一种不对称电压驱动的压电陶瓷驱动器制造技术

本发明专利技术公开了一种不对称电压驱动的压电陶瓷驱动器，涉及压电陶瓷驱动技术领域；包括如下步骤：步骤一、建立迟滞模型；步骤二、模型参数辨识；步骤三、线性化控制器设计；步骤四、主动振动抑制控制器；本发明专利技术解决压电陶瓷材料本身存在的迟滞、蠕变等非线性特性对系统性能的影响，选择适当的迟滞模型，并根据模型选择相应的控制方法，实现对压电陶瓷驱动器的线性化；以线性化后的压电陶瓷驱动器做微控制器，选择相应的振动控制算法，对振动进行双自由度解耦并进行控制。解耦并进行控制。解耦并进行控制。

【技术实现步骤摘要】
一种不对称电压驱动的压电陶瓷驱动器


[0001]本专利技术属于压电陶瓷驱动
，具体涉及一种不对称电压驱动的压电陶瓷驱动器。

技术介绍

[0002]压电陶瓷驱动器是一种性能优良的智能材料，具有受力大、刚度高、控制精度高、功耗低、响应速度快等突出优点，因此得到了广泛的应用，如微操纵、微机械臂、有源光学元件、主动振动控制、生物医学工程等。在使用压电陶瓷驱动器进行主动振动控制的应用中，主要针对频率为100Hz以下的低频振动，这时传统的被动隔振方法难以奏效，通过采用压电陶瓷驱动器产生与振动波大小相等方向相反的运动，从而削弱振动幅度。在这一过程中，需要压电陶瓷驱动器准确跟踪幅值、频率随机连续变化的参考信号，因此对于其迟滞特性、蠕变性等非线性，以及这些非线性特性跟随运动频率的变化规律的建模准确度，将显著影响主动隔振控制方法的性能。其蠕变特性和率相关迟滞特性如图1和图2所示。在现有文献中，虽然针对压电陶瓷驱动器不同频率点时的率相关非线性特性的建模与控制方法给出了一些研究结果，但针对跟踪频率连续随机变化的非线性特性描述，现有建模方法仍存在较大不足。

