一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下的鲁棒自适应控制方法技术

本发明专利技术公开了一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下的鲁棒自适应控制方法，步骤如下：建立压电陶瓷驱动系统，设定被驱动部件为一个加载在压电陶瓷驱动部件垂直方向上的刚性负载，并通过激光位移传感器测量其输出位移，且刚性负载设定的输出位移与压电陶瓷驱动部件的输出位移一致；对变载荷压电陶瓷驱动部件进行数学模型描述；设计鲁棒自适应控制器。该鲁棒自适应控制方法是考虑系统和环境干扰中不确定项，基于压电陶瓷驱动系统带载环境下的数学模型，利用带有回滞特性的输出可测量的二阶系统，通过设定一个规定性能函数来控制系统误差来实现实时调整鲁棒自适应控制器输出，从而保证压电陶瓷驱动平台对输入信号的高精度跟踪驱动精度。

A Robust Adaptive Control Method for Piezoelectric Ceramic Driving Components under Variable Load

【技术实现步骤摘要】
一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下的鲁棒自适应控制方法
本专利技术涉及精密加工制造
，具体涉及一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下的鲁棒自适应控制方法。
技术介绍
压电陶瓷驱动部件以其简单的结构、高驱动精度、强大的抗干扰能力以及极快的响应速度等优点，在航空航天、军事国防、精密机械等诸多领域均获得了成功应用。在微型机械中应用广泛，可用作微型机器人、压电超声马达和微小夹持器的驱动，成为了高精密装备制造上性能提升的关键之一。然而，压电陶瓷材料内部存在着回滞、蠕变等非线性特性，这些特性降低了压电陶瓷驱动部件的驱动精度。由于回滞非线性的多值性和不可微的特性，使得传统的建模及控制器设计方法不能直接应用于智能材料驱动部件中，甚至可能会造成驱动系统输出的不稳定。目前业界处理非线性滞后常用的控制策略有两种，分别是前馈控制和反馈控制。前馈控制是先建立压电陶瓷驱动部件的数学模型，然后求出它的逆模型，并把逆模型作为前馈控制器以此来抵消压电陶瓷材料自身的非线性。前馈控制原理上简单有效、结构上易于实现。然而在实际应用中，由于驱动系统时常会受到外界扰动，使得驱动系统的模型发生改变，此时不能立刻相应的改变控制环路中的模型参数，因此前馈控制会导致难以精确确定其输出位移，只有在工作环境稳定的情况下才适合使用。此外，由于反映压电陶瓷驱动部件的数学模型的建立比较困难，因此可以直接将驱动部件的输出位移作为反馈量，在有非线性因素的干扰下进行控制，这便是反馈控制的主要思想。反馈控制通过将实际输出位移信号和期望位移信号进行比较，再将得到的误差信号输入控制器得到控制电压，从而达到减小跟踪误差的目的。在压电陶瓷驱动控制系统中，由于尚没有能够精确描述压电陶瓷驱动特性的数学模型，因此处理此类非线性回滞问题，目前最常用的是设计鲁棒自适应控制器，采用反馈控制的控制策略。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对输出可测、存在回滞非线性的压电陶瓷驱动系统，基于压电陶瓷驱动部件的机电特性，提出一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下额鲁棒自适应控制方法，采用输出反馈的控制方法对压电陶瓷驱动系统进行跟踪控制。可实现其极小的跟踪误差，且闭环系统中的所有信号都是有界的。该方案简化了控制结构，有利于实时控制。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下的鲁棒自适应控制方法，所述的鲁棒自适应控制方法包括以下步骤：S1、建立压电陶瓷驱动系统，设定被驱动部件为一个加载在压电陶瓷驱动部件垂直方向上的刚性负载，并通过激光位移传感器测量其输出位移，且刚性负载设定的输出位移与压电陶瓷驱动部件的输出位移一致；S2、对变载荷压电陶瓷驱动部件进行数学模型描述，其中，压电陶瓷驱动部件的数学模型为：其中x为输出位移，a0,a1,b0为与压电陶瓷驱动部件相关的常数参数，w(u)∈R表示为驱动部件内部未知的回滞特征，定义为：w(u)＝Λ(u(t))(2)其中u(t)为压电陶瓷驱动部件的输入电压信号，Λ为回滞算子；基于上述对压电陶瓷驱动系统的描述，令x＝x1，x＝x2，则式(1)的状态空间表达式为：其中x1(t)为压电陶瓷驱动系统实际输出位移，x2(t)为压电陶瓷驱动系统实际运动速度，对于如式(3)所示压电陶瓷驱动系统，期望轨迹yd(t)应该满足：其中即为期望轨迹yd(t)的一阶导函数，L∞为L无穷空间；S3、设计鲁棒自适应控制器，定义压电陶瓷驱动系统跟踪误差：e1(t)＝x1(t)-yd(t)(5)其中yd(t)是压电陶瓷驱动系统的期望输出位移信号，设计一个性能函数满足常数分别为性能函数ρ1(t)的上下界，设计常数δ1∈(0,1]，使得对于所有的t≥0有：其中e1(0)为误差函数e1(t)的初始值，为系统跟踪误差所允许的最大值，引入一个误差转换函数该函数严格递增并且满足和其中两个常数Li＜0,i＝1,2和Ui＞0,i＝1,2被定义为：δ2为正常数，e2(t)＝x2(t)-a2(t)；定义鲁棒自适应控制器的控制律如下：u(t)＝-k2T2(ξ2(t))(8)其中k2为正设计常数，a2(t)、ξ2(t)分别为鲁棒自适应控制器的适应律参数。进一步地，所述的鲁棒自适应控制器的适应律定义如下：a2(t)＝-k1T1(ξ1(t))(9)其中k1为正设计常数，ξ1(t)为跟踪误差经过规定性能函数的转换后得到的适应律参数。进一步地，所述的回滞算子Λ(u(t))的定义为：其中Λ(u(t))为改进的RDPI模型，p0为正常数，pj＞0,j∈{0,1,2,…,n}为离散密度权值，n为正整数，为带有动态阈值函数的RD-play算子，且动态阈值函数应为与输入电压频率和负载大小相关的阈值函数：其中a,b,d均为可辨识的常数参数。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：本专利技术提出的压电精密驱动系统的鲁棒自适应控制方法，采用了一个性能函数来约束系统跟踪误差，并且在系统模型未完全可知的情况下采用鲁棒自适应控制方法，在压电陶瓷驱动控制系统上进行了实验，保证了跟踪误差和系统信号在全局范围内一致有界，简化了控制结构，更有利于实时控制。具有方法科学合理，控制精度高，适用范围广等优点。附图说明图1是本专利技术中压电陶瓷驱动系统的结构示意图；图2是本专利技术中压电陶瓷驱动实验系统结构框图；图3是本专利技术中压电陶瓷驱动系统输出位移与期望位移示意图，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示位移；图4是本专利技术中压电陶瓷驱动系统输出位移与期望位移之间的跟踪误差示意图，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示跟踪误差。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例本实施例提出一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下额鲁棒自适应控制方法，包括以下内容：1)建立压电陶瓷驱动系统为了实现压电陶瓷驱动部件在变载荷环境下的控制设计，被驱动部件设定为一个加载在压电陶瓷驱动部件垂直方向上的刚性负载，并通过激光位移传感器来测量其输出位移。负载为刚性，且设定输出位移与压电陶瓷驱动部件的输出位移一致。2)变载荷压电陶瓷驱动部件的数学模型描述压电陶瓷驱动部件的数学模型为：其中x为输出位移，a0,a1,b0为与压电陶瓷驱动部件相关的常数参数。w(u)∈R表示为驱动部件内部未知的回滞特征，可定义为：w(u)＝Λ(u(t))(2)其中u(t)为压电陶瓷驱动部件的输入电压信号，Λ为回滞算子。基于上述对压电陶瓷驱动系统的描述，令x＝x1，则式(1)的状态空间表达式为：其中x1(t)为系统实际输出位移，x2(t)为系统实际运动速度。对于如式(3)所示系统，在设计处理下，期望轨迹yd(t)应该满足：其中即为期望轨迹yd(t)的一阶导函数，L∞为L无穷空间。3)鲁棒自适应控制器设计定义系统跟踪误差：e1(t)＝x1(t)-yd(t)(5)其中yd(t)是系统的期望输出位移信号。为实现规定的跟踪性能，设计一个性能函数ρ1(t):R≥0→R＞0满足常数分别为性能函数ρ1(t)的上下界，设计常数δ1∈(0,1]，使得对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下的鲁棒自适应控制方法，其特征在于，所述的鲁棒自适应控制方法包括以下步骤：S1、建立压电陶瓷驱动系统，设定被驱动部件为一个加载在压电陶瓷驱动部件垂直方向上的刚性负载，并通过激光位移传感器测量其输出位移，且刚性负载设定的输出位移与压电陶瓷驱动部件的输出位移一致；S2、对变载荷压电陶瓷驱动部件进行数学模型描述，其中，压电陶瓷驱动部件的数学模型为：

