓電雙晶片的蠕變效應并進一步提高定位精度。實驗結果顯示，在單頻率變幅值信號的驅動下，最大定位誤差由控制前的0.0863 mm減小到控制

5、后的0.0095mm;在多頻疊加信號的驅動下，最大定位誤差由控制前的0.0825 mm減小到控制后的0.0536mm。該系統(tǒng)能夠有效的提高壓電雙晶片驅動器的定位精度，可用于寬頻域的微定位系統(tǒng)中。
　　經典的Prandtl-Ishlinskii模型是不同閾值的線性Play算子或Stop算子的加權疊加。由于線性Play算子的遲滯環(huán)是關于中心對稱的，經典Prandtl-Ishlinskii模型也只能描述關于中心對稱的遲滯現(xiàn)象，而壓電驅動

6、器的遲滯非線性通常是一個非對稱的過程。根據經典Prandtl-Ishlinskii遲滯模型的基本遲滯單元，設計了上升算子與下降算子，使改進后的模型能夠模擬非對稱的遲滯非線性過程。采用這種改進的Prandtl-Ishlinskii模型與逆系統(tǒng)控制理論，設計了用于壓電驅動器的精密定位控制器。實驗結果顯示，采用這種控制器的跟蹤定位的應用上是行之有效的，壓電驅動器控制后的最大定位誤差降低到0.1370μm，比控制前減小了92.16％。
　

7、　為了提高壓電式二維微定位平臺的控制精度，本課題基于改進型Prandtl-Ishlinskii模型補償平臺的遲滯與耦合，設計了復合控制系統(tǒng)。在分析x與y方向輸入電壓與響應位移之間遲滯非線性關系的基礎上，前饋控制器通過改進型Prandtl-Ishlinskii模型描述遲滯的逆過程，分別補償了x與y方向的遲滯。解耦控制器通過改進型Prandtl-Ishlinskii模型估算出耦合位移值，然后修正驅動電壓，抵消耦合位移。復合控制系統(tǒng)結合了前饋