壓電陶瓷執行器遲滯特性的複合線性化控制方法及其實現電路的製作方法

2023-04-25 00:20:56

專利名稱：壓電陶瓷執行器遲滯特性的複合線性化控制方法及其實現電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於線性化控制技術領域，特別涉及一種壓電陶瓷執行器遲滯特性線性化的線性化控制方法。本發明還涉及一種該方法的實現電路。
背景技術：
壓電陶瓷執行器具有體積小、能量密度高、定位精度高、解析度高、頻響快等優點， 在精密定位、微機電系統、微納米製造技術、納米生物工程等領域中得到了廣泛應用。但是壓電陶瓷執行器的輸出位移與控制電壓的遲滯非線性特性給壓電陶瓷執行器的定位控制帶來了很大的困難。目前，實現壓電陶瓷執行器定位控制的方法主要有三大類
第一類是使用電荷驅動替代一般的電壓驅動的方法。Newcomb與Flirm (Electronics Letters, Vol. 18，No. 11，442-444，1982)發現採用電荷驅動壓電陶瓷執行器的遲滯現象比採用電壓驅動有明顯的降低。在此基礎上，Kaizuka和Sui (Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 27，No. 5，773-776，1988)採用串聯一個補償電容的方法使得電壓驅動產生電荷驅動的效果。但是電荷驅動會降低壓電陶瓷執行器的靈敏度，應用範圍很有限。第二類是使用單純的閉環位移控制方法。該方法將壓電陶瓷執行器的遲滯看成控制系統的擾動，採用閉環控制以消除遲滯的影響。但是由於壓電陶瓷執行器的遲滯現象比較嚴重，將對閉環控制系統產生較大的擾動，控制系統很可能長時間處於過渡過程中，不能進入期望的穩定狀態，而且其控制精度也不高。第三類是採用基於遲滯模型的追蹤控制方法。該方法首先通過建模得到壓電陶瓷執行器的遲滯模型，利用該遲滯模型的逆構成前饋控制以補償壓電陶瓷執行器的輸出位移追蹤期望位移。由於遲滯模型不可避免的存在模型誤差，在對遲滯模型求逆的過程也會帶來誤差，控制精度並不高。綜上所述，到目前為止，並沒有特別有效的方法對壓電陶瓷執行器進行精密定位控制。

