[发明专利]基于广义Bouc-Wen逆模型的压电前馈补偿方法有效

专利信息
申请号: 202110514171.6 申请日: 2021-05-12
公开(公告)号: CN113114128B 公开(公告)日: 2022-07-29
发明(设计)人: 张泉;高源蓬;李清灵;尹达一 申请(专利权)人: 中国科学院上海技术物理研究所
主分类号: H03F1/42 分类号: H03F1/42
代理公司: 上海沪慧律师事务所 31311 代理人: 郭英
地址: 200083 *** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 基于 广义 bouc wen 模型 压电 补偿 方法
【说明书】:

发明公开了一种基于广义Bouc‑Wen逆模型的压电前馈补偿方法。针对压电执行器迟滞的率相关性,采用Hammerstein模型来描述压电率相关逆迟滞特性,以广义Bouc‑Wen非对称逆模型表征逆迟滞非线性,以ARX模型表征逆迟滞率相关特性;采用自适应天牛群智能优化算法对模型参数进行辨识;将建立Hammerstein率相关逆迟滞模型与压电执行器级联构成整体线性化系统来对迟滞非线性进行补偿。本发明通过直接建立广义Bouc‑Wen非对称逆迟滞模型和采用自适应天牛群智能优化算法,降低了建模难度和提高了模型准确度,从而使压电执行器能够进行高精度的定位。

技术领域:

本发明涉及基于广义Bouc-Wen逆模型的压电前馈补偿方法。

背景技术:

在卫星激光通信和空间天文观测等领域中,为了达到秒级甚至是毫秒级的精度,大型光电跟踪系统广泛采用复合轴控制技术,其是实现大范围、高精度跟踪指标的最有效的控制结构。复合轴控制(Compound axis control)是二维关联控制系统的一种实现形式,以快摆镜(Fast Steering Mirror,FSM)为执行机构的控制系统是复合轴系统的精级跟踪系统,系统能够达到的精度主要由快摆镜执行机构决定的。快摆镜机构通常采用音圈电机(Voice Coil Motor,VCM)和压电执行器(piezoelectric actuator,PZT)作为驱动器。相比于前者,后者具有谐振频率高、位移分辨率大的优点,然而其固有的迟滞非线性会对定位精度产生不利影响。学界普遍采用建立前馈补偿器的方法进行压电迟滞补偿,前馈补偿器与被控对象级联构成整体线性化系统。压电执行器的前馈补偿主要有电荷控制补偿和电压控制补偿两种方式。电荷控制补偿方式是通过专门的电荷放大器来对压电执行器迟滞非线性进行抑制。电压控制补偿方式是引入建立好的压电逆迟滞数学模型来补偿迟滞非线性,相比于电荷控制,电压控制不需要额外的电路,且从控制理论的角度来看,电压控制很有意义。

电压控制补偿方式的重点就是压电迟滞模型的建立。从数学特点上来说,压电迟滞曲线具有四点性质:1)多值映射性:相同的输入电压在电压值升高和电压值下降阶段分别对应不同的位移输出;2)非局部记忆性:压电执行器的输出位移既和输入电压的瞬时值相关,又和输出位移的历史极值有关;3)率相关特性:随着输入电压频率的不断增大,压电迟滞曲线呈现频率相关性;4)非对称性:在输入电压升高和输入电压下降两个阶段的电压-位移曲线是不对称的。因此,对于压电陶瓷迟滞曲线的建模要从这四点性质出发才能保证拟合精度。目前,压电迟滞模型的建立和改进基本都是围绕这四点性质进行的。压电迟滞模型主要有微分方程模型和数学算子模型两类。数学算子迟滞模型无法表示压电执行器的动态特征,而微分方程迟滞模型既能表征迟滞的数学特性,还能描述压电执行器的动态特性。有代表性的微分方程迟滞模型是Bouc-Wen模型,其最早是由Bouc于1967年提出的,并在1976年由Wen完善,其将压电执行器等效成一个单自由度的质量-弹簧-阻尼系统。Bouc-Wen模型只利用了一个辅助的微分方程来描述各种迟滞形状,因而受到各类学者的青睐。

传统Bouc-Wen模型只能描述关于原点对称的迟滞曲线,且针对的都是单一频率迟滞曲线,无法满足压电执行器变频控制的要求。虽然可以通过改变模型中的迟滞函数来实现非对称性表征,但是微分方程中过多的未知参数会导致数值解的发散,不利于控制,且非对称模型求逆过程复杂。而且,传统Bouc-Wen模型描述的是固定频率下的压电迟滞曲线,无法表征压电迟滞曲线的率相关性。因此,需要针对上述问题对传统Bouc-Wen模型进行改进,并与压电执行器级联构成整体线性化系统来对迟滞非线性进行补偿。

发明内容:

针对上述应用背景,本发明提出了基于广义Bouc-Wen逆模型的压电动态迟滞前馈补偿方法,包括以下步骤:

1)、根据逆函数定理,建立直接Bouc-Wen逆迟滞模型,并在模型中引入了多项式来表征压电迟滞曲线非对称性;

2)、采用Hammerstein模型来描述压电率相关逆迟滞特性,以广义Bouc-Wen非对称逆模型表征逆迟滞非线性,以ARX模型表征逆迟滞率相关特性;

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