压电陶瓷驱动器的动态迟滞建模与实验研究

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压电陶瓷驱动器具有输出能量密度大、稳定性好、控制精度高、低能耗以及响应快等优点,成为微操作系统中动力源的首选。但它还具有迟滞非线性、蠕变特性、温度特性等负面特性,严重影响着它的输出精度,其中迟滞非线性的影响最为突出。同时实验研究表明压电陶瓷驱动器的迟滞非线性还具有电压变化率相关性,即具有动态迟滞非线性。而现有的很多迟滞模型只能描述静态迟滞非线性,当驱动电压变化率变化范围较大时,会引起较大的误差。本论文针对上述问题,基于Preisach迟滞模型,研究了一种既能够描述压电陶瓷驱动器的静态迟滞非线性,同时又能满足动态迟滞非线性的动态Preisach迟滞模型,并对其进行了理论及实验研究。本论文中首先从理论上分析了压电陶瓷驱动器的驱动机理,并且通过实验研究了其静态以及动态迟滞非线性,实验结果证明了动态迟滞非线性的存在,并且发现随着电压变化率的增大,压电陶瓷驱动器的迟滞性以及最大输出位移均逐渐减小,而非线性的变化则相对不大。然后对经典Preisach迟滞模型进行了深入的研究分析,研究了其体现非线性以及迟滞性的本质以及模型的两个特性:擦除特性和一致特性。接着在此基础上研究了广义非线性Preisach迟滞模型的适用性与实用性,并且对其计算公式进行了改进,使计算公式摆脱了对二阶回转曲线数据的依赖,简化了计算。将动态特性与广义非线性Preisach迟滞模型结合起来,研究了一种动态Preisach迟滞模型。模型除了具有广义非线性Preisach迟滞模型对静态迟滞非线性的描述能力外,还具有了描述动态迟滞非线性的能力。并通过引入动态镜像系数,推导出其离散化计算公式。最后,通过设定相关的实验,获得了建立动态Preisach迟滞模型所需要的一阶回转曲线数据库以及动态镜像系数数据库。并且分别在多种不同的情况下比较了静态以及动态Preisach迟滞模型对压电陶瓷驱动器的建模精度,实验结果表明动态Preisach迟滞模型无论在静态还是动态情况下都能够达到比静态广义非线性Preisach迟滞模型更好的输出精度。
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