[发明专利]压电陶瓷执行器精度控制装置的设计方法及精度控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及本发明属于运动控制和精密制造技术领域，具体涉及一种压电陶瓷执行器精度控制装置的设计方法及精度控制系统。

背景技术

随着MEMS(micro electro mechanical system)技术的不断发展，人们在微观领域的探索和研究不断加深。在许多应用领域，如精密加工，光纤通讯，材料科学等，对于驱动器精度要求都在逐步加深，传统意义上的电机驱动器由于惯性大，响应慢，精度低，已经不在满足上述领域的要求。作为智能材料的一种，压电陶瓷具有响应快，驱动力大，精度高，稳定性好等优点，其被广泛的应用于微纳米定位和驱动系统中。

但是由于压电陶瓷材料具有固有的迟滞非线性，直接影响到微纳米控制系统的控制性能，甚至会造成不稳定。如何设计控制器来有效抑制压电陶瓷执行器的迟滞非线性，实现高精密运动控制，是压电陶瓷微纳米控制系统首要面对的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的压电陶瓷执行器精度控制装置的设计方法及精度控制系统能够通过精度控制装置有效抑制压电陶瓷执行器的迟滞非线性，实现高精密运动控制。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种压电陶瓷执行器精度控制装置的设计方法，其包括：

采用Bouc-wen模型构建压电陶瓷执行器的迟滞非线性模型：

H(x,h)＝y(t)＝kx(t)-dh(t))

其中，h(t)为迟滞分量；y(t)为压电陶瓷执行器的输出位移；x(t)为压电陶瓷执行器的驱动电压；k为驱动电压与输出位移的比率；d为迟滞分量与输出位移的比率；

对迟滞非线性模型求其反函数，得到迟滞补偿器：

其中，y_r(t)为期望的输出位移；H(y_r,h)^-1为迟滞非线性模型的反函数；

采用Matlab系统辨识工具箱的ARX函数辨识出的参数α₁,α₂,…a_n和b₀,b₁,…b_m构建压电陶瓷执行器的线性动力学模型：

其中，z^-1为单位迟滞算子；n为压电陶瓷执行器的阶数，m为小于n的参数；

采用线性动力学模型的相位或阶数选取学习滤波器，并根据学习滤波器构建迭代学习控制器：

U_i+1(z)＝Q(z)(U_i(z)+βL(z)E_i(z))

其中，U_i(z)和E_i(z)分别为第i次迭代时压电陶瓷执行器的驱动电压和跟踪误差；U_i+1(z)为第i+1次迭代时压电陶瓷执行器的驱动电压；L(z)为学习滤波器；Q(z)为低通滤波器；β为增益系数；

连接迟滞补偿器和迭代学习控制器形成压电陶瓷执行器的精度控制装置。

第二方面，提供一种压电陶瓷执行器精密运动控制系统，其包括压电陶瓷执行器、信号发生器及精度控制装置；信号发生器依次与加法器、精度控制装置、数模转换器、功率放大器、压电陶瓷执行器、位移传感器和模数转换器连接；模数转换器的输出与加法器输入连接；精度控制装置的迟滞补偿器的输出与数模转换器输入连接，精度控制装置的迭代学习器的输入与加法器连接。

本发明的有益效果为：本方案通过对构建的压电陶瓷执行器的迟滞非线性模型求逆，得到的逆模型，即迟滞补偿器，其能够补偿掉压电陶瓷执行器固有的迟滞非线性特性；通过构建的线性动力学模型设计的迭代学习控制器可以进一步减小因为建模的不精确而引入的误差，经过数次迭代，能将误差减小到压电陶瓷执行器控制系统的硬件设备的精度，满足精确跟踪控制的需求。

采用迭代学习控制器和前馈迟滞补偿器相结合的方法，通过迭代学习控制器的几次迭代，理论上可以将误差减小到零，在实际操作中，能将误差减小到整个系统的设备的极限精度，即整套设备越精密，误差越小。

附图说明

图1为压电陶瓷执行器精度控制装置的设计方法一个实施例的流程图。

图2为压电陶瓷执行器精密运动控制系统的原理框图。

图3为含前馈迟滞补偿器的PID控制示意图。

图4为迟滞补偿器和迭代学习控制器串联的复合控制示意图。

图5为本发明方法同传统PID控制及含前馈迟滞补偿器的PID控制的跟踪控制对比效果图。