一种压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术涉及一种压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法、系统及介质，方法包括获取压电陶瓷执行器在输入电压下产生的输出位移，并根据输出位移和输入电压建立迟滞模型；对迟滞模型进行参数辨识，得到目标迟滞模型；根据目标迟滞模型设计分数阶滑模控制器，并采用分数阶滑模控制器对压电陶瓷执行器进行控制。本发明专利技术由输出位移与输入电压的关系来描述迟滞特性，能更好地描述迟滞特性与压电陶瓷执行器的关系，由分数阶滑模控制器控制压电陶瓷执行器，较好地抑制滑模面的抖动问题，且计算过程少、计算难度低，可以在很大程度上保证对压电陶瓷执行器控制的实时性，控制效果更好，能更有效地抑制压电陶瓷执行器在工作过程中的迟滞特性。

【技术实现步骤摘要】
一种压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法、系统及介质
本专利技术涉及机电控制
，尤其涉及一种压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法、系统及介质。
技术介绍
压电陶瓷执行器具有体积小、能量密度高、定位精度高、分辨率高、频响快等优点，在精密定位、微机电系统、微纳米制造技术、纳米生物工程等领域中得到了广泛应用。例如，柔性电子需要在任意形状的柔性衬底上实现纳米特征微纳结构宏观器件的大面积集成，制造过程涉及到聚合物、金属、非金属、纳米材料等物理特性迥异材料的功能界面的精确形成，这对制造装备的驱动、定位和运动控制性能提出了极大挑战。因此，微观尺度内的亚微米精密定位和运动控制技术成为必要手段。压电陶瓷执行器是利用压电材料在电场中产生逆压电效应或电致伸缩效应，直接将电能转化为机械能从而产生微小位移，并通过位移放大机构(例如柔性饺链等)来实现高分辨率位移输出的精密执行器。然而作为一种极性材料，压电陶瓷本身固有的非线性特性，如迟滞、温度、蠕变和动态频率特性等，尤其是迟滞特性，直接影响了系统的运动性能，给跨尺度喷印制造中的精密定位和跟踪带来了困难和挑战。目前，针对迟滞特性的抑制方法有多种，例如基于迟滞模型的追踪的模糊PID控制方法，该方法首先通过建模得到压电陶瓷执行器的迟滞模型，然后利用该迟滞模型设计相对应的PID控制器并用模糊控制规则来实现对PID控制器中比例常数kp、积分常数ki和微分常数kd的设计以补偿压电陶瓷执行器的输出位移，但目前该方法存在以下缺点：1、迟滞模型是理想物理模型而存在模型误差，与迟滞特性的拟合度不够高；2、迟滞模型需要辨识的参数较多，辨识过程较复杂，且效果不佳；3、因为模糊规则的设定使计算过程较复杂，导致计算难度较高，实时性差，且迟滞特性的抑制效果一般。、
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法、系统及介质。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法，包括以下步骤：步骤1：获取压电陶瓷执行器在输入电压下产生的输出位移，并根据所述输出位移和所述输入电压建立迟滞模型；步骤2：对所述迟滞模型进行参数辨识，得到目标迟滞模型；步骤3：根据所述目标迟滞模型设计分数阶滑模控制器，并采用所述分数阶滑模控制器对所述压电陶瓷执行器进行控制。本专利技术的有益效果是：由于压电陶瓷执行器的迟滞特性直接体现为在输入电压下的输出位移，通过输出位移和输入电压建立迟滞模型，由输出位移与输入电压的关系来描述迟滞特性，能更好地描述迟滞特性与压电陶瓷执行器的关系，便于后续根据两者的关系得到抑制迟滞特性的控制信号，以便分数阶滑模控制器根据控制信号控制压电陶瓷执行器；由于迟滞模型存在模型误差，且存在多个参数，通过对迟滞模型进行参数辨识，以便得到精度更高的目标迟滞模型，使得该目标迟滞模型与迟滞特性的拟合度更高，在描述迟滞特性上更准确，从而根据该高精度的目标迟滞模型设计更为精确的分数阶滑模控制器；分数阶滑模控制器相比传统控制器，可以较好地抑制滑模面的抖动问题，且计算过程少、计算难度低，可以在很大程度上保证对压电陶瓷执行器控制的实时性，控制效果更好，能更有效地抑制压电陶瓷执行器在工作过程中的迟滞特性，避免迟滞特性影响制造设备的精密定位、跟踪和运动控制，提高精密制造业的工作效率和产品质量。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：进一步：所述步骤1具体采用基于质量-弹簧-阻尼数学物理模型的建模方法建立所述迟滞模型。上述进一步方案的有益效果是：采用基于质量-弹簧-阻尼数学物理模型的建模方法建立迟滞模型，可以较好地描述压电陶瓷的迟滞特性与压电陶瓷执行器的关系，且模型形式简单，方法简单。进一步：所述步骤1中的所述迟滞模型具体为Bouc-wen等效迟滞模型，所述Bouc-wen等效迟滞模型的具体公式为：y(t)＝k1u(t)+k2h(t)其中，y(t)为所述输出位移，u(t)为所述输入电压，h(t)为所述Bouc-wen等效迟滞模型的迟滞分量，为所述迟滞分量对时间的一阶导数，D0、A、β、γ和n均为反映迟滞特性的模型参数，为所述输入电压对时间的一阶导数，α为权重系数，ks为所述压电陶瓷执行器的第一等效刚度系数，k为反映所述迟滞特性的第二等效刚度系数，k1和k2均为根据α、D0、k和ks所得的第一简记系数。