【技术特征摘要】
1.一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下的鲁棒自适应控制方法，其特征在于，所述的鲁棒自适应控制方法包括以下步骤：S1、建立压电陶瓷驱动系统，设定被驱动部件为一个加载在压电陶瓷驱动部件垂直方向上的刚性负载，并通过激光位移传感器测量其输出位移，且刚性负载设定的输出位移与压电陶瓷驱动部件的输出位移一致；S2、对变载荷压电陶瓷驱动部件进行数学模型描述，其中，压电陶瓷驱动部件的数学模型为：其中x为输出位移，a0,a1,b0为与压电陶瓷驱动部件相关的常数参数，w(u)∈R表示为驱动部件内部未知的回滞特征，定义为：w(u)＝Λ(u(t))(2)其中u(t)为压电陶瓷驱动部件的输入电压信号，Λ为回滞算子；基于上述对压电陶瓷驱动系统的描述，令x＝x1，则式(1)的状态空间表达式为：其中x1(t)为压电陶瓷驱动系统实际输出位移，x2(t)为压电陶瓷驱动系统实际运动速度，对于如式(3)所示压电陶瓷驱动系统，期望轨迹yd(t)应该满足：其中即为期望轨迹yd(t)的一阶导函数，L∞为L无穷空间；S3、设计鲁棒自适应控制器，定义压电陶瓷驱动系统跟踪误差：e1(t)＝x1(t)-yd(t)(5)其中yd(t)是压电陶瓷驱动系统的期望输出位移信号，设计一个性能函数ρ1(t):满足常数ρ1,分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯颖，胡泽东，杨辰光，哈桑阿巴斯，张野晨，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44