壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性的建模以及一種基于誤差變換的控制方法， 屬于非線性遲滯系統(tǒng)建模與控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微納米技術(shù)的發(fā)展，智能材料被廣泛應用于精密加工與定位系統(tǒng)中。由于壓 電陶瓷執(zhí)行器具有體積小、能量密度高、定位精度高、分辨率高、頻率響應快等優(yōu)點，因此得 到了廣泛的應用。然而壓電陶瓷執(zhí)行器系統(tǒng)具有非平滑、多映射、記憶性、速率相關(guān)性等特 性，無法采用常規(guī)的方法對其進行精確的控制，因此設(shè)計合適的控制方法變得極為需要。
[0003] 為消除遲滯特性的不良影響，常規(guī)的控制方案是建立遲滯逆模型進行補償，主要 的模型有Presiach模型、PI模型、KP模型、Bouc-Wen模型、Duhem模型等。然而現(xiàn)有的模 型結(jié)構(gòu)復雜，不易在線調(diào)整，不利于應用于實際。逆模型控制參數(shù)依賴性強，通常需要離線 辨識，大大影響系統(tǒng)的控制效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有傳統(tǒng)控制方案難以控制遲滯系統(tǒng)的問題，提出了一種 基于誤差變換的控制方法，以消除遲滯影響，提高控制精度。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型，包括誤差變 換模塊、自適應控制模塊、壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型和動態(tài)系統(tǒng)模塊；所述誤差變換模塊輸 出Z1U)到自適應控制模塊；所述自適應控制模塊輸出v(t)到壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型； 所述壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型輸出u(t)到動態(tài)系統(tǒng)模塊；所述動態(tài)系統(tǒng)模塊輸出y(t);所 述實際輸出輸出的y(t)和期望輸出的yd(t)通過減法器獲得差值e(t);所述差值e(t)經(jīng) 誤差變換模塊后獲得Z1 (t)。
[0006] 作為對本發(fā)明所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型的改進：所述壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯 模型包括動態(tài)遲滯算子模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模塊以及遲滯模塊；所述自適應控制模塊輸出 的V(t)分別輸入到動態(tài)遲滯算子模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模塊和遲滯模塊；動態(tài)遲滯算子模 塊輸出f(V)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模塊；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模塊輸出遲滯模塊輸出u(t);所述 u(t)和MO通過減法器得到差值e;通過該差值輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模塊進行調(diào)節(jié)。
[0007] 作為對本發(fā)明所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型的進一步改進：所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模 模塊包括激勵函數(shù)模塊和權(quán)值模塊；動態(tài)遲滯算子模塊輸出的f(v)和自適應控制模塊輸 出的v(t)依次通過激勵函數(shù)模塊和權(quán)值模塊后得到⑴；所述u(t)和^⑴通過減法器得 到差值分別對激勵函數(shù)模塊和權(quán)值模塊進行調(diào)節(jié)。
[0008] 一種壓電陶瓷執(zhí)行器的控制方法，包括如下的步驟：步驟1 :搭建壓電陶瓷執(zhí)行器 的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型；步驟2 :建立由誤差變換模塊、自適應控制模塊、壓電陶瓷執(zhí) 行器遲滯模型和動態(tài)系統(tǒng)模塊串聯(lián)而成的壓電陶瓷執(zhí)行器系統(tǒng)模型；步驟3 :將期望輸出 yd(t)與實際系統(tǒng)輸出y(t)的差值e(t)經(jīng)誤差變換模塊變換，使其預先設(shè)定在期望的誤差 范圍內(nèi)；步驟4:運用反步法，將壓電陶瓷執(zhí)行器系統(tǒng)分解為兩個子系統(tǒng)，為每一個子系統(tǒng) 設(shè)計Lyapunov函數(shù)和中間虛擬變化量，得出整個系統(tǒng)的自適應控制律。
[0009] 作為對本發(fā)明所述的壓電陶瓷執(zhí)行器控制方法的改進：所述步驟1中壓電陶瓷執(zhí) 行器遲滯模型的運行步驟如下：自適應控制模塊輸出信號v(t)到動態(tài)遲滯算子模塊、神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)建模模塊以及遲滯模塊；動態(tài)遲滯算子模塊通過如下計算后獲得輸出信號f(v):
【主權(quán)項】
1. 一種壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型，包括誤差變換模塊（I)、自適應控制模塊（2)、壓電 陶瓷執(zhí)行器遲滯模型（3)和動態(tài)系統(tǒng)模塊（4);其特征是： 所述誤差變換模塊（1)輸出Z1 (t)到自適應控制模塊（2); 所述自適應控制模塊（2)輸出v(t)到壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型（3); 所述壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型（3)輸出u(t)到動態(tài)系統(tǒng)模塊（4); 所述動態(tài)系統(tǒng)模塊（4)輸出y(t); 所述動態(tài)系統(tǒng)模塊（4)實際輸出的y(t)和期望輸出的yd(t)通過減法器（5)獲得差 值e⑴； 所述差值e (t)經(jīng)誤差變換模塊（1)后獲得z (t)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型，其特征是：所述壓電陶瓷執(zhí)行器 