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      壓電陶瓷驅動器的高速納米精度運動控制方法及系統(tǒng)的制作方法

      文檔序號:6306591閱讀:699來源:國知局
      壓電陶瓷驅動器的高速納米精度運動控制方法及系統(tǒng)的制作方法
      【專利摘要】一種運動控制和精密制造【技術領域】的壓電陶瓷驅動器的高速納米精度運動控制方法及系統(tǒng),通過首先建立磁滯非線性精確模型H[·]及其逆特性表達式H-1[·],基于H-1[·]設計前饋控制器以消除壓電陶瓷驅動器的磁滯非線性;然后通過系統(tǒng)辨識方法辨識含磁滯補償的壓電陶瓷驅動器系統(tǒng)的線性動力學模型G(s),并根據G(s)的動力學特性設計用于增大系統(tǒng)增益余量的主動阻尼控制器;最后通過PID控制算法實現高速納米精度運動控制;本發(fā)明能夠消除壓電陶瓷驅動器的磁滯非線性和諧振振動對系統(tǒng)運動速度和精度的影響,本發(fā)明方便實用且能夠實現實時控制。
      【專利說明】壓電陶瓷驅動器的高速納米精度運動控制方法及系統(tǒng)

      【技術領域】
      [0001] 本發(fā)明涉及的是一種運動控制和精密制造【技術領域】的方法及系統(tǒng),具體是一種基 于磁滯非線性和線性動力學串聯(lián)的動態(tài)系統(tǒng)的壓電陶瓷驅動器的高速納米精度運動控制 方法及系統(tǒng)。

      【背景技術】
      [0002] 隨著納米技術的發(fā)展,精密制造裝備對納米運動精度的要求越來越高。傳統(tǒng)意義 上的電機驅動器已無法滿足這一精密運動的苛刻要求,需要采用能直接將電或磁能轉換成 機械能的智能材料驅動器。因具有位移分辨率高、驅動力大、剛度高、帶寬高、響應速度快等 優(yōu)點,壓電陶瓷驅動器的應用日益廣泛。但是在實際控制中,壓電陶瓷材料具有固有的磁滯 非線性和壓電陶瓷驅動器的低阻尼諧振振動,會造成系統(tǒng)的控制帶寬較低、精度較差,甚至 會引起整個閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。如何設計有效的控制方法補償壓電陶瓷驅動器的磁滯非線 性和諧振振動,實現壓電陶瓷驅動器的高速納米精度運動,是當前研究的一大挑戰(zhàn)。
      [0003] 經過對現有技術的檢索發(fā)現,中國專利文獻號CN103853046A公開(公告)日 2014.06. 11,公開了一種壓電陶瓷驅動器的自適應學習控制方法,包括如下步驟:1)建立 壓電陶瓷驅動器的動態(tài)遲滯模型,設計人工神經網絡與PID結合的控制方法;2)采用強化 學習算法在線實現PID參數的自適應整定;3)采用一個三層徑向基函數網絡同時對強化學 習算法中執(zhí)行器的策略函數和評價器的值函數進行逼近;4)徑向基函數網絡第一層輸入 系統(tǒng)誤差、誤差的一次差分和二次差分;5)強化學習中的執(zhí)行器實現系統(tǒng)狀態(tài)到PID三個 參數的映射;6)強化學習中評價器則對執(zhí)行器的輸出進行評判并且生成誤差信號,利用該 信號來更新系統(tǒng)的各個參數。該技術解決壓電陶瓷驅動器的遲滯非線性問題,提高壓電陶 瓷驅動平臺的重復定位精度,消除壓電陶瓷的遲滯非線性對系統(tǒng)的影響。但該技術的缺陷 和不足在于:1)需要采用動態(tài)磁滯模型,增加了系統(tǒng)的建模復雜性;2)必須結合神經網絡 才能進行控制;3)該方法僅關注于跟蹤精度,并未考慮如何通過控制提高跟蹤速度。
      [0004] 中國專利文獻號0附033364294公開(公告)日2013.10.02,公開了一種壓電陶瓷 執(zhí)行器的高精度控制方法,涉及高精度微機電系統(tǒng)與伺服【技術領域】,解決現有壓電陶瓷執(zhí) 行器控制方法的不足,包括壓電陶瓷線性化干擾觀測器、反饋控制器、以及線性前饋;所述 壓電陶瓷線性化干擾觀測器將壓電陶瓷非線性遲滯、外界干擾、慣性力其它未建模動態(tài)等 因素統(tǒng)一折合為等效干擾,實現該等效干擾的觀測與補償,從而保證壓電陶瓷執(zhí)行器響應 特性的線性化;反饋控制器包含積分環(huán)節(jié)與二重積分環(huán)節(jié),保證壓電陶瓷執(zhí)行器對指令的 跟蹤精度;所述線性前饋根據線性化的壓電陶瓷執(zhí)行器特性,將位置指令直接作用在壓電 陶瓷執(zhí)行器上,提高執(zhí)行器的動態(tài)性能。該技術不依靠非線性遲滯模型,且簡單、可靠,提高 了壓電陶瓷執(zhí)行器的伺服精度。但該技術的缺陷和不足在于:1)將壓電陶瓷執(zhí)行器簡單的 看做線性系統(tǒng),而實際中壓電陶瓷執(zhí)行器的磁滯非線性具有非光滑特性,理論上線性化干 擾觀測器無法解決這類非線性的控制問題;2)該方法僅關注于跟蹤精度,并未考慮如何通 過控制提1?跟蹤速度。


