[发明专利]一种基于改进Prandtl-Ishlinskii模型的压电驱动器复合控制方法

说明书

本发明属于压电驱动器控制的技术领域，具体公开了一种基于改进Prandtl‑Ishlinskii模型的压电驱动器复合控制方法，包括步骤1：采用基于Prandtl‑Ishlinskii改进的MRAPI迟滞逆模型描述压电驱动器的迟滞非线性特性；步骤2：直接逆模型建模方式获得MRAPI迟滞逆模型；步骤3：辨识出MRAPI迟滞逆模型的参数；步骤4：辨识后的MRAPI迟滞逆模型与PID反馈控制器结合控制压电驱动器。本发明取得的有益效果：保留了Prandtl‑Ishlinskii模型的核心结构，待辨识参数少，辨识过程简单，精确地描述压电驱动器的动态迟滞过程，简化逆模型的求解过程，补偿了系统的迟滞非线性，减小建模误差和外部干扰，提高系统的鲁棒稳定性，实现压电驱动器的高精度轨迹跟踪控制。

技术领域

本发明涉及压电驱动器控制的技术领域，具体涉及一种基于改进Prandtl-Ishlinskii模型的压电驱动器复合控制方法。

背景技术

随着微纳技术的不断发展和进步，高精度系统的应用需求也在不断增加，同时对运动精度和分辨率等提出了更高的要求。相比于传统的刚性机构而言，柔性机构因具有成本低、体积小、无摩擦、无间隙、分辨率高、易于生产等优点，在微纳技术等高精度运动系统中得到了广泛的应用。由于传统的交/直流电机很难满足高精度驱动力的要求，而压电驱动器，即PEA具有体积小、精度高、驱动力大、响应速度快、噪声小等优点，特别适合小运动范围的高精度运动，已被广泛应用于纳米操作、超精密加工、扫描探针显微镜、有源光学元件、生物医学工程等精密位移定位系统中。PEA作为驱动装置，柔性机构作为传动装置构成的高精度定位系统是常用的高精度定位方案。

由于柔性机构存在复杂非线性和稳定性难以分析等特点，使得对于柔性机构的分析和控制都存在一定的难度。因此，对基于PEA驱动的柔性机构常常采用半闭环的控制方案，将PEA作为被控对象，通过控制PEA运动，实现对柔性传动机构的轨迹跟踪控制。PEA具有与输入信号频率相关的非对称迟滞特性，即输入电压与输出位移之间呈现出与输入信号频率相关的多值映射现象。这种依赖频率的滞后现象会严重影响系统的控制精度，同时降低系统的鲁棒稳定性。因此，对PEA的迟滞非线性进行分析、建模和补偿，以实现PEA的快速、高精度轨迹跟踪控制，对于高精度定位系统的稳定、高效运行至关重要。

在基于模型的控制方法中，模型的建模精度在很大程度上影响着系统的控制精度，因此对迟滞非线性进行精准建模至关重要。目前已提出的建模方法都可以在一定程度上描述迟滞非线性特性，但与实际特性之间仍然存在着较大的偏差。针对该问题，学者们致力于根据模型的特点以及迟滞非线性的特性，有针对性的对传统模型进行改进，以此来提升迟滞特性的建模精度，进而提升系统的跟踪精度。传统模型大多只能实现迟滞特性的静态建模，而迟滞特性却是与输入信号速率相关的动态非线性过程。现有技术中对于传统模型的主要改进方法是考虑输入信号频率的影响，构建频率相关的改进模型，实现迟滞特性的动态建模，然而，仅仅考虑输入信号频率而未考虑幅值影响的改进方法是不全面的，输入信号频率的改变会导致迟滞特性的改变，进而导致跟踪误差的改变，而输入信号幅值的改变会直接影响到系统的跟踪误差，由此可看出，考虑输入信号幅值的影响是实现高精度轨迹跟踪控制的关键步骤，另外，基于模型的建模方法大多采用开环的控制方式，控制精度会受到建模精度的严重限制，同时不能抑制外部干扰的影响，系统的稳定性较差。

发明内容