压电驱动的闭环控制方法、装置、设备及存储介质制造方法及图纸

本申请涉及一种压电驱动的闭环控制方法、装置、设备及存储介质，其中，方法包括：基于预先构建的迟滞补偿器，将各时刻压电陶瓷致动器预设的目标位移作为输入，得到压电陶瓷致动器在各时刻与所述目标位移对应的输入电压；将各时刻的输入电压作用于压电陶瓷致动器，得到压电陶瓷致动器在各时刻的实际输出位移；基于压电陶瓷致动器的实际输出位移与目标位移的偏差，对压电陶瓷致动器的实际输出位移进行PID调节，直至所述偏差满足预设条件。本申请通过设置迟滞补偿器，并通过前馈PID调节，削弱了率相关迟滞现象引起的位移误差。解决现有压电驱动因率相关迟滞现象，导致输出位移不可预测，给高速及高精度的位移控制带来困难的问题。

【技术实现步骤摘要】
压电驱动的闭环控制方法、装置、设备及存储介质
本申请涉及压电驱动的闭环控制方法、装置、设备及存储介质，属于数据处理

技术介绍
随着现代工业的发展，国防、航空、航天、微电子等尖端领域对超精密检测和超精密加工提出了越来越多的需求。基于微纳致动器的超精密定位技术作为微纳操作的基础及关键技术得到越来越多的重视。得益于压电驱动具有分辨率高、体积小、推力大、响应快等优点，压电驱动成为了当前应用最为广泛的超精密致动方案，在超精测量、航空航天、精密制造、显微观测等方向具有广泛应用。以上应用不仅需要高精度的定位，而且对操作效率提出了越来越高的要求，这就对压电驱动的高动态定位性能提出了要求。但是，压电驱动的率相关迟滞现象的存在使对其施加电压时，其输出位移变得不可预测，给高速及高精度的位移控制带来困难，得压电驱动难以在保持高定位精度同时拥有较快的定位速度，影响了其对高动态位移跟踪能力，限制了压电驱动在有高动态需求的领域的进一步应用。
技术实现思路
本申请提供了一种压电驱动的闭环控制方法、装置、设备及存储介质，以解决现有压电驱动因率相关迟滞现象的存在，导致输出位移不可预测，给高速及高精度的位移控制带来困难的问题。为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：本申请实施例的第一方面，提供了一种压电驱动的闭环控制方法，包括：基于预先构建的迟滞补偿器，将各时刻压电陶瓷致动器预设的目标位移作为输入，得到压电陶瓷致动器在各时刻与所述目标位移对应的输入电压，所述迟滞补偿器为对构建的率相关非对称迟滞模型求逆得到的；将所述输入电压作为初始的驱动电压信号，作用于压电陶瓷致动器；获取所述压电陶瓷致动器在所述初始的驱动电压信号下的实际输出位移；所述初始的驱动电压信号使得压电陶瓷致动器的实际输出位移与目标位移的偏差位于预设范围内；基于压电陶瓷致动器的实际输出位移与目标位移的偏差，通过PID调节，对所述初始的驱动电压信号进行修正，得到最终用于驱动压电陶瓷致动器的驱动电压信号。进一步地，在本申请第一方面所述方法的一个实施例中，还包括构建所述迟滞补偿器的步骤：基于Bouc-Wen模型，将形状控制函数的取值分为多个独立取值的阶段，所述形状控制函数在各阶段的取值具有非对称性，得到压电驱动的非对称迟滞模型；基于所述非对称迟滞模型，引入率相关项，得到压电驱动的率相关非对称迟滞模型；将前一采样时刻的迟滞分量替代当前时刻的迟滞分量，并将预设的目标位移作为率相关非对称迟滞模型的输出位移，求所述率相关非对称迟滞模型的逆模型，得到所述迟滞补偿器；所述迟滞补偿器的表达式以输入电压为因变量，以预设的目标位移为自变量。进一步地，在本申请第一方面所述方法的一个实施例中，所述率相关非对称迟滞模型为：其中，t为采样时刻，T为输入信号的周期，ψ(t)表示形状控制函数，h(t)为迟滞分量，x(t)为输出位移，u(t)为t时刻的输入电压，为u(t)的微分，为h(t)的微分，为x(t)的微分，η为率相关参数，k为线性参数，A，γ，β1～β8为模型参数。进一步地，在本申请第一方面所述方法的一个实施例中，所述迟滞补偿器为将目标位移作为输出位移，通过率相关的非对称迟滞模型求逆模型得到的，所述迟滞补偿器的表达式为：其中，t为采样时刻，u(t)为t时刻的输入电压，u(t-1)为t-1时刻的输入电压，xd(t)为目标位移，Δt为采样间隔，h(t-1)为t-1时刻的迟滞分量，η为率相关参数，k为线性参数。进一步地，在本申请第一方面所述方法的一个实施例中，所述得到率相关非对称迟滞模型之后，还包括：对所述率相关非对称迟滞模型进行离散化处理。本申请实施例的第二方面，提供一种压电驱动的闭环控制装置，包括：前馈补偿模块，用于基于预先构建的迟滞补偿器，将各时刻压电陶瓷致动器预设的目标位移作为输入，得到压电陶瓷致动器在各时刻与所述目标位移对应的输入电压；驱动控制模块，将各时刻的输入电压作为初始的驱动电压信号，作用于压电陶瓷致动器；信号获取模块，用于获取所述压电陶瓷致动器在所述初始的驱动电压信号下的实际输出位移；所述初始的驱动电压信号使得压电陶瓷致动器的实际输出位移与目标位移的偏差位于预设范围内；PID调节模块，用于基于压电陶瓷致动器的实际输出位移与目标位移的偏差，通过PID调节，对所述初始的驱动电压信号进行修正，得到最终用于驱动压电陶瓷致动器的驱动电压信号。进一步地，在本申请第二方面所述装置的一个实施例中，所述装置还包括：模型构建模块，用于构建率相关Bouc-Wen模型；迟滞补偿确定模块，用于基于所述率相关Bouc-Wen模型，求所述率相关Bouc-Wen模型的逆模型，将前一采样时刻的迟滞分量替代当前时刻的迟滞分量，并将预设的目标位移作为率相关Bouc-Wen模型的输出位移，得到所述迟滞补偿器；所述迟滞补偿器的表达式以输入电压为因变量，以预设的目标位移为自变量。