基于PI模型的压电陶瓷模糊PID控制方法技术

本发明专利技术是基于PI模型的压电陶瓷模糊PID控制方法，为解决压电陶瓷本身的迟滞特性采用PI（Prancltl—Ishlinski）模型来进行迟滞建模分析，完成压电陶瓷迟滞模型的建立后，选择模糊PID作为压电陶瓷的控制方法，接下来完成系统控制器的结构设计，然后选择模糊PID的隶属函数、建立模糊整定规则，最后应用Simulink模块对建立的模型进行仿真分析。本发明专利技术模糊PID控制方法能够对压电陶瓷进行更为精确的控制，适用于工程的实践。

Fuzzy PID control method of piezoelectric ceramic based on PI model

The invention is a model of PI piezoelectric ceramics based on fuzzy PID control, in order to solve the hysteresis of piezoelectric ceramic itself, using PI (Prancltl - Ishlinski) model for Hysteresis Modeling analysis, complete the establishment of piezoelectric hysteresis model, fuzzy PID control method for piezoelectric ceramic, then completes the system structure design the controller, and then select the membership function, establish the fuzzy tuning rules of fuzzy PID, finally the application of Simulink module to establish a model for simulation analysis. The fuzzy PID control method of the invention can control the piezoelectric ceramics more accurately, and is suitable for engineering practice.

【技术实现步骤摘要】
基于PI模型的压电陶瓷模糊PID控制方法
本专利技术属于压电陶瓷基于PI模型的模糊PID控制方法创新技术。
技术介绍
目前在微动平台领域中，压电陶瓷驱动器是使用率最高的驱动器。以逆压电效应作为驱动原理，不难发现压电陶瓷具有响应速度快、分辨率高、不存在间隙、承载能力较强、推动力大等高性能特点。基于以上性能使得压电陶瓷广泛的应用于微动平台上。例如，SEM(扫描探针显微镜)、微机电系统、生物微操作以及微纳操作等应用领域。由于压电陶瓷具有迟滞、蠕变、温度等非线性特性，因此需要建立迟滞模型来消除其本身特性的影响。俄国数学家Krasnosel’skii以Preisach迟滞算子为基础进行改进，进而推导出PI模型，压电陶瓷的迟滞现象就是以PI模型为基础将迟滞算子加权叠加的形式来进行描述的。在压电陶瓷的控制方法上，传统PID控制方法中很难保证在输入不同的情况下保证系统的动态响应性能，因此衍生出模糊PID控制方法，该方法可模拟人类的思维，且不依赖对象模型，以被控过程中的动态信息为基础，根据模糊整定规则进一步推理出理想的控制量。
技术实现思路
本专利技术以PI模型作为压电陶瓷的迟滞模型，应用模糊PID控制方法能够对压电陶瓷进行更为精确的控制，适用于工程的实践。本专利技术是基于PI模型的压电陶瓷模糊PID控制方法，选用PI（Prancltl—Ishlinski）模型作为压电陶瓷的迟滞模型，完成压电陶瓷迟滞模型的建立后，选择模糊PID作为压电陶瓷的控制方法，接下来完成控制器的结构设计，然后选择模糊PID的隶属函数、建立模糊整定规则，最后应用Simulink模块对建立的模型进行仿真分析。为解决压电陶瓷本身的迟滞特性，本专利技术选用PI模型作为压电陶瓷的迟滞模型。PI（Prancltl—Ishlinski）模型是Preaisach模型的分支，原有的Preaisach模型中的阶跃函数迟滞元替换为斜坡函数迟滞元，以逐点的方式来逼近迟滞特性。PI模型是基于Play算子或Stop算子的迟滞模型(本文以Play算子为例)，通过一系列算子加权叠加而得到迟滞模型。为完成系统控制器的结构设计，控制系统融合了传统PID控制和智能控制系统的优点，可以根据系统运动过程中位置反馈信息对操作系统进行PID参数在线修正。模糊PID控制器由PID参数模糊推理和PID调节器两部分构成。模糊PID的误差e和误差变化ec作为模糊推理的输入量，这种输入通过模糊推理后可以满足不同时刻e和ec对控制系统PID自整定参数的要求。本专利技术中应用模糊PID作为压电陶瓷的控制方法，需要选择其隶属度函数。设计本纳米操作系统的误差e、误差变化率ec以及输出变量的隶属函数都为三角形隶属度函数。N取3，定义误差e和误差变化率sc的模糊子集为{正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(ZE)，负小(NS)，负中(NM)，负大(NB)}。为提高系统的渐近稳定性，在进行误差的隶属度函数设计时，选择不均匀的区域划分的方法，在误差小的区间选择分辨率高的模糊子集，在误差大的区间选择分辨率低的模糊子集；误差变化的隶属度函数采用均匀区域划分的方法。同理，对模糊控制器的输出进行量化后，得到模糊PID控制器的控制量、、的模糊子集为{正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(ZE)，负小(NS)，负中(NM)，负大(NB)}。确定模糊整定规则。总结技术人员在工程设计以及实际操作过程中得到的经验值，并根据三个参数本身的作用以及各参数之间互相作用关系，建立模糊推理的规则表，根据总结的模糊控制规则，模糊控制器可以根据系统的e和ec进行在线调整从而减小操作误差。该专利技术的有益效果：本专利技术采用PI模型作为压电陶瓷的迟滞模型，有效的消除了压电陶瓷本身存在的迟滞特性对系统的影响。模糊PID是由PID参数模糊推理和PID调节器两部分构成，应用模糊PID作为压电陶瓷的控制方法，并进一步确定隶属函数以及模糊整定规则，能够对压电陶瓷进行更为精确的控制，适用于工程的实践。附图说明图1为PI模型Backlash迟滞元特性图。图2为PI模型组成结构图。图3为压电陶瓷控制系统结构图。图4为比例参数的模糊规则表。图5为比例参数的模糊规则表。图6为比例参数的模糊规则表。具体实施方式本专利技术以PI模型作为压电陶瓷的迟滞模型，应用模糊PID控制方法能够对压电陶瓷进行更为精确的控制，适用于工程的实践。本专利技术是基于PI模型的压电陶瓷模糊PID控制方法，选用PI（Prancltl—Ishlinski）模型作为压电陶瓷的迟滞模型，完成压电陶瓷迟滞模型的建立后，选择模糊PID作为压电陶瓷的控制方法，接下来完成控制器的结构设计，然后选择模糊PID的隶属函数、建立模糊整定规则，最后应用Simulink模块对建立的模型进行仿真分析。为解决压电陶瓷本身的迟滞特性，本专利技术选用PI模型作为压电陶瓷的迟滞模型。PI（Prancltl—Ishlinski）模型是Preaisach模型的分支，原有的Preaisach模型中的阶跃函数迟滞元替换为斜坡函数迟滞元，以逐点的方式来逼近迟滞特性。PI模型是基于Play算子或Stop算子的迟滞模型(本文以Play算子为例)，通过一系列算子加权叠加而得到迟滞模型。为完成系统控制器的结构设计，控制系统融合了传统PID控制和智能控制系统的优点，可以根据系统运动过程中位置反馈信息对操作系统进行PID参数在线修正。模糊PID控制器由PID参数模糊推理和PID调节器两部分构成。模糊PID的误差e和误差变化ec作为模糊推理的输入量，这种输入通过模糊推理后可以满足不同时刻e和ec对控制系统PID自整定参数的要求。本专利技术中应用模糊PID作为压电陶瓷的控制方法，需要选择其隶属度函数。设计本纳米操作系统的误差e、误差变化率ec以及输出变量的隶属函数都为三角形隶属度函数。N取3，定义误差e和误差变化率sc的模糊子集为{正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(ZE)，负小(NS)，负中(NM)，负大(NB)}。为提高系统的渐近稳定性，在进行误差的隶属度函数设计时，选择不均匀的区域划分的方法，在误差小的区间选择分辨率高的模糊子集，在误差大的区间选择分辨率低的模糊子集；误差变化的隶属度函数采用均匀区域划分的方法。同理，对模糊控制器的输出进行量化后，得到模糊PID控制器的控制量、、的模糊子集为{正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(ZE)，负小(NS)，负中(NM)，负大(NB)}。确定模糊整定规则。总结技术人员在工程设计以及实际操作过程中得到的经验值，并根据三个参数本身的作用以及各参数之间互相作用关系，建立模糊推理的规则表，根据总结的模糊控制规则，模糊控制器可以根据系统的e和ec进行在线调整从而减小操作误差。该专利技术的有益效果：本专利技术采用PI模型作为压电陶瓷的迟滞模型，有效的消除了压电陶瓷本身存在的迟滞特性对系统的影响。模糊PID是由PID参数模糊推理和PID调节器两部分构成，应用模糊PID作为压电陶瓷的控制方法，并进一步确定隶属函数以及模糊整定规则，能够对压电陶瓷进行更为精确的控制，适用于工程的实践。本专利技术建立PI模型的压电陶瓷迟滞模型的具体步骤如下：PI（Prancltl—Ishlinski）模型是Preaisach模型的分支,原有的Preaisac本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于PI模型的压电陶瓷模糊PID控制方法，选用PI（Prancltl—Ishlinski）模型作为压电陶瓷的迟滞模型，完成压电陶瓷迟滞模型的建立后，选择模糊PID作为压电陶瓷的控制方法，接下来完成系统控制器的结构设计，然后选择模糊PID的隶属函数、建立模糊整定规则，最后应用Simulink模块对建立的模型进行仿真分析。

