壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器及其系統(tǒng)的遲滯現(xiàn)象模擬、線性化及控制方法的研究.pdf

1、壓電陶瓷執(zhí)行器(Piezoelectric ceramic actuators, PCAs)是一種利用壓電材料的逆壓電效應制作而成的微位移執(zhí)行器,具有體積小、能量密度高、分辨率高、頻響快等優(yōu)點,已經(jīng)成為精密定位系統(tǒng)中重要定位及驅動元件。由于基于單片壓電陶瓷晶片的壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移比較小,常常采用一定的工藝將多片壓電陶瓷晶片和電極疊合而成壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器(Piezoelectric ceramic stackactuators,

2、PCSAs)以提高輸出位移。然而這種通過一定的工藝疊合而成的壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器存在的一些缺點限制了其在快速、高精密定位系統(tǒng)中的應用:首先壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器會進一步加劇壓電陶瓷晶片的輸出位移與驅動電壓之間存在多值對應的遲滯現(xiàn)象,如何實現(xiàn)對壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的有效控制成為精密定位控制研究中的重點和難點之一;其次疊合工藝會影響壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的動態(tài)性能,甚至縮短其使用壽命。因此,壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器及其系統(tǒng)的遲滯線性化方法及壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器

3、的動態(tài)性能設計方法是壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器在快速、高精密定位系統(tǒng)中應用時必須解決的問題,開展這方面的研究具有重要學術意義和工程應用前景。為了解決上述問題,本文建立了能描述壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象的Bouc-Wen數(shù)學模型,提出了基于Bouc-Wen數(shù)學模型的線性化控制方法用于實現(xiàn)壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的遲滯線性化;建立了能夠同時模擬壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象和動態(tài)特性的綜合模型,提出了能夠合理設計壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的動態(tài)性能的方法;建立了

4、預壓緊壓電陶瓷執(zhí)行器的現(xiàn)象模型;在此基礎上,提出并實現(xiàn)了壓電致動二維微位移掃描平臺的基于現(xiàn)象模型的魯棒模型參考自適應控制方法。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點可以歸納為以下六個方面:1.提出并研究了能夠模擬壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象的Bouc-Wen數(shù)學模型。相應地提出并實現(xiàn)了能夠求取模型參數(shù)的解析解的參數(shù)辨識方法,并且在辨識過程中采用最小二乘法以降低外界隨機干擾的影響。建立相應的實驗系統(tǒng)對模型進行實驗驗證。實驗結果表明,Bouc-Wen數(shù)

5、學模型及相應的參數(shù)辨識方法能夠有效地模擬壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象,其模擬誤差在3％左右。2.通過在Bouc-Wen遲滯算子中引入非對稱因式用于模擬壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器遲滯現(xiàn)象的非對稱性,提出并研究了壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的非對稱Bouc-Wen數(shù)學模型,建立了相應地能夠求取模型參數(shù)的解析解的辨識方法。實驗結果表明,非對稱Bouc-Wen數(shù)學模型能夠很好地模擬壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象,模擬誤差與Bouc-Wen數(shù)學模型相比降低了30%左

6、右。非對稱Bouc-Wen數(shù)學模型以及相應的參數(shù)辨識方法也可以用于模擬其他具有非對稱遲滯現(xiàn)象的材料或者系統(tǒng)。3.提出了基于壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的Bouc-Wen模型的前饋線性化控制方法和前饋補償與PI反饋相結合的復合線性化控制方法。采用基于dSPACE實時仿真控制系統(tǒng)的快速控制原型技術建立了前饋和復合線性化控制方法的快速原型系統(tǒng)并對其進行實驗驗證。實驗結果表明,前饋和復合線性化控制都能將壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象線性化,而且復合控制的線

7、性化誤差比前饋控制有顯著降低,經(jīng)過線性化控制后壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器可以當成線性執(zhí)行器使用。分別采用本文提出的壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的前饋和復合線性化控制方法,建立了壓電致動微夾鉗的夾爪位移伺服控制的開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng),并實驗驗證了提出的線性化方法可以簡化了壓電致動微夾鉗的控制算法并提高其定位控制精度。4.考慮粘結層為一個無源單自由度質量-阻尼-剛度系統(tǒng),提出并建立了能夠模擬壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象和動態(tài)特性的基于Bouc-Wen遲滯算子的

8、綜合模型。根據(jù)該綜合模型,壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的疊合工藝可以看成通過改變粘結層的特性從而改變壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的動態(tài)特性但是不影響其遲滯特性,與實驗測試結果相吻合。為了設計壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的動態(tài)特性,采用彈性變形元件對壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器預壓緊,提出了確定預壓緊機構的參數(shù)的方法。仿真結果表明,該方法能夠在一定程度上有效地設計壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的動態(tài)性能。5.提出并建立了能夠模擬預壓緊壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的遲滯和動態(tài)特性的基于Bouc-Wen

9、遲滯算子的現(xiàn)象模型以及相應的參數(shù)辨識方法。實驗結果表明,該現(xiàn)象模型以及相應的參數(shù)辨識方法能很好的模擬預壓緊壓電陶瓷疊堆執(zhí)行器的輸入輸出特性。6.在上述工作的基礎上建立了二維微位移掃描平臺的現(xiàn)象模型,提出了基于二維微位移掃描平臺的現(xiàn)象模型的魯棒模型參考自適應控制方法,該方法在平臺特性發(fā)生改變、存在著外界隨機擾動和延時蠕變等情況下依然能夠快速、精確地控制微位移掃描平臺。在理論上證明了魯棒模型參考自適應控制方法的穩(wěn)定性。建立了相應的實驗系統(tǒng)對