[发明专利]一种压电陶瓷作动器的位移控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机电控制技术领域，具体涉及一种压电陶瓷作动器的位移控制方法。

背景技术

传统上用于微小位移定位的驱动方式通常是采用摩擦传动、丝杠传动等，但是其非线性特性强，并且结构较为复杂，难以达到体积小、高精度的控制要求。逆压电效应是一种在压电晶体极化方向上施加电场作用使其产生可控机械形变的现象。利用逆压电效应制成的压电陶瓷作动器(PiezoelectricActuator，PEA)克服了传统执行器的不足，控制精度高(稳态可达10纳米)、响应速度快(约为10微秒)、位移分辨率高、输出力大等优点。以压电陶瓷作动器为位移运动控制驱动元件的压电定位平台，已经成为精密定位系统中重要定位及驱动元件。

虽然压电材料有着诸多优点，但其固有的迟滞、蠕变等非线性特性限制了其实际应用。迟滞特性表现出多值映射性，在没有参考历史输出状态的情况下，对相同的输入信号，系统的输出会存在多值。这表明压电材料迟滞非线性的输出值既取决于当前的输入，又与历史输入情况和极值有关。这样的非线性会造成压电陶瓷的定位精度很差，影响系统的稳定性。对其建模尤其是建立动态模型十分困难，很难得到精确的数学模型。常用的非线性控制方法不能够有效地解决迟滞问题。

目前，研究人员已经对迟滞非线性的建模提出了很多种方法，但是考虑到压电作动器的迟滞非线性具有复杂、多样的特点，目前尚未有一个统一的迟滞模型。不过基本上可以概括为两类。一类是通过迟滞物理学原理建立起的迟滞模型，这种模型是借助物理量间的相关关系推导出的迟滞模型。目前，已经有研究人员对于铁磁类材料建立了迟滞模型，该种迟滞模型描述了磁感应强度和磁场强度间的关系。也有研究人员根据压电材料的物理原理，进行合理分析推导出了输出位移与输入电压间的迟滞模型。另一类是通过数学模型对迟滞现象建立起的迟滞模型。这类建模方法不去考虑迟滞现象背后的物理学原理，而是只对迟滞现象本身进行分析，并对其建立模型。基于迟滞现象的模型相较基于物理学的模型形式更加简单，因此得到了更广泛的应用。

无论用何种模型去拟合迟滞回路曲线，压电作动器的迟滞特性一般可分为两类：静态迟滞特性和动态迟滞特性。当输入信号变化较慢时，压电平台表现出静态迟滞特性，所建模型只含有迟滞特性的信息，数学表达式中除了输入输出变量外，只含有迟滞相关的信息。当输入信号变化较快时，压电平台表现出动态迟滞特性，所建模型不仅仅表现出迟滞特性，还有系统的动态特性，数学表达式中包含位移变量的导数项。

目前，在一些文献中，研究人员通常是同时对压电陶瓷位移平台的静态迟滞特性与动态迟滞特性进行建模，这样建模的优点在于模型可以更全面地反映出压电陶瓷定位平台在不同频率的输入信号激励下的相应特性，但是缺点在于控制模型中包含更多的需要辨识的参数，更复杂的辨识过程。

为了解决非线性迟滞特性对于高精度压电伺服平台带来影响，科研人员设计的控制系统可主要分成三类：基于前馈的补偿控制、基于反馈的补偿控制和同时基于前馈和反馈的控制系统。其中，对于基于前馈和反馈的控制系统来说，前馈控制可以利用实验手段获取被控对象的数据来设计补偿迟滞非线性的补偿器，抵消伺服平台的迟滞非线性，可降低后续设计反馈控制器的难度；反馈控制器可在前馈控制器的基础上，解决补偿器未补偿干净的迟滞特性及其他一些未建模的不确定性。因此，基于前馈和反馈的控制系统由于前馈控制和反馈控制的有机结合、互补优点而受到了广泛的应用。然而，由于这种控制系统同时采用了前馈控制器和反馈控制器，通常也会存在控制系统复杂，不易理解、运用等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种压电陶瓷作动器的位移控制方法，能够提高高精度伺服定位平台的控制精度。

本发明的压电陶瓷作动器的位移控制方法，包括如下步骤：

步骤1，采用基于改进的PI模型的迟滞补偿器对压电陶瓷作动器的迟滞特性进行补偿，所述改进的PI模型中的PI算子为：