本发明专利技术公开了一种压电陶瓷执行器的复合线性化控制方法及其实现电路。该复合线性化控制方法包括前馈线性化控制和闭环线性化控制，前馈线性化控制方法通过建立的压电陶瓷执行器的数学模型，构建迟滞分量观测器观测压电陶瓷执行器件在控制电压作用下的迟滞分量，计算出补偿该迟滞分量所需要的补偿电压，将补偿电压与控制电压叠加得到实际驱动电压作用于压电陶瓷执行器使其产生位移输出；闭环线性化控制利用位移传感器得到前馈线性化误差，通过闭环控制把该误差降低为零，该复合线性化控制器包括控制信号发生器、模数转换器、复合线性化控制器、数模转换器、功率放大器、位移传感器和信号调理电路。采用本发明专利技术能够将压电陶瓷执行器输出位移与控制电压之间的迟滞非线性关系线性化，极大地简化压电陶瓷执行器的控制算法，提高其定位精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于线性化控制
，特别涉及一种压电陶瓷执行器迟滞特性线性化的线性化控制方法。本专利技术还涉及一种该方法的实现电路。
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。但是压电陶瓷执行器的输出位移与控制电压的迟滞非线性特性给压电陶瓷执行器的定位控制带来了很大的困难。目前，实现压电陶瓷执行器定位控制的方法主要有三大类第一类是使用电荷驱动替代一般的电压驱动的方法。Newcomb与Flirm (Electronics Letters, Vol. 18，No. 11，442-444，1982)发现采用电荷驱动压电陶瓷执行器的迟滞现象比采用电压驱动有明显的降低。在此基础上，Kaizuka和Sui (Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 27，No. 5，773-776，1988)采用串联一个补偿电容的方法使得电压驱动产生电荷驱动的效果。但是电荷驱动会降低压电陶瓷执行器的灵敏度，应用范围很有限。第二类是使用单纯的闭环位移控制方法。该方法将压电陶瓷执行器的迟滞看成控制系统的扰动，采用闭环控制以消除迟滞的影响。但是由于压电陶瓷执行器的迟滞现象比较严重，将对闭环控制系统产生较大的扰动，控制系统很可能长时间处于过渡过程中，不能进入期望的稳定状态，而且其控制精度也不高。第三类是采用基于迟滞模型的追踪控制方法。该方法首先通过建模得到压电陶瓷执行器的迟滞模型，利用该迟滞模型的逆构成前馈控制以补偿压电陶瓷执行器的输出位移追踪期望位移。由于迟滞模型不可避免的存在模型误差，在对迟滞模型求逆的过程也会带来误差，控制精度并不高。综上所述，到目前为止，并没有特别有效的方法对压电陶瓷执行器进行精密定位控制。
技术实现思路
为解决现有技术还不能对压电陶瓷执行器进行有效地精密定位控制的问题，本专利技术提供一种压电陶瓷执行器的复合线性化控制方法及其实现电路，采用该线性化控制方法及其实现电路能够使压电陶瓷执行器的输出位移与控制电压之间的迟滞非线性关系线性化，简化压电陶瓷执行器的控制算法，提高其定位精度。本申请具体采用以下技术方案一种压电陶瓷执行器迟滞特性的复合线性化控制方法，该控制方法包括前馈线性化控制和闭环线性化控制，通过前馈线性化控制将输入压电陶瓷执行器的控制电压(是指将权利要求1. 一种压电陶瓷执行器迟滞特性的复合线性化控制方法，其特征在于所述复合线性化控制方法包括前馈线性化控制和闭环线性化控制，通过前馈线性化控制将输入压电陶瓷执行器的控制电压z )转换为驱动电压(f )作用于压电陶瓷执行器使其产生位移输出，并使用位移传感器测量出该位移形成反馈，构建闭环系统，利用闭环线性化控制对前馈线性化控制的误差进行调节，采用复合线性化控制后压电陶瓷执行器的输出位移与控制电压Ι/( )成线性关系，所述方法包括以下步骤(1)压电陶瓷执行器的输出位移与驱动电压之间的迟滞为线性分量和迟滞分量的叠加，利用Bouc-Wen迟滞算子模拟所述迟滞分量，得到压电陶瓷执行器的Bouc-Wen模型为2.根据权利要求1所述的压电陶瓷执行器迟滞特性复合线性化控制方法，其特征在于复合线性化控制方法由闭环线性化控制方法结合前馈线性化控制方法构成，而且前馈线性化控制方法也可以单独实现压电陶瓷执行器迟滞特性的线性化控制。瓷执行器的输出位移与控制电压的关系表达式为其中，为压电陶瓷执行器的输出位移；其中3.根据权利要求1所述的压电陶瓷执行器迟滞特性前馈线性化的控制方法，其特征在于待定参数4、β、/和0通过测得的压电陶瓷执行器的输入输出数据在线辨识得到。4.根据权利要求1所述的压电陶瓷执行器迟滞特性前馈线性化的控制方法，其特征在于压电陶瓷执行器的迟滞分量与驱动电压的关系还可以用其他迟滞算子描述，所述其他迟滞算子包括Dahl迟滞算子、Jiles-Atherton算子。5.根据权利要求1所述的压电陶瓷执行器迟滞特性的复合线性化控制方法，其特征在于所述闭环控制采用的控制方法包括PID控制、自适应控制、神经网络控制、模糊控制。6.根据权利要求1所述的压电陶瓷执行器迟滞特性的复合线性化控制方法，其特征在于本控制方法同样适用于电致伸缩陶瓷执行器的迟滞特性线性化。