一種壓電陶瓷物鏡驅動器的控制方法
2023-07-11 16:30:26
專利名稱：一種壓電陶瓷物鏡驅動器的控制方法
技術領域：
本發明涉及壓電陶瓷驅動器的精密控制技術領域，具體是ー種壓電陶瓷物鏡驅動器的控制方法。
ニ背景技術：
數字共焦顯微技術是上世紀90年代出現的ー種在生物光學顯微鏡的基礎上，採用光學切片技術和圖像復原的方法獲得高解析度序列生物顯微圖像的技木。該技術依賴於通過微小位移驅動元件驅動物鏡與載物臺的相對步進微位移，對生物細胞進行序列切片圖像採集。所以微小位移驅動元件的驅動好壞是採集圖像質量的關鍵。目前，在實踐中採用的微小位移驅動元件有很多種，而壓電陶瓷驅動器以其體積小、推力大、精度和位移解析度高、頻率響應快、不發熱、不產生噪聲等特性，成為微定位控制領域應用最廣的驅動元件之一。但是，壓電陶瓷材料有非線性、遲滯、蠕變等固有特性，對於這樣ー個非線性、多變量因素、時變的複雜壓電陶瓷系統，為其建立精確的數學模型比較困難。因此，必須結合一定的控制算法才能實現對壓電陶瓷驅動器的精密控制。早期的壓電陶瓷控制方法多是比例積分微分PID控制和改進的比例積分微分PID閉環控制，但由於無法建立精確的模型以及參數整定粗糙所以誤差較大，超調量大，響應速度慢。這都大大限制了壓電陶瓷物鏡驅動器定位精度的進ー步提高。因此，如何改善壓電陶物鏡瓷驅動器控制方法的誤差較大，超調量大，響應速度慢等缺陷成為我們實現超精密壓電陶瓷物鏡定位所需解決的重要問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種壓電陶瓷物鏡驅動器的控制方法，它能夠改進現有壓電陶瓷物鏡驅動器控制方法的不足，減小控制誤差和超調量，提高響應速度，控制輸出平穩且精確，使壓電陶瓷物鏡驅動器的快速、精確、穩定控制成為可能。本發明通過以下技術方案實現上述目的:一種壓電陶瓷物鏡驅動器的控制方法，包括如下步驟:( I)在離線狀態下，預先進行遺傳算法初始參數優化，首先對比例積分微分PID控制器的三個初始參數Kptl、Kitl和Kdtl用10位ニ進位碼表示，按參數Kptl、Kitl和Kdtl串接的編碼順序組成個體，再以時間乘絕對誤差積分ITAE作為性能評價指標來確定適應度函數，然後設置遺傳算法中樣本個數Size=30，交叉概率Pc=0.80，變異概率Pm=0.10-[1:1: Size]*0.01/Size,經100代進化，最終獲得優化初始參數Kp(l、Ki0和Kdtl,並輸出到模糊控制器，(2)在在線控制狀態下，由當前設定控制量r與壓電陶瓷物鏡驅動器的實際輸出量1，計算出控制誤差e和誤差變化率ec，輸出到模糊控制器和比例積分微分PID控制器中，進行在線反饋實時調整，模糊控制器以控制誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表對參數進行實時調整，輸出參數調整量A Kp、A Ki和A Kd到比例積分微分PID控制器，(3)比例積分微分PID控制器，根據控制誤差e和誤差變化率ec與參數調整量A Kp、A Ki和A Kd，通過數字増量式比例積分微分PID控制算法計算得到輸出控制量，控制壓電陶瓷物鏡驅動器進行微步進定位，(4)毎次精確定位結束後，按控制需求，重複步驟(2)和(3)進行下一次定位控制，直至達到控制需求，驅動器控制結束。所述遺傳算法初始參數優化為離線狀態下完成，不參與在線調整。所述模糊控制器為兩輸入三輸出的結構形式，以系統誤差e和誤差變化率ec作為輸入語言變量，以A Kp、A Ki和A Kd作為輸出語言變量，並將它們分為7個論域為[-3，3]的模糊子集，隸屬函數均採用三角形、非均勻分級法及全交迭形式。所述微步進定位為納米級，步進為lOOnm，精度為0.1%，單步響應時間為0.7s。所述驅動器為以壓電陶瓷材料製成的致動器，驅動對象為光學顯微鏡物鏡。本發明方法的突出效果在於:在離線狀態下，預先進行遺傳算法初始參數優化，不佔用在線調整時間，優化後初始參數使得控制的過程中輸出超調量幾乎為零，且在線調整時間及調整次數減小，縮短驅動器單次定位時間，提高了響應速度。在線控制中模糊控制器選取兩輸入三輸出形式，兼顧了複雜度和精度，使得壓電陶瓷物鏡驅動器具有良好的動態性能和靜態性能，在一定程度上消除了數字増量式比例積分微分PID控制算法的靜態誤差，加上數字増量式比例積分微分PID控制算法計算量小易於實現的優點使得在線調整快速而驅動器位移輸出平穩且精確。在實驗中設定壓電陶瓷物鏡驅動器的輸出定位位移為IOOnm時,輸出穩定時間為