      【發(fā)明內容】

      [0005] 本發(fā)明針對現有技術存在的上述不足,提出一種壓電陶瓷驅動器的高速納米精度 運動控制方法及系統(tǒng),能夠消除壓電陶瓷驅動器的磁滯非線性和諧振振動對系統(tǒng)運動速度 和精度的影響,本發(fā)明方便實用且能夠實現實時控制。
      [0006] 本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:
      [0007] 本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷驅動器的高速納米精度運動控制方法,通過首先建立磁 滯非線性精確模型H[ ·]及其逆特性表達式!·],基于Π ·]設計前饋控制器以消除 壓電陶瓷驅動器的磁滯非線性;然后通過系統(tǒng)辨識方法辨識含磁滯補償的壓電陶瓷驅動器 系統(tǒng)的線性動力學模型G(s),并根據G(s)的動力學特性設計用于增大系統(tǒng)增益余量的主 動阻尼控制器;最后通過PID控制算法實現高速納米精度運動控制。
      [0008] 所述的壓電陶瓷驅動器為磁滯非線性和線性動力學串聯(lián)的動態(tài)系統(tǒng);
      [0009] 所述的磁滯非線性精確模型是一種基于Play算子的增強型 Prandtl - Ishilinskii 模型,具體是指:η·⑴="[H](〇=g(u)(t)+£ ,其中: Η[·]為磁滯非線性精確模型,u(t)為模型的輸入,w(t)為模型的輸出,g(u)(t)為輸入信 號u⑴函數,Fju]⑴為依賴于閾值r的Play算子,p (r)為模型的密度函數。
      [0010] 所述的前饋控制器基于磁滯非線性精確模型H[ ·]的逆特性數學表達式Γ1 [·], η 具體為:# 1卜.'Κ0=七+ hi.'KO(c-h),其中: /-1 確模型H[ ·]的逆模型,w(t)為逆模型的輸入,u(t)為逆模型的輸出,Fju] (t)為依賴于 閾值r的Play算子,p'(r)為逆模型的密度函數,a' i,a' 2為逆模型參數。
      [0011] 所述的系統(tǒng)辨識方法是指:帶有外生變量的自回歸模型(Autoregression with exogenous signal, ARX)的最小二乘辨識方法。
      [0012] 所述的線性動力學模型是指:采用掃頻或者帶限白噪聲信號產生激勵壓電陶瓷驅 動器的控制命令u (t),通過位移傳感器采集壓電陶瓷驅動器的輸出信號y (t),根據保存的 u(t)和y(t)的數值,通過Matlab的系統(tǒng)辨識工具箱辨識系統(tǒng)的線性動力學模型G(s)。
      [0013] 所述的主動阻尼控制器是指:在線性動力學模型基礎上采用開環(huán)或閉環(huán)的形式構 建的用于增加系統(tǒng)在諧振頻率點的阻尼比的主動阻尼控制器,具體為:開環(huán)的形式時采用 陷波濾波的控制器,閉環(huán)的形式時采用積分諧振控制的控制器。
      [0014] 本發(fā)明涉及一種實現上述方法的裝置,包括:依次串聯(lián)連接的加法器、位置跟蹤 器、主動阻尼控制器、磁滯補償器和壓電陶瓷驅動器,其中:加法器的輸入端分別與期望跟 蹤位移信號和壓電陶瓷驅動器的輸出端相連并輸出跟蹤誤差信息至位置跟蹤器,位置跟蹤 器采用PID控制算法實時計算向主動阻尼控制器輸出控制指令,主動阻尼控制器經陷波濾 波算法或積分諧振控制算法實時計算向磁滯補償器輸出補償控制信號,磁滯補償器經磁滯 補償算法實時計算向壓電陶瓷驅動器輸出激勵信號,壓電陶瓷驅動器根據激勵信號發(fā)生運 動。 技術效果
      [0015] 與現有技術相比,本發(fā)明的技術效果包括:可以有效消除磁滯非線性和諧振振動 對壓電陶瓷驅動器運動精度和速度的影響,實現壓電陶瓷驅動器的高速納米精度運動生 成。