發明內容
為解決現有技術還不能對壓電陶瓷執行器進行有效地精密定位控制的問題，本發明提供一種壓電陶瓷執行器的複合線性化控制方法及其實現電路，採用該線性化控制方法及其實現電路能夠使壓電陶瓷執行器的輸出位移與控制電壓之間的遲滯非線性關係線性化，簡化壓電陶瓷執行器的控制算法，提高其定位精度。本申請具體採用以下技術方案
一種壓電陶瓷執行器遲滯特性的複合線性化控制方法，該控制方法包括前饋線性化控制和閉環線性化控制，通過前饋線性化控制將輸入壓電陶瓷執行器的控制電壓(是指將
權利要求
1. 一種壓電陶瓷執行器遲滯特性的複合線性化控制方法，其特徵在於所述複合線性化控制方法包括前饋線性化控制和閉環線性化控制，通過前饋線性化控制將輸入壓電陶瓷執行器的控制電壓z )轉換為驅動電壓(f )作用於壓電陶瓷執行器使其產生位移輸出，並使用位移傳感器測量出該位移形成反饋，構建閉環系統，利用閉環線性化控制對前饋線性化控制的誤差進行調節，採用複合線性化控制後壓電陶瓷執行器的輸出位移與控制電壓Ι/( )成線性關係，所述方法包括以下步驟(1)壓電陶瓷執行器的輸出位移與驅動電壓之間的遲滯為線性分量和遲滯分量的疊加，利用Bouc-Wen遲滯算子模擬所述遲滯分量，得到壓電陶瓷執行器的Bouc-Wen模型為
2.根據權利要求1所述的壓電陶瓷執行器遲滯特性複合線性化控制方法，其特徵在於複合線性化控制方法由閉環線性化控制方法結合前饋線性化控制方法構成，而且前饋線性化控制方法也可以單獨實現壓電陶瓷執行器遲滯特性的線性化控制。瓷執行器的輸出位移與控制電壓的關係表達式為其中，為壓電陶瓷執行器的輸出位移；其中
3.根據權利要求1所述的壓電陶瓷執行器遲滯特性前饋線性化的控制方法，其特徵在於待定參數4、β、/和0通過測得的壓電陶瓷執行器的輸入輸出數據在線辨識得到。
4.根據權利要求1所述的壓電陶瓷執行器遲滯特性前饋線性化的控制方法，其特徵在於壓電陶瓷執行器的遲滯分量與驅動電壓的關係還可以用其他遲滯算子描述，所述其他遲滯算子包括Dahl遲滯算子、Jiles-Atherton算子。
5.根據權利要求1所述的壓電陶瓷執行器遲滯特性的複合線性化控制方法，其特徵在於所述閉環控制採用的控制方法包括PID控制、自適應控制、神經網絡控制、模糊控制。
6.根據權利要求1所述的壓電陶瓷執行器遲滯特性的複合線性化控制方法，其特徵在於本控制方法同樣適用於電致伸縮陶瓷執行器的遲滯特性線性化。
7.—種權利要求1-6之一項所述的壓電陶瓷執行器遲滯特性的複合線性化控制方法的實現電路，所述電路包括控制信號發生器(1)、第一模數轉換器(2)、複合線性化控制器(3)、數模轉換器(4)、功率放大器(5)、位移傳感器(7)、信號調理電路(8)和第二模數轉換器(9)，其中，複合線性化控制器(3)包括前饋線性化控制器(3-1)和閉環線性化控制器(3-2)；其特徵在於所述控制信號發生器(1)、第一模數轉換器(2)、複合線性化控制器 (3)、數模轉換器(4)、功率放大器(5)、壓電陶瓷執行器(6)順次連接，所述壓電陶瓷執行器 (6)的輸出依次通過位移傳感器(7)、信號調理電路(8)和第二模數轉換器(9)連接至複合線性化控制器(3)的反饋輸入端，控制信號發生器(1)產生模擬控制電壓，通過第一模數轉換器(2)將模擬控制電壓轉換成數字控制信號送入複合線性化控制器(3)，複合線性化控制器(3)中的前饋線性化控制器(3-1)按照前饋線性化控制方法在數字控制信號上疊加非線性補償信號得到數字驅動信號並送入數模轉換器(4)，數模轉換器(4)將數字驅動信號轉換為模擬驅動電壓送入功率放大器(5)，功率放大器(5)將送入的模擬驅動電壓放大後用於驅動壓電陶瓷執行器(6)產生位移輸出，位移傳感器(7)測試該位移，通過信號調理電路(8)得到準確的輸出位移並輸入第二模數轉換器(9)，第二模數轉換器(9)將位移信號轉換成數字位移信號輸入複合線性化控制器(3)的反饋輸入端，複合線性化控制器(3)中的閉環線性化控制器(3-2 )按照閉環線性化控制方法對數字驅動信號進行修正並送入數模轉換器(4)，數模轉換器(4)將修正後的數字驅動信號轉換為修正後的模擬驅動電壓送入功率放大器(5)，功率放大器(5)將輸入的修正後的模擬驅動電壓放大後用於驅動壓電陶瓷執行器(6)產生位移輸出。
8.根據權利要求7所述的壓電陶瓷執行器遲滯特性複合線性化控制方法的實現電路， 其特徵在於複合線性化控制器(3)使用包括DSP晶片、單片機、CPLD/FPGA晶片、ARM晶片、 計算機等擁有數位訊號處理功能的晶片或系統實現。
9.根據權利要求8所述的壓電陶瓷執行器遲滯特性複合線性化控制方法的實現電路，其特徵在於當控制信號發生器(1)產生數字控制電壓時，也可以不需要經過第一模數轉換器(2)，直接將產生的所述數字控制電壓送入複合線性化控制器(3)，當信號調理電路 (8)輸出數字位移信號時，也可以不需要經過第二模數轉換器(9)，直接將所述輸出數字位移信號送入複合線性化控制器(3 )。
10.根據權利要求7所述的壓電陶瓷執行器遲滯特性複合線性化控制方法的實現電路，其特徵在於所述複合線性化控制器(3)包括前饋線性化控制器(3-1)和閉環線性化控制器(3-2)，前饋線性化控制器(3-1)包括遲滯分量觀測器(3-1-1)、第一乘法器(3-1-2)和第一加法器(3-1-3)，遲滯分量觀測器(3-1-1)、第一乘法器(3-1-2)和第一加法器(3-1-3)順次連接，遲滯分量觀測器(3-1-1)得到遲滯分量的數字估計值Jr),第一乘法器 (3-1-2)將遲滯分量的數字估計值與輸出位移與驅動電壓比率常量/ .的倒數相乘，第一加法器(3-1-3)將數字控制電壓W (,Γ)與第一乘法器(3-1-2)的輸出相減；閉環線性化控制器(3-2 )包括第二乘法器(3-2-1)、第二加法器(3-2-2 )和閉環控制器 (3-2-3)，第二乘法器(3-2-1)、第二加法器(3-2-2)和閉環控制器(3-2-3)順次相連，第二乘法器(3-2-1)將數字位移信號χ( kT)輸出位移與驅動電壓比率常量的倒數相乘，第二加法器(3-2-2 )將數字控制電壓W ( kT )與第二乘法器(3-2-1)的輸出相減，閉環控制器(3-2-3)利用預存的閉環控制方法對第二加法器(3-2-2)的輸出進行修正。
11.根據權利要求7所述的壓電陶瓷執行器遲滯特性複合線性化控制方法的實現電路，其特徵在於所述位移傳感器(7)可以採用任意一種能夠測量微小位移的傳感器，其能夠集成在壓電陶瓷執行器(6)上，或者採用非接觸測量，或者採用壓電陶瓷執行器(6)具有的自傳感功能。
全文摘要
本發明公開了一種壓電陶瓷執行器的複合線性化控制方法及其實現電路。該複合線性化控制方法包括前饋線性化控制和閉環線性化控制，前饋線性化控制方法通過建立的壓電陶瓷執行器的數學模型，構建遲滯分量觀測器觀測壓電陶瓷執行器件在控制電壓作用下的遲滯分量，計算出補償該遲滯分量所需要的補償電壓，將補償電壓與控制電壓疊加得到實際驅動電壓作用於壓電陶瓷執行器使其產生位移輸出；閉環線性化控制利用位移傳感器得到前饋線性化誤差，通過閉環控制把該誤差降低為零，該複合線性化控制器包括控制信號發生器、模數轉換器、複合線性化控制器、數模轉換器、功率放大器、位移傳感器和信號調理電路。採用本發明能夠將壓電陶瓷執行器輸出位移與控制電壓之間的遲滯非線性關係線性化，極大地簡化壓電陶瓷執行器的控制算法，提高其定位精度。
文檔編號H01L41/04GK102280572SQ201110095219
公開日2011年12月14日 申請日期2011年4月15日 優先權日2011年4月15日
發明者嚴松林, 朱煒, 王代華 申請人:重慶大學