技术实现思路

[0003]为解决
技术介绍
中的问题；本专利技术的目的在于提供一种不对称电压驱动的压电陶瓷驱动器。
[0004]本专利技术的一种不对称电压驱动的压电陶瓷驱动器，包括如下步骤：
[0005]步骤一、建立迟滞模型：
[0006]采用一种基于改进的Bouc
‑
Wen模型和分数阶模型的率相关迟滞非线性模型；其中Hammerstein模型的静态非线性部分用改进的Bouc
‑
Wen模型描述，线性动态部分用分数阶模型描述；
[0007]1.1、改进的Bouc
‑
Wen迟滞模型：
[0008]经典Bouc
‑
Wen模型由Bouc引入，Wen对其进行了扩展；采用了改进的Bouc
‑
Wen模型，通过定义l(t)＝l(u(t))为广义的输入函数，即输入电压u(t)的函数，用来描述压电驱动器输入输出关心关于原点不对称的非对称性质；
[0009]1.2、分数阶动力学模型：
[0010]使用ARX模型描述动力学特性时，当前时刻的输出不仅由当前时刻输入决定，还由之前所有时刻的输入输出决定；使用整数阶模型描述动力学特性时，既需要对压电驱动器的动力学特性进行分析，又需要估计影响控制应用中鲁棒性的冗余参数；而分数阶系统则被视为已经在控制设计中提高了鲁棒性，且只需要输入输出数据即可建模无需进行动力学分析；分数阶微积分是对整数阶积分和微分到全体实数的推广；
[0011]步骤二、模型参数辨识：
[0012]人工蜂群算法的计算过程，主要包括引领蜂、跟随蜂和侦查蜂3个阶段；在用人工蜂群算法辨识模型参数时，每个食物源代表要模型参数的一个可行解，花蜜的数量(适应度)代表解的质量，解的个数等于引领蜂的个数；引入均方根误差(RMSE)作为DE
‑
ABC的适应度函数，反映建模误差。
[0013]步骤三、线性化控制器设计：
[0014]3.1、复合控制器：
[0015]根据上述改进的Bouw
‑
Wen模型求解其逆模型，当期望轨迹为y
r
(t)，设计基于逆模型的补偿器来确定压电作动器的输入电压为u(t)；使得压电微定位平台的期望位移y
r
(t)和实际输出位移y(t)线性化，从而实现迟滞非线性的消除；将滑模反馈控制与之结合设计复合的闭环控制器。
[0016]3.2、滑模控制器：
[0017]为了设计滑模控制器，需要设计一个分数阶滑模面和一个合适的控制信号，使得状态轨迹到达滑模面并保持在滑模面上；
[0018]3.2.1、根据确定的压电作动器系统模型设计滑模面；
[0019]3.2.2、设计滑模趋近律通常采用符号函数sgn(x)，由于符号函数的不连续性，会使控制输入震荡，选取合适的趋近律消除震荡。
[0020]3.2.3、求取控制输入u(t)，并对所求取的控制器进行稳定性分析与证明；
[0021]步骤四、主动振动抑制控制器：
[0022]该系统的X方向和Y方向存在耦合，需将运动变量转换为广义变量，并基于广义系统进行振动控制系统的设计，最后将计算获得的控制力转换为广义控制力；利用雅克比矩阵将广义控制力转换为作动器的期望控制力，并由上述提出的压电作动器迟滞线性化控制器求解驱动电压反馈至隔振平台的压电驱动器；在主动振动抑制系统的解耦控制中，将整体MISO系统解耦为2个SISO隔振系统进行独立控制。
[0023]作为优选，改进的Bouc
‑
Wen模型表达式为：
[0024]x(t)＝l[u(t)]‑
z(t)＝[xu2(t)+yu(t)]‑
z(t)
[0025][0026]其中，x(t)为作动器的输出位移；l[u(t)]为非奇输入函数；z(t)为迟滞位移分量；为z(t)对时间的导数；u(t)表示输入电压；为u(t)对时间的导数；x和y控制输入信号的不对称性；α控制迟滞环的大小；β和γ分别控制迟滞环的形状；n表示从弹性部分到塑型部分过渡的平滑程度；通过适当选择模型参数，它能够用各种形状表示各种各样的滞后现象。
[0027]作为优选，所述分数阶微积分的基本算子的定义为：
[0028][0029]其中t0和t分别是积分的下边界和上边界，α是分数阶，可以是复数，Re(α)是α的实部；
[0030]分数微积分有多种定义，其中最常用的是Grunwald
–
Letnikov(G
‑
L)定义和Riemann
–
Liouville(R
‑
L)定义；采用G
‑
L定义的近似计算进行分数阶算子的数值模拟，G
‑
L定义给出为：
[0031][0032]分数阶系统可以用分数阶线性微分方程来表示，其形式为：
[0033][0034]其中u(t)和x(t)分别是系统输入和输出。D
α
x(t)是x(t)的α次时间导数；若初始条件为零，则D
α
x(t)的拉普拉斯变换为：
[0035]L{D
α
x(t)}＝s
α
X
[0036]对上述方程两端取拉普拉斯变换；分数阶线性时不变系统可改写为下述的传递函数形式：
[0037][0038]其中α0＜α1＜
…
＜α
n
，且β0＜β1＜
