压电陶瓷作动器的卡尔曼滤波输出反馈预测控制

为了抑制压电陶瓷的迟滞、非线性特性对压电微定位平台精度的影响,建立反映压电陶瓷作动器频率依赖迟滞非线性特性的Hammerstein模型:利用非对称Bouc-Wen模型来表示静态迟滞非线性和利用动态线性模型表征信号频率的影响。针对迟滞补偿器不能完全的进行补偿,并且存在噪音干扰实验设备,采用基于卡尔曼滤波的预测控制,提高压电微定位平台的控制精度。预测控制用来减小逆补偿误差以及建模误差等模型不确定性的影响,卡尔曼滤波用来获得系统的状态估计值。实验结果显示,该控制器在正弦波信号下的相对跟踪误差小于0.68%,三角波信号下相对跟踪误差小于0.70%。在迟滞补偿的基础上,采用卡尔曼滤波的预测控制,该方法可以有效地完成对微定位平台的高精度跟踪。

耳膜激振式压电作动器的设计与测试

为解决传统助听器高频增益受限及中耳植入物需侵入性手术的问题,文中设计、制作和测试了一种直接驱动耳膜的压电作动器。该作动器是一种新型的听觉假肢,融合了完全耳道式助听器的放置方式与中耳植入物的音质。作动器的前端直接激励耳膜,补偿患者的听力损失。针对压电叠堆存在输出位移不足的问题,引入了复合二级位移放大器,并采用多目标遗传算法对其位移放大比进行了优化。为优化作动器的频率特性,建立了作动器-人耳耦合力学模型,通过有限元分析确定了作动器的最佳结构参数。制作出作动器样机,并进行了测试试验,评估其听力补偿性能。结果表明:该作动器具有工作频带宽(0.1~10 kHz)、谐波失真度小(THD≤0.12%)、无需侵入性手术及高频性能优异的优点。因此,该作动器适用于耳膜激振的听损补偿,为感音神经性听力损伤的临床治疗提供一种新的方案。

压电纤维复合材料对悬臂结构的作动行为研究

压电纤维复合材料(macro fiber composite,MFC)是由美国NASA研发的综合性能优秀的新型压电材料,掌握MFC的力学行为有利于将其投入结构变形控制、减振降噪和健康监测等领域.目前对MFC宏观力学行为的研究中缺乏对作动力与驱动电压直接关系的研究,现有的以MFC为作动器的应用中所使用力电关系的精度有限,不利于将MFC投入更精密的使用场景.针对此问题,文章采用经典板理论,考虑了MFC与受控结构的相对尺寸,推导了MFC对悬臂结构的作动力方程.为兼顾计算的准确性和便利性,建立了考虑MFC叉指电极真实电场的精细有限元模型开展压电静力仿真,给出将MFC叉指电极的弯曲电场简化为匀强电场的修正系数.搭建MFC-悬臂梁结构的实验装置,对有限元模型和作动力公式加以验证.精细模型与简化模型的仿真结果与实验进行对比,总体误差较小,验证了模型和修正系数的可靠性.理论计算与仿真结果对比,误差在1%以内,表明所得作动力预测公式在较大的宽度比范围内均具有较好精度.建立的MFC作动力模型对MFC应用于悬臂结构的变形控制和振动抑制有一定指导意义.

多层并联压电作动器快速响应的尺寸优选

压电作动器是星载卫星天线高精度形面控制的主要元件,但其在工作时加载电压后容易引起瞬态和残余振动,影响控制稳定性和控制精度。针对压电结构在动态形状主动控制过程中的振动抑制问题,课题组设计了一种具有位移放大的多层并联压电作动器结构,并对压电作动器在阶跃激励下的瞬态响应进行分析,揭示了中间层材料和结构尺寸等关键参数对作动器响应速度的影响规律,提出了压电双晶片作动器快速响应的尺寸优选方案。研究结果表明设计的压电作动器具有输出位移大、响应速度快的特点。该研究可为大型天线形面主动控制的高精度作动器研制提供依据和技术支撑。

压电陶瓷作动器的MPI动态迟滞建模与控制

压电陶瓷是一种具有迟滞非线性的智能材料。为了实现系统的精密跟踪控制,提出一种基于MPI(modified Prandtl-Ishlinskii)的Hammerstein动态迟滞模型,并基于该模型设计了滑模跟踪控制方案。在play算子的上升边沿和下降边沿阈值处引入了延时系数,并串联死区算子构成改进的非对称PI(Prandtl-Ishlinskii)模型,基于MPI的Hammerstein动态迟滞非线性模型可以描述压电陶瓷作动器的率相关迟滞特性。通过采集在单频率10 Hz,40 Hz,80 Hz和复合频率10~90 Hz正弦输入电压信号下的压电陶瓷作动器的位移数据,并采用粒子群算法和最小二乘递推方法辨识MPI模型参数和ARX(auto regressive model with exogenous input)模型参数,验证了模型的可行性,相较于基于经典PI的Hammerstein动态迟滞模型,模型误差分别降低了37%,42%,35%和24%。最后,构建迟滞补偿器,利用Hammerstein模型的模块化特点,提出一种可以实现对系统动态跟踪控制的滑模控制方案,并搭建了滑模控制压电系统试验平台,对单频率1 Hz,40 Hz,80 Hz和复合频率10~90 Hz的正弦输入电压信号进行了微位移实时跟踪控制试验,试验中的相对误差在7.62%以内,均方根最大误差为1.8573μm,表明所提出的滑模控制器有较强的跟踪性能。