0.07s,響應速度快，控制驅動器的定位位移穩定在0.1OOum處，精度為0.1%。
四
圖1為整個壓電陶瓷物鏡驅動器控制方法的控制結構方框圖，其將PID控制器的初始參數分離出來置於離線狀態下進行全局優化。圖2為在線調整PID控制器初始參數控制方法的控制結構方框圖，其將PID控制器的初始參數置於在線控制中進行調整。圖3為整個壓電陶瓷物鏡驅動器控制系統總體框圖，其中虛線框內為本發明所述的壓電陶瓷物鏡驅動器控制方法所處部分。圖4為本發明控制方法中壓電陶瓷物鏡驅動器的時間-位移響應曲線。
五具體實施例方式以下通過附圖和實例對本發明所述的壓電陶瓷物鏡驅動器的控制方法作進ー步的詳細描述。如圖1所示，本發明所述的壓電陶瓷物鏡驅動器的控制方法，包括如下步驟:( I)在離線狀態下，預先進行遺傳算法初始參數優化，首先對比例積分微分PID控制器的三個初始參數Kptl、Kitl和Kdtl用10位ニ進位碼表示，按參數Kptl、Kitl和Kdtl串接的編碼順序組成個體，再以時間乘絕對誤差積分ITAE作為性能評價指標來確定適應度函數，然後設置遺傳算法中樣本個數Size=30，交叉概率Pc=0.80，變異概率Pm=0.10-[1:1: Size]*0.01/Size,經100代進化，最終獲得優化初始參數Kp(l、Ki0和Kdtl,並輸出到模糊控制器，(2)在在線控制狀態下，由當前設定控制量r與壓電陶瓷物鏡驅動器的實際輸出量y，計算出控制誤差e和誤差變化率ec，輸出到模糊控制器和比例積分微分PID控制器中，進行在線反饋實時調整，模糊控制器以控制誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表對參數進行實時調整，輸出參數調整量A Kp、A Ki和A Kd到比例積分微分PID控制器，(3)比例積分微分PID控制器，根據控制誤差e和誤差變化率ec與參數調整量A Kp、A Ki和A Kd，通過數字増量式比例積分微分PID控制算法計算得到輸出控制量，控制壓電陶瓷物鏡驅動器進行微步進定位，(4)毎次精確定位結束後，按控制需求，重複步驟(2)和(3)進行下一次定位控制，直至達到控制需求，驅動器控制結束。如圖2所示，在線調整比例積分微分PID控制器初始參數控制方法中，將初始參數調整調整器置於在線實時控制中，在控制過程中結合模糊控制器和比例積分微分PID控制器對初始參數進行在線優化調整，以使壓電陶瓷物鏡驅動器能達到預期的控制效果。該控制方式，需要對初始參數進行多次優化調整，調整次數多，所消耗時間長且精度不高。實施例1如圖3所示，壓電陶瓷物鏡驅動器控制系統主要由單片機系統、比例積分微分PID控制器、A/D與D/A轉換、驅動電源、壓電陶瓷物鏡驅動器和微位移傳感器等部分組成。所述的壓電陶瓷物鏡驅動器控制方法處於比例積分微分PID控制器部分。所述的壓電陶瓷物鏡驅動器控制方法在壓電陶瓷物鏡驅動器控制系統，具體實施如下:在單片機系統中設定控制系統的輸出定位位移值，將其作為本發明方法中的比例積分微分PID控制器的輸入，比例積分微分PID控制器的輸出連接D/A轉換器輸入，將控制量由數字量轉換成模擬量，D/A轉換器輸出連接驅動電源輸入，進ー步將控制量轉換成可直接控制壓電陶瓷物鏡驅動器的相對應電壓量，驅動電源輸出電壓0-150V連接壓電陶瓷物鏡驅動器，對壓電陶瓷物鏡驅動器進行O-1OOum驅動定位，利用微位移傳感器對壓電陶瓷物鏡驅動器進步微位移測量，採集壓電陶瓷物鏡驅動器的實時位移，再利用信號轉換器，將位移量轉換成電壓量，信號轉換器輸出連接A/D轉換器輸入，將電壓量轉換成單片機可處理的相對應數字量，A/D轉換器輸出連接單片機系統輸入，利用反饋回來的位移值與設定的輸出定位位移值之間的誤差量對驅動器位移進行實時控制調整，重新調整輸出定位位移。在離線狀態下，預先進行遺傳算法初始參數優化，得到優化初始參數配置於比例積分微分PID控制器中。微位移傳感器實時輸出數據，單片機系統周期性控制A/D轉換器轉換並讀回該數據，根據初始控制量和當前讀回實際輸出量，計算出控制誤差e和誤差變化率ec，輸出到比例積分微分PID控制器中，進行在線反饋實時調整輸出控制量，控制壓電陶瓷物鏡驅動器進行微步進定位，依此循環，直至達到控制要求。如圖4所示，該圖為利用本發明控制方法所得到的壓電陶瓷物鏡驅動器時間-位移響應輸出曲線圖。由壓電陶瓷物鏡驅動器對光學顯微鏡物鏡從Oum驅動定位到0.1um處進行實驗所獲得。從圖中可以看出，壓電陶瓷物鏡驅動器的輸出穩定且精確，穩定時間為0.07s，響應速度快，實驗持續到0.5s，控制驅動器的定位位移穩定在0.1OOum處，精度為0.1%。並且控制過程中輸出不需進行多次振蕩調整，直接驅動物鏡逐漸逼近目標位移，幾乎無超調量，實現快速精確地控制壓電陶瓷物鏡驅動器。