【技术特征摘要】
1.基于PI模型的压电陶瓷模糊PID控制方法，选用PI（Prancltl—Ishlinski）模型作为压电陶瓷的迟滞模型，完成压电陶瓷迟滞模型的建立后，选择模糊PID作为压电陶瓷的控制方法，接下来完成系统控制器的结构设计，然后选择模糊PID的隶属函数、建立模糊整定规则，最后应用Simulink模块对建立的模型进行仿真分析。2.根据权利要求1所述的基于PI模型的压电陶瓷模糊PID控制方法，其特征在于，选用PI模型作为压电陶瓷的迟滞模型，PI（Prancltl—Ishlinski）模型是Preaisach模型的分支,原有的Preaisach模型中的阶跃函数迟滞元替换为斜坡函数迟滞元,以逐点的方式来逼近迟滞特性，PI模型是基于Play算子或Stop算子的迟滞模型(本文以Play算子为例)，通过一系列算子加权叠加而得到迟滞模型。3.根据权利要求书1中选择模糊PID作为压电陶瓷的控制方法，完成系统控制器的结构设计，控制系统融合了传统PID控制和智能控制系统的优点，可以根据系统运动过程中位置反馈信息对操作系统进行PID参数在线修正，模糊PID控制器由PID参数模糊推理和PID调节器两部分构成，模糊PID的误差e和误差变化ec作为模糊推理的输入量...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东洁，付裕，杨柳，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23