      【專利附圖】

      【附圖說明】
      [0016] 圖1為壓電陶瓷驅動器的非線性動力學模型示意圖;
      [0017] 圖2為補償磁滯非線性的前饋控制示意圖;
      [0018] 圖3為含磁滯補償的壓電陶瓷驅動器的系統(tǒng)動力學模型示意圖。
      [0019] 圖4為開環(huán)形式的主動阻尼控制示意圖。
      [0020] 圖5為閉環(huán)形式的主動阻尼控器示意圖。
      [0021] 圖6為含開環(huán)形式的主動阻尼控制的位置環(huán)跟蹤控制器示意圖。
      [0022] 圖7為含閉環(huán)形式的主動阻尼控制的位置環(huán)跟蹤控制器示意圖。
      [0023] 圖8為閉環(huán)形式的主動阻尼控制的積分諧振控制器示意圖。

      【具體實施方式】
      [0024] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明,本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施,給出了詳細的實施方式和具體的操作過程,但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。 實施例1
      [0025] 本實施例包括以下步驟:
      [0026] 步驟1、將壓電陶瓷驅動器描述為如圖1所示磁滯非線性和線性動力學串聯(lián)的動 態(tài)系統(tǒng)模型。
      [0027] 步驟2、采用基于Play算子的增強型Prandtl - Ishilinskii模型H[ ·]描 述系統(tǒng)的磁滯非線性,在實際應用中需要對增強型Prandtl - Ishilinskii模型離 散化,離散化增強型Prandtl - Ishilinskii模型有以下方程表示數學表達式為:

      【權利要求】
      1. 一種壓電陶瓷驅動器的高速納米精度運動控制方法,其特征在于,通過首先建立磁 滯非線性精確模型H[ ·]及其逆特性表達式!η ·],基于π ·]設計前饋控制器以消除 壓電陶瓷驅動器的磁滯非線性;然后通過系統(tǒng)辨識方法辨識含磁滯補償的壓電陶瓷驅動器 系統(tǒng)的線性動力學模型G(s),并根據G(s)的動力學特性設計用于增大系統(tǒng)增益余量的主 動阻尼控制器;最后通過PID控制算法實現高速納米精度運動控制; 所述的壓電陶瓷驅動器為磁滯非線性和線性動力學串聯(lián)的動態(tài)系統(tǒng)。 所述的系統(tǒng)辨識方法是指:帶有外生變量的自回歸模型的最小二乘辨識方法。
      2. 根據權利要求1所述的方法,其特征是,所述的磁滯非線性精確模 型是一種基于Play算子的增強型Prandtl - Ishilinskii模型,具體是指: w(i) = if[w]⑴☆,其中:H[ ·]為磁滯非線性精確模型,u(t)為模型 的輸入,w(t)為模型的輸出,g(u)⑴為輸入信號u(t)函數,Fju](t)為依賴于閾值r的 Play算子,p(r)為模型的密度函數。
      3. 根據權利要求1所述的方法,其特征是,所述的前饋控制器基于磁滯非線性精確模 型H[ ·]的逆特性數學表達式Γ1 [ ·]滿足:
      其中:Hi ·]為磁滯非線性精確模型H[ ·]的逆模型,w(t)為逆模型的輸入,u(t)為 逆模型的輸出,Fju](t)為依賴于閾值r的Play算子,p'(r)為逆模型的密度函數,a'i,a'2 為逆模型參數。
      4. 根據權利要求1所述的方法,其特征是,所述的線性動力學模型是指:采用掃頻或者 帶限白噪聲信號產生激勵壓電陶瓷驅動器的控制命令u(t),通過位移傳感器采集壓電陶瓷 驅動器的輸出信號y (t),根據保存的u (t)和y (t)的數值,通過Matlab的系統(tǒng)辨識工具箱 辨識系統(tǒng)的線性動力學模型G (s)。
      5. -種實現上述任一權利要求所述方法的裝置,其特征在于,包括:依次串聯(lián)連接的 加法器、位置跟蹤器、主動阻尼控制器、磁滯補償器和壓電陶瓷驅動器,其中:加法器的輸入 端分別與期望跟蹤位移信號和壓電陶瓷驅動器的輸出端相連并輸出跟蹤誤差信息至位置 跟蹤器,位置跟蹤器采用PID控制算法實時計算向主動阻尼控制器輸出控制指令,主動阻 尼控制器經陷波濾波算法或積分諧振控制算法實時計算向磁滯補償器輸出補償控制信號, 磁滯補償器經磁滯補償算法實時計算向壓電陶瓷驅動器輸出激勵信號,壓電陶瓷驅動器根 據激勵信號發(fā)生運動。
      6. 根據權利要求5所述的裝置,其特征是,所述的主動阻尼控制器是指:在線性動力學 模型基礎上采用開環(huán)或閉環(huán)的形式構建的用于增加系統(tǒng)在諧振頻率點的阻尼比的主動阻 尼控制器,具體為:開環(huán)的形式時采用陷波濾波的開環(huán)主動阻尼控制器,閉環(huán)的形式時采用 積分諧振控制的閉環(huán)主動阻尼控制器。
      7. 根據權利要求6所述的裝置,其特征是,當采用閉環(huán)主動阻尼控制器,即積分諧振控 制的控制器時,所述閉環(huán)主動阻尼控制器和所述位置跟蹤器之間設有第二加法器,該加法 器的輸入端分別與位置跟蹤器和壓電陶瓷驅動器的輸出端相連并輸出控制信息至磁滯補 償器。
      8. 根據權利要求6或7所述的裝置,其特征是,所述的開環(huán)主動阻尼控制器采 用陷波濾波算法,根據位置跟蹤器的輸出控制信號計算得到補償控制信號N(s),即
      ,其中:%,《。為辨識的系統(tǒng)動力學模型G(s)的諧振模態(tài)的阻尼比 和諧振頻率,ζ ωι是諧振濾波器的控制參數; 所述的閉環(huán)主動阻尼控制器采用積分諧振控制算法,根據位置跟蹤器的輸出控制 信號計算得到補償控制信號,其系統(tǒng)方程為
      ,包括:前通向Df和積分控制器
      Df,k為積分諧振器的控制參數。
      9. 根據權利要求5所述的裝置,其特征是,所述的磁滯補償器采用磁滯補償算法,根 據補償控制信號計算得到壓電陶瓷驅動器的激勵信號,該磁滯補償算法基于前饋控制器得 至IJ,即磁滯非線性精確模型H[ ·]的逆模型!Γ1 [ ·]。
      10. 根據權利要求5所述的裝置,其特征是,所述的位置跟蹤器采用離散化的PID控制 算法,根據跟蹤誤差e、期望跟蹤位移以及實際輸出位移計算得到輸出控制信號:v(kT s)= kpe (kTs) Σ e (kTs) +kd {e (kTs) -e [ (k-1) TJ},其中:kp,I kd 為 PID 控制器的控制參數,整 數k = 1,2, "·,Ν為離散采樣的次數,Ts為采樣周期,e(kTs) = yd(kTs)_y(kTs),為第k次采 樣時的跟蹤誤差,y d(kTs)為第k次采樣時的期望跟蹤位移,y (kTs)為第k次采樣時壓電陶 瓷驅動器的實際輸出位移,v(kTs)為第k次采樣時的輸出控制信號。
      【文檔編號】G05B13/04GK104122798SQ201410354111
      【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權日:2014年7月24日
      【發(fā)明者】谷國迎, 朱利民 申請人:上海交通大學
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