本發明提供的壓電陶瓷物鏡驅動器控制方法在離線狀態下預先採用遺傳算法初始參數優化對比例積分微分PID控制器的初始參數進行全局優化，並將經優化後的優化初始參數配置於模糊控制器中，再通過比例積分微分PID控制器對控制器參數進行在線實時調整，對壓電陶瓷物鏡驅動器進行在線反饋實時控制，控制驅動器進行微步進定位。整個過程可實現對壓電陶瓷物鏡驅動器精密控制，超調量小，穩定性好，響應速度快，滿足壓電陶瓷物鏡驅動器驅動的需要。
權利要求
1.一種壓電陶瓷物鏡驅動器的控制方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟: (1)在離線狀態下，預先進行遺傳算法初始參數優化，首先對比例積分微分PID控制器的三個初始參數Kptl、Kitl和Kdtl用10位二進位碼表示，按參數Kptl、Kitl和Kdtl串接的編碼順序組成個體，再以時間乘絕對誤差積分ITAE作為性能評價指標來確定適應度函數，然後設置遺傳算法中樣本個數Size=30,交叉概率Pc=0.80,變異概率Pm=0.10-[1:1: Size] *0.01/Size,經100代進化，最終獲得優化初始參數Kp(l、Ki0和Kdtl,並輸出到模糊控制器， (2)在在線控制狀態下，由當前設定控制量r與壓電陶瓷物鏡驅動器的實際輸出量1，計算出控制誤差e和誤差變化率ec，輸出到模糊控制器和比例積分微分PID控制器中，進行在線反饋實時調整，模糊控制器以控制誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表對參數進行實時調整，輸出參數調整量Λ Κρ、Λ Ki和Λ Kd到比例積分微分PID控制器， (3)比例積分微分PID控制器，根據控制誤差e和誤差變化率ec與參數調整量ΛΚρ、Δ Ki和Λ Kd，通過數字增量式比例積分微分PID控制算法計算得到輸出控制量，控制壓電陶瓷物鏡驅動器進行微步進定位， (4 )每次精確定位結束後，按控制需求，重複步驟(2 )和(3 )進行下一次定位控制，直至達到控制需求，驅動器控制結束。
2.根據權利要求1所述的壓電陶瓷物鏡驅動器控制方法，其特徵在於，所述遺傳算法初始參數優化為離線狀態下完成，不參與在線調整。
3.根據權利要求1所述的壓電陶瓷物鏡驅動器控制方法，其特徵在於，所述模糊控制器為兩輸入三輸出的結構形式，以系統誤差e和誤差變化率ec作為輸入語言變量，以Λ Κρ、Δ Ki和Λ Kd作為輸出語言變量，並將它們分為7個論域為[-3，3]的模糊子集，隸屬函數均採用三角形、非均勻分級法及全交迭形式。
4.根據權利要求1所述的壓電陶瓷物鏡驅動器控制方法，其特徵在於，所述微步進定位為納米級，步進為lOOnm，精度為0.1%，單步響應時間為0.7s。
5.根據權利要求1所述的壓電陶瓷物鏡驅動器控制方法，其特徵在於，所述驅動器為以壓電陶瓷材料製成的致動器，驅動對象為光學顯微鏡物鏡。
全文摘要
一種壓電陶瓷物鏡驅動器的控制方法，包括如下步驟將比例積分微分PID控制器初始參數的優化從在線調整中分離出來，經優化後的初始參數配置於在線控制算法中，對壓電陶瓷物鏡驅動器進行快速精確控制。在離線狀態下，預先採用遺傳算法完成比例積分微分PID控制器初始參數的全局優化，並將經優化後獲取的優化初始參數配置於在線模糊比例積分微分PID控制中，進行在線反饋實時控制，控制壓電陶瓷物鏡驅動器進行微步進定位。該控制方法能夠實現對壓電陶瓷物鏡驅動器高精度控制，輸出超調量小，穩定性好，響應速度快。
文檔編號G05B13/02GK103116276SQ20131006716
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月4日 優先權日2013年3月4日
發明者陳華, 董釗明, 林廣升, 聶雄 申請人:廣西大學