【摘 要】
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近年来,随着微系统技术的不断发展,传统电机的驱动方式已无法满足高精尖产业的精度要求。压电陶瓷执行器具有以下优点:高分辨率、快响应速度、体积小、稳定性好等,拥有传统电机无法比拟的优势,被广泛应用于精密驱动系统。然而,压电陶瓷执行器固有的迟滞非线性严重影响了精密定位系统的精度以及稳定性。压电陶瓷的迟滞非线性不仅与当前时刻输入电压的幅值有关,还与历史输入电压的幅值有关,同时还受到输入电压频率的影响,大大
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近年来,随着微系统技术的不断发展,传统电机的驱动方式已无法满足高精尖产业的精度要求。压电陶瓷执行器具有以下优点:高分辨率、快响应速度、体积小、稳定性好等,拥有传统电机无法比拟的优势,被广泛应用于精密驱动系统。然而,压电陶瓷执行器固有的迟滞非线性严重影响了精密定位系统的精度以及稳定性。压电陶瓷的迟滞非线性不仅与当前时刻输入电压的幅值有关,还与历史输入电压的幅值有关,同时还受到输入电压频率的影响,大大增加了迟滞建模、模型参数辨识以及补偿控制的难度。针对以上问题,本文开展了对压电执行器迟滞特性的研究,主要研究内容如下:首先,从压电陶瓷的极化过程、压电效应以及压电方程分析了压电执行器的驱动原理。压电陶瓷的迟滞特性、蠕变特性和温度特性都会使压电陶瓷产生非线性,其中迟滞引发的非线性最为显著。针对迟滞非线性,从压电陶瓷的微观极化和电畴转向两方面分析了其产生的根本原因,为研究压电执行器具有的迟滞特性奠定了良好的理论基础。其次,压电陶瓷迟滞非线性的复杂性,增加了迟滞模型的复杂性,使得迟滞模型参数的求解成为了难题。为了克服经典粒子群优化算法辨识迟滞模型参数的过程中,容易出现过早收敛、陷入局部最优导致算法辨识精度低的问题。本文提出了一种改进粒子群优化算法,增加了粒子的搜索模式加快粒子的搜索,同时,引入变异因子丰富了粒子群的多样性,可避免粒子陷入局部最优。对四种标准测试函数的实验结果证明了改进粒子群优化算法具有更高的辨识精度。再次,探讨了经典Prandtl-Ishlinskii模型建模的特点以及存在的问题,为改善经典Prandtl-Ishlinskii模型的不足,采用串联单边死区算子模型的方式对其进行了改进,建立了改进Prandtl-Ishlinskii迟滞模型以及其逆模型。利用改进粒子群优化算法,拟合了不同频率下压电执行器的迟滞特性曲线,验证了改进后的PrandtlIshlinskii迟滞模型拥有更高的精度。最后,搭建了压电执行器位移数据采集系统,通过软件编程的方式,实现了驱动电压与位移信号的同步采集。辨识了改进Prandtl-Ishlinskii迟滞逆模型的参数,构建了前馈控制器,对压电执行器迟滞非线性实现了有效的补偿。针对前馈控制抗干扰能力差、控制精度受建模精度的影响较大等问题,研究了基于迟滞逆模型的PID复合控制方法。以上实验结果证明了改进粒子群优化算法、改进PrandtlIshlinskii迟滞模型、基于改进Prandtl-Ishlinskii迟滞逆模型的前馈控制方法及PID复合控制方法的有效性、可行性。
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