…
＜β
m
。
[0039]作为优选，所述DE
‑
ABC的适应度函数公式如下所示：
[0040][0041]其中y
exp
为实验数据的采样值，y为模型数据的采样值，N为采样点个数，每个解x
i
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不对称电压驱动的压电陶瓷驱动器，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、建立迟滞模型：采用一种基于改进的Bouc
‑
Wen模型和分数阶模型的率相关迟滞非线性模型；其中Hammerstein模型的静态非线性部分用改进的Bouc
‑
Wen模型描述，线性动态部分用分数阶模型描述；1.1、改进的Bouc
‑
Wen迟滞模型：经典Bouc
‑
Wen模型由Bouc引入，Wen对其进行了扩展；采用了改进的Bouc
‑
Wen模型，通过定义l(t)＝l(u(t))为广义的输入函数，即输入电压u(t)的函数，用来描述压电驱动器输入输出关心关于原点不对称的非对称性质；1.2、分数阶动力学模型：使用ARX模型描述动力学特性时，当前时刻的输出不仅由当前时刻输入决定，还由之前所有时刻的输入输出决定；使用整数阶模型描述动力学特性时，既需要对压电驱动器的动力学特性进行分析，又需要估计影响控制应用中鲁棒性的冗余参数；而分数阶系统则被视为已经在控制设计中提高了鲁棒性，且只需要输入输出数据即可建模无需进行动力学分析；分数阶微积分是对整数阶积分和微分到全体实数的推广；步骤二、模型参数辨识：人工蜂群算法的计算过程，主要包括引领蜂、跟随蜂和侦查蜂3个阶段；在用人工蜂群算法辨识模型参数时，每个食物源代表要模型参数的一个可行解，花蜜的数量(适应度)代表解的质量，解的个数等于引领蜂的个数；引入均方根误差(RMSE)作为DE
‑
ABC的适应度函数，反映建模误差；步骤三、线性化控制器设计：3.1、复合控制器：根据上述改进的Bouw
‑
Wen模型求解其逆模型，当期望轨迹为y
r
(t)，设计基于逆模型的补偿器来确定压电作动器的输入电压为u(t)；使得压电微定位平台的期望位移y
r
(t)和实际输出位移y(t)线性化，从而实现迟滞非线性的消除；将滑模反馈控制与之结合设计复合的闭环控制器；3.2、滑模控制器：为了设计滑模控制器，需要设计一个分数阶滑模面和一个合适的控制信号，使得状态轨迹到达滑模面并保持在滑模面上；3.2.1、根据确定的压电作动器系统模型设计滑模面；3.2.2、设计滑模趋近律通常采用符号函数sgn(x)，由于符号函数的不连续性，会使控制输入震荡，选取合适的趋近律消除震荡；3.2.3、求取控制输入u(t)，并对所求取的控制器进行稳定性分析与证明；步骤四、主动振动抑制控制器：该系统的X方向和Y方向存在耦合，需将运动变量转换为广义变量，并基于广义系统进行振动控制系统的设计，最后将计算获得的控制力转换为广义控制力；利用雅克比矩阵将广义控制力转换为作动器的期望控制力，并由上述提出的压电作动器迟滞线性化控制器求解驱动电压反馈至隔振平台的压电驱动器；在主动振动抑制系统的解耦控制中，将整体MISO系统解耦为2个SISO隔振系统进行独立控制。
2.根据权利要求1所述的一种不对称电压驱动的压电陶瓷驱动器，其特征在于：所述改进的Bouc
‑
Wen模型表达式为：x(t)＝l[u(t)]
‑
z(t)＝[xu2(t)+yu(t)]
‑
z(t)其中，x(t)为作动器的输出位移；l[u(t)]为非奇输入函数；z(t)为迟滞位移分量；为z(t)对时间的导数；u(t)表示输入电压；为u(t)对时间的导数；x和y控制输入信号的不对称性；α控制迟滞环的大小；β和γ分别控制迟滞环的形状；n表示从弹性部分到塑型部分过渡的平滑程度；通过适当选择模型参数，它能够用各种形状表示各种各样的滞后现象。3.根据权利要求1所述的一种不对称电压驱动的压电陶瓷驱动器，其特征在于：所述分数阶微积分的基本算子的定义为：其中t0和t分别是积分的下边界和上边界，α是分数阶，可以是复数，Re(α)是α的实部；分数微积分有多种定义，其中最常用的是Grunwald
–
Letnikov(G
‑
L)定义和Riemann
–
Liouville(R
‑
L)定义；采用G
‑
L定义的近似计算进行分数阶算子的数值模拟，G
‑
L定义给出为：分数阶系统可以用分数阶线性微分方程来表示，其形式为：其中u(t)和x(t)分别是系统输入和输出；D
α
x(t)是x(t)的α次时间导数；若初始条件为零，则D
α
x(t)的拉普拉斯变换为：L{D
α
x(...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨柳，赵钟阳，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：