遲滯模型（3)包括動態(tài)遲滯算子模塊（31)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模塊（32)以及遲滯模塊（33); 所述自適應控制模塊（2)輸出的v(t)分別輸入到動態(tài)遲滯算子模塊（31)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建 模模塊（32)和遲滯模塊（33); 動態(tài)遲滯算子模塊（31)輸出f(v)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模塊（32); 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模塊（32)輸出 遲滯模塊（33)輸出u(t); 所述u (t)和MO通過減法器（34)得到差值ε ; 通過該差值ε輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模塊（32)進行調(diào)節(jié)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型，其特征是：所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模 塊（32)包括激勵函數(shù)模塊（321)和權(quán)值模塊（322); 動態(tài)遲滯算子模塊（31)輸出的f(v)和自適應控制模塊（2)輸出的v(t)依次通過激 勵函數(shù)模塊（321)和權(quán)值模塊（322)后得到HO. ? 所述u (t)和通過減法器（34)得到差值分別對激勵函數(shù)模塊（321)和權(quán)值模塊 (322)進行調(diào)節(jié)。
4. 壓電陶瓷執(zhí)行器控制方法，其特征是：包括如下的步驟： 步驟1 :搭建壓電陶瓷執(zhí)行器的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型（3); 步驟2:建立由誤差變換模塊（1)、自適應控制模塊（2)、壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型（3) 和動態(tài)系統(tǒng)模塊（4)串聯(lián)而成的壓電陶瓷執(zhí)行器系統(tǒng)模型； 步驟3:將期望輸出yd(t)與實際系統(tǒng)輸出y(t)的誤差e(t)經(jīng)誤差變換模塊（1)變 換，使其預先設(shè)定在期望的誤差范圍內(nèi)； 步驟4:運用反步法，將壓電陶瓷執(zhí)行器系統(tǒng)分解為兩個子系統(tǒng)，為每一個子系統(tǒng)設(shè)計 LyapunoV函數(shù)和中間虛擬變化量，得出整個系統(tǒng)的自適應控制律。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電陶瓷執(zhí)行器控制方法，其特征是：所述步驟1中壓電陶 瓷執(zhí)行器遲滯模型（3)的運行步驟如下： 自適應控制模塊（2)輸出信號v(t)到動態(tài)遲滯算子模塊（31)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模塊 (32)以及遲滯模塊（33); 動態(tài)遲滯算子模塊（31)通過如下計算后獲得輸出信號f(v):
通過動態(tài)遲滯算子模塊（31)的公式，將遲滯模塊（33)的多映射特性轉(zhuǎn)化為一一映 射； 搭建壓電陶瓷執(zhí)行器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遲滯建模系統(tǒng)，給定改進的激勵函數(shù)模塊（321) Φ (v，f (V))和權(quán)值模塊（322) Wt= [w ^ W2，…Wi]; 通過如下計算后獲得遲滯模塊（33)輸出u(t): u = Ψ (V) = Γ (V，f(v)) = NN(v，f(v))+ ε = WtO (V，f(v))+ ε。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電陶瓷執(zhí)行器控制方法，其特征是：所述步驟2中動態(tài)系 統(tǒng)模塊（4)的運行步驟如下： 將動杰系統(tǒng)模塊（4)等價為由二階微分方稈描述的系統(tǒng)：
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電陶瓷執(zhí)行器控制方法，其特征是：所述步驟3中誤差變 換模塊（1)的運行步驟如下： 首先選取預設(shè)性能函數(shù)P (t); 其次將誤差轉(zhuǎn)換的定義為： e(t) = P (t) S (Z1)； 獲取轉(zhuǎn)換后的誤差21為：
最后對21進行求導，得到轉(zhuǎn)換后的系統(tǒng)為：
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電陶瓷執(zhí)行器控制方法，其特征是：所述預設(shè)性能函數(shù) P⑴為正定，嚴格遞減且?P⑴=P, >〇的函數(shù)，滿足以下條件： -δ p (t)<e(t)<p (t),e(0)>0 或 -p (t)<e(t)<5 p (t),e(0)<0 其中t彡0,0彡δ彡1。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型，包括誤差變換模塊(1)、自適應控制模塊(2)、壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型(3)和動態(tài)系統(tǒng)模塊(4)；所述誤差變換模塊(1)輸出z1(t)到自適應控制模塊(2)；所述自適應控制模塊(2)輸出v(t)到壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型(3)；所述壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯模型(3)輸出u(t)到動態(tài)系統(tǒng)模塊(4)；所述動態(tài)系統(tǒng)模塊(4)輸出y(t)；所述動態(tài)系統(tǒng)模塊(4)實際輸出的y(t)和期望輸出的yd(t)通過減法器(5)獲得差值e(t)；所述差值e(t)經(jīng)誤差變換模塊(1)后獲得z(t)。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104678765
【申請?zhí)枴緾N201510044045
【發(fā)明人】趙新龍, 汪佳麗
【申請人】浙江理工大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年1月28日