上述进一步方案的有益效果是：由于Bouc-wen等效迟滞模型可以描述大多数的迟滞系统，与实际运动过程中的迟滞特性具有较好的拟合度，因此通过质量-弹簧-阻尼数学物理模型来获得Bouc-wen等效迟滞模型，能更好地描述迟滞特性，且上述Bouc-wen等效迟滞模型与传统的Bouc-wen模型相比，进行了简化，使得模型更为简单，以便后续对模型中的参数进行辨识，得到精度更高的目标迟滞模型；其中，反映迟滞特性的第二等效刚度系数k＞0，权值系数0＜α＜1；D0、A、β、γ和n均为反映迟滞特性的模型参数，D0、A、β和γ具体控制迟滞特性曲线的形状，n主要控制迟滞特性曲线的平滑度，当其他参数固定不变时，A越大迟滞特性曲线的形状越宽，且会让曲线逆时针偏转；n越大曲线越平滑；β的大小会改变迟滞特性曲线的宽和扁，也会改变曲线偏转；γ也会使曲线发生偏转；D0通常当做常数处理，通常取值为1。进一步：在所述步骤1中，还包括对所述Bouc-wen等效迟滞模型进行修正，得到修正Bouc-wen模型，所述修正Bouc-wen模型的具体公式为：y1(t)＝k1u(t)+k2h1(t)+d其中，y1(t)为修正输出位移，u1(t)为修正输入电压，h1(t)为所述修正Bouc-wen模型的修正迟滞分量，d为修正迟滞分量差值，为相位差值，为所述修正迟滞分量对时间的一阶导数，为所述修正输入电压对时间的一阶导数。上述进一步方案的有益效果是：由于Bouc-wen等效迟滞模型本身为理想模型，与实际运动过程中迟滞行为有偏差，因此引入在Bouc-wen等效迟滞模型中与初始位置的偏差d(即修正迟滞分量差值)以及与初始相位的偏差(即相位差值)，来对Bouc-wen等效迟滞模型进行修正，可以进一步提高修正Bouc-wen模型在描述迟滞特性上的精度。进一步：所述步骤2中具体采用差分进化方法对所述修正Bouc-wen模型进行参数辨识，得到所述目标迟滞模型。上述进一步方案的有益效果是：通过差分进化方法进行参数辨识，可以很大程度上提高修正Bouc-wen模型中相关参数的精度，具体表现在进一步提升修正Bouc-wen模型在描述压电陶瓷迟滞特性方面同实验数据更高的拟合度，从而便于将修正Bouc-wen模型应用在分数阶滑模控制器中来描述压电陶瓷的迟滞特性，以便对迟滞特性进行有效抑制。进一步：所述步骤3具体包括以下步骤：步骤31：根据所述目标迟滞模型中的所述修正输出位移与预设的参考位移之间的位移误差确定所述分数阶滑模控制器的滑模面；所述滑模面为：e＝y1-yd；其中，s为所述滑模面，e为所述位移误差，y1为所述修正输出位移的值，yd为所述参考位移，c0为所述分数阶滑模控制器的比例参数且c0＞0，D为分数阶运算，λ为分数阶的阶数；步骤32：根据所述滑模面确定所述分数阶滑模控制器的控制律，并根据所述控制律、所述滑模面和所述目标迟滞模型，得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取压电陶瓷执行器在输入电压下产生的输出位移，并根据所述输出位移和所述输入电压建立迟滞模型；步骤2：对所述迟滞模型进行参数辨识，得到目标迟滞模型；步骤3：根据所述目标迟滞模型设计分数阶滑模控制器，并采用所述分数阶滑模控制器对所述压电陶瓷执行器进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取压电陶瓷执行器在输入电压下产生的输出位移，并根据所述输出位移和所述输入电压建立迟滞模型；步骤2：对所述迟滞模型进行参数辨识，得到目标迟滞模型；步骤3：根据所述目标迟滞模型设计分数阶滑模控制器，并采用所述分数阶滑模控制器对所述压电陶瓷执行器进行控制。2.根据权利要求1所述的压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法，其特征在于，所述步骤1具体采用基于质量-弹簧-阻尼数学物理模型的建模方法建立所述迟滞模型。3.根据权利要求2所述的压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法，其特征在于，所述步骤1中的所述迟滞模型具体为Bouc-wen等效迟滞模型，所述Bouc-wen等效迟滞模型的具体公式为：y(t)＝k1u(t)+k2h(t)其中，y(t)为所述输出位移，u(t)为所述输入电压，h(t)为所述Bouc-wen等效迟滞模型的迟滞分量，为所述迟滞分量对时间的一阶导数，D0、A、β、γ和n均为反映迟滞特性的模型参数，为所述输入电压对时间的一阶导数，α为权重系数，ks为所述压电陶瓷执行器的第一等效刚度系数，k为反映所述迟滞特性的第二等效刚度系数，k1和k2均为根据α、D0、k和ks所得的第一简记系数。4.根据权利要求3所述的压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法，其特征在于，在所述步骤1中，还包括对所述Bouc-wen等效迟滞模型进行修正，得到修正Bouc-wen模型，所述修正Bouc-wen模型的具体公式为：y1(t)＝k1u(t)+k2h1(t)+d其中，y1(t)为修正输出位移，u1(t)为修正输入电压，h1(t)为所述修正Bouc-wen模型的修正迟滞分量，d为修正迟滞分量差值，为相位差值，为所述修正迟滞分量对时间的一阶导数，为所述修正输入电压对时间的一阶导数。5.根据权利要求4所述的压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法，其特征在于，所述步骤2中具体采用差分进化方法对所述修正Bouc-wen模型进行参数辨识，得到所述目标迟滞模型。6.根据权利要求5所述的压电陶瓷执行器迟滞特性的抑制方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：步骤3...

【专利技术属性】
技术研发人员：李自成，张赛，王后能，曾丽，熊涛，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42