7.—种权利要求1-6之一项所述的压电陶瓷执行器迟滞特性的复合线性化控制方法的实现电路，所述电路包括控制信号发生器(1)、第一模数转换器(2)、复合线性化控制器(3)、数模转换器(4)、功率放大器(5)、位移传感器(7)、信号调理电路(8)和第二模数转换器(9)，其中，复合线性化控制器(3)包括前馈线性化控制器(3-1)和闭环线性化控制器(3-2)；其特征在于所述控制信号发生器(1)、第一模数转换器(2)、复合线性化控制器 (3)、数模转换器(4)、功率放大器(5)、压电陶瓷执行器(6)顺次连接，所述压电陶瓷执行器 (6)的输出依次通过位移传感器(7)、信号调理电路(8)和第二模数转换器(9)连接至复合线性化控制器(3)的反馈输入端，控制信号发生器(1)产生模拟控制电压，通过第一模数转换器(2)将模拟控制电压转换成数字控制信号送入复合线性化控制器(3)，复合线性化控制器(3)中的前馈线性化控制器(3-1)按照前馈线性化控制方法在数字控制信号上叠加非线性补偿信号得到数字驱动信号并送入数模转换器(4)，数模转换器(4)将数字驱动信号转换为模拟驱动电压送入功率放大器(5)，功率放大器(5)将送入的模拟驱动电压放大后用于驱动压电陶瓷执行器(6)产生位移输出，位移传感器(7)测试该位移，通过信号调理电路(8)得到准确的输出位移并输入第二模数转换器(9)，第二模数转换器(9)将位移信号转换成数字位移信号输入复合线性化控制器(3)的反馈输入端，复合线性化控制器(3)中的闭环线性化控制器(3-2 )按照闭环线性化控制方法对数字驱动信号进行修正并送入数模转换器(4)，数模转换器(4)将修正后的数字驱动信号转换为修正后的模拟驱动电压送入功率放大器(5)，功率放大器(5)将输入的修正后的模拟驱动电压放大后用于驱动压电陶瓷执行器(6)产生位移输出。8.根据权利要求7所述的压电陶瓷执行器迟滞特性复合线性化控制方法的实现电路， 其特征在于复合线性化控制器(3)使用包括DSP芯片、单片机、CPLD/FPGA芯片、ARM芯片、 计算机等拥有数字信号处理功能的芯片或系统实现。9.根据权利要求8所述的压电陶瓷执行器迟滞特性复合线性化控制方法的实现电路，其特征在于当控制信号发生器(1)产生数字控制电压时，也可以不需要经过第一模数转换器(2)，直接将产生的所述数字控制电压送入复合线性化控制器(3)，当信号调理电路 (8)输出数字位移信号时，也可以不需要经过第二模数转换器(9)，直接将所述输出数字位移信号送入复合线性化控制器(3 )。10.根据权利要求7所述的压电陶瓷执行器迟滞特性复合线性化控制方法的实现电路，其特征在于所述复合线性化控制器(3)包括前馈线性化控制器(3-1)和闭环线性化控制器(3-2)，前馈线性化控制器(3-1)包括迟滞分量观测器(3-1-1)、第一乘法器(3-1-2)和第一加法器(3-1-3)，迟滞分本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种压电陶瓷执行器迟滞特性的复合线性化控制方法，其特征在于：所述复合线性化控制方法包括前馈线性化控制和闭环线性化控制，通过前馈线性化控制将输入压电陶瓷执行器的控制电压转换为驱动电压作用于压电陶瓷执行器使其产生位移输出，并使用位移传感器测量出该位移形成反馈，构建闭环系统，利用闭环线性化控制对前馈线性化控制的误差进行调节，采用复合线性化控制后压电陶瓷执行器的输出位移与控制电压成线性关系，所述方法包括以下步骤：（１）压电陶瓷执行器的输出位移与驱动电压之间的迟滞为线性分量和迟滞分量的叠加，利用Ｂｏｕｃ－Ｗｅｎ迟滞算子模拟所述迟滞分量，得到压电陶瓷执行器的Ｂｏｕｃ－Ｗｅｎ模型为：其中，为时间；为压电陶瓷执行器的输出位移；为输出位移与补偿后的驱动电压比率常量；为补偿后的驱动电压；为初始状态下存在的位移；为压电陶瓷执行器的迟滞分量；为驱动电压对时间的一阶导数；为迟滞分量对时间的一阶导数；、、和为模型的参数；（２）利用Ｂｏｕｃ－Ｗｅｎ迟滞算子构建在线迟滞分量观测器以在线估计压电陶瓷执行器的迟滞分量，由于补偿后的电压不可知，用控制电压代替补偿后的驱动电压，得到迟滞分量的估计值，迟滞分量观测器的表达式为：其中，为压电陶瓷执行器的控制电压；为控制电压对时间的一阶导数；为迟滞分量的估计值；为迟滞分量对时间的一阶导数；、、和为模型的参数；（３）利用得到的迟滞分量的估计值，令，得压电陶瓷执行器的输出位移与控制电压的关系表达式为：其中，为压电陶瓷执行器的输出位移；为输出位移与补偿后的驱动电压比率常量；为压电陶瓷执行器的控制电压；为初始状态下存在的位移；（４）令，即为前馈线性化控制误差，采用闭环控制调节驱动电压，使得等于零，得压电陶瓷执行器的输出位移与控制电压的关系表达式为：。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王代华，朱炜，严松林，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85
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