本申请实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，用于实现本申请实施例第一方面任一种可能的实施方式中所述压电驱动的闭环控制方法的步骤。本申请实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，用于实现本申请实施例第一方面任一种可能的实施方式中所述压电驱动的闭环控制方法的步骤。本申请达到的有益效果：本申请设计了基于率相关Bouc-Wen模型的逆模型前馈补偿器，用来初步消除率相关迟滞现象引起的位移跟踪误差。然后引入PID算法作为反馈控制器，PID反馈控制器负责处理前馈补偿控制尚未完成补偿的误差。由于在PID算法介入时，压电驱动已经在前馈补偿器的作用下非常接近目标位置，PID控制仅需极少的循环次数即可获得满意的精度，使得压电驱动快速到达目标位置。上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1是本申请一个实施例提供的压电驱动的闭环控制方法及装置应用的控制算法结构示意图；图2是本申请一个实施例提供的压电驱动的闭环控制方法的流程图；图3是本申请一个实施例提供的迟滞补偿器的算法框图；图4是本申请一个实施例提供的压电驱动的闭环控制装置的结构示意图；图5是本申请一个实施例提供的电子设备的结构框图。具体实施方式以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。针对现有技术中，由于压电驱动的率相关迟滞现象，使得对压电陶瓷施加电压时，其输出位移变得不可预测，给高速及高精度的位移控制带来困难的问题，为了补偿压电驱动的迟滞特性，提高位移跟踪性能，现有技术中可以采用：PID闭环控制，以实现高精度的位移控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电驱动的闭环控制方法，其特征在于，包括：/n基于预先构建的迟滞补偿器，将各时刻压电陶瓷致动器预设的目标位移作为输入，得到压电陶瓷致动器在各时刻与所述目标位移对应的输入电压，所述迟滞补偿器为对构建的率相关非对称迟滞模型求逆得到的；/n将所述输入电压作为初始的驱动电压信号，作用于压电陶瓷致动器；/n获取所述压电陶瓷致动器在所述初始的驱动电压信号下的实际输出位移；所述初始的驱动电压信号使得压电陶瓷致动器的实际输出位移与目标位移的偏差位于预设范围内；/n基于压电陶瓷致动器的实际输出位移与目标位移的偏差，通过PID调节，对所述初始的驱动电压信号进行修正，得到最终用于驱动压电陶瓷致动器的驱动电压信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种压电驱动的闭环控制方法，其特征在于，包括：
基于预先构建的迟滞补偿器，将各时刻压电陶瓷致动器预设的目标位移作为输入，得到压电陶瓷致动器在各时刻与所述目标位移对应的输入电压，所述迟滞补偿器为对构建的率相关非对称迟滞模型求逆得到的；
将所述输入电压作为初始的驱动电压信号，作用于压电陶瓷致动器；
获取所述压电陶瓷致动器在所述初始的驱动电压信号下的实际输出位移；所述初始的驱动电压信号使得压电陶瓷致动器的实际输出位移与目标位移的偏差位于预设范围内；
基于压电陶瓷致动器的实际输出位移与目标位移的偏差，通过PID调节，对所述初始的驱动电压信号进行修正，得到最终用于驱动压电陶瓷致动器的驱动电压信号。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括构建所述迟滞补偿器的步骤：
基于Bouc-Wen模型，将形状控制函数的取值分为多个独立取值的阶段，所述形状控制函数在各阶段的取值具有非对称性，得到压电驱动的非对称迟滞模型；
基于所述非对称迟滞模型，引入率相关项，得到压电驱动的率相关非对称迟滞模型；
将前一采样时刻的迟滞分量替代当前时刻的迟滞分量，并将预设的目标位移作为率相关非对称迟滞模型的输出位移，求所述率相关非对称迟滞模型的逆模型，得到所述迟滞补偿器；所述迟滞补偿器的表达式以输入电压为因变量，以预设的目标位移为自变量。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述率相关非对称迟滞模型为：






其中，t为采样时刻，T为输入信号的周期，ψ(t)表示形状控制函数，h(t)为迟滞分量，x(t)为输出位移，u(t)为t时刻的输入电压，为u(t)的微分，为h(t)的微分，为x(t)的微分，η为率相关参数，k为线性参数，A，γ，β1～β8为模型参数。


4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述迟滞补偿器为将目标位移作为输出位移，通过率相关的非对称迟滞模型求逆模型得到的，所述迟滞补偿器的表达式为：



其中，t为采样时刻，u(t)为t时刻的输入电压，u(t-1)为t-1时刻的输入电压，xd(t)为目标位移，Δt为采样间隔，h(t-1)为t-1时刻的迟滞分量...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟博文，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32