初压力控制式圆窗激振压电作动器设计与优化

针对临床上所用的圆窗激振人工中耳不是针对该激振方式设计,存在术后补偿性能个体差异大、性能不稳定、增益值达不到理论值的问题,设计了一款作动端与圆窗膜尺寸匹配、初始压力可控的圆窗激振压电作动器。首先,结合人耳解剖结构,设计了作动器的机械组成结构及宏观尺寸;其次,对弯张放大器进行受力分析,采用粒子群算法对弯张放大器进行优化设计,以获得最优输出位移放大倍数;再次,构建了压电作动器-人耳耦合力学模型,分析了支撑弹簧横截面积与压电叠堆层数对作动器听损补偿性能的影响,确定了该设计参数;最后,根据确定的设计尺寸制造了压电作动器样机,搭建了激光测振试验台,对压电作动器的动态特性进行了测试。试验结果表明,所设计的圆窗激振式压电作动器作用在圆窗膜上的初始压力可控,且具有工作频带宽(100~10000 Hz)、谐波失真低(THD≤0.29%)的优点。该压电作动器适用于圆窗激振的听力损伤补偿,为混合性听力损伤的临床治疗提供一种新的方案。

考虑作动器饱和的结构振动多层级分布式瞬时最优控制

针对结构振动主动控制问题,提出了一种含作动器饱和约束的多层级分布式瞬时最优控制方法。首先,基于Newmark-β法动态子结构技术,将整体系统分解为一系列多层级分布的子系统,并建立面向分布式控制的子系统动力学模型。然后,基于不同层级的动力学模型,采用瞬时最优控制策略,以出口节点状态作为各相邻子系统之间的信息交互,对各子系统设计独立的局部子控制器。最后,基于参变量变分原理,将具有作动器饱和约束的瞬时最优控制问题转化为线性互补问题,求解该线性互补问题,从而获得相应的子系统控制律。为验证所提算法的有效性,以平面简支梁和大型空间智能索网天线结构振动控制为例进行数值仿真,结果表明:所提多层级分布式瞬时最优控制方法能有效地抑制结构的振动响应,其设计灵活、具有良好的容错性,并且作动器饱和约束可直接通过求解线性互补问题而得以满足。

尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究

针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求,考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点,仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。首先,利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷(Pb-Zr-Ti,简称PZT)叠堆的输出位移,以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量,将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组,分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源,以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长;其次,借助有限元仿真分析软件,研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法,并实验验证该方法的可行性;然后,简化柔性铰链式位移放大机构,提出放大倍数的数值分析方法,对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析,并验证放大倍数的数值分析方法的准确性;最后,基于设计的线性作动器开展实验研究。结果表明:位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3,处于理论值与仿真值之间;在激励电压频率为5 Hz时,作动器的最大空载移动速度为413μm/s;作动器的最大推动力为16 N,对应的驱动速度为19μm/s。以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。

含压电作动器和传感器的复合材料层板静变形有限元分析和形状控制研究

本文研究了含压电作动器和传感器层的复合材料层板理论，建立了位移和电自由度的四节点有限元素，利用总势能最小原理推导了静力平衡方程，实现和验证了含压电作动器／传感器复合材料层板静态分析有限元程序。并对该类复合材料层板进行了形状控制研究。

面向翼面展开的压电直线位移累积作动器轻量化设计

现代小型制导飞行器中常用的电磁式伺服舵机存在寄生磁场影响导航制导精度,同时其减速机构将增加舵机系统体积与质量的问题,而且电磁舵机的工作温度范围较小。近期发展的一种新型压电直线位移累积高功率密度作动器能够有效解决这些问题。建立了该作动器的虚拟样机模型,通过与实验数据进行对比,验证了虚拟样机模型的可靠性。为使作动器在满足翼面展开需求下质量最轻,采用Isight与Adams联合仿真,对压电作动器的压电堆外径、长度、激振频率等参数进行了优化,最终达到了50.8 W/kg输出功率,实现了与现有伺服电机相当的功率密度。

复合材料自适应结构中压电作动器的位置设计

采用灵敏度分析方法，研究了复合材料板壳型自适应结构中压电作动器的位置设计．通过分析各位置上压电作动器对结构各部分的控制灵敏度，获得压电作动器最佳控制效率的位置序列，并据此布置压电作动器．以不同边界条件下板梁结构的动力学响应抑制和准静态变形控制为例，进行了数值验证，证明此方法所得结果正确．该方法原理简明、计算效率高，可为板壳型自适应结构的作动器铺层位置设计和控制电压分布设计提供依据．

压电作动器的高斯过程回归建模

针对压电作动器所存在的迟滞非线性问题,提出了一种基于高斯过程回归的压电作动器建模方法,用高斯过程来表征压电作动器的电压与位移之间的非线性关系,采用粒子群优化算法对高斯过程中协方差函数所包含的三个超参数进行辨识,并与传统的Bouc-Wen模型下的压电作动器的迟滞性结果进行对比。实验仿真结果表明,在信号频率(1~100)Hz范围内,高斯过程回归模型所建立的压电迟滞模型最大均方根误差为0.5329μm,最大相对误差为3.23%,相比于传统的Bouc-Wen模型,高斯过程回归模型模型在10 Hz、50 Hz、80 Hz、100 Hz处的建模误差分别降低了约15%、29%、67%、72%.

压电作动器振动抑制系统可靠性评估及优化设计

作为结构振动抑制的有效手段,压电作动器振动抑制系统在结构振动控制中逐步得到应用。但是长服役期内压电作动器的性能退化/失效会导致整个振动抑制系统的服役可靠性退化,确定性优化方法得到的方案难以保证系统的服役可靠性。针对服役期内压电振动抑制系统的可靠性评估及优化设计问题,分析了压电作动器性能退化和失效下振动抑制系统的失效机理,构建了基于嵌套抽样和加权统计的振动抑制系统可靠性评估方法,解决了具有载荷共享和冗余特征的振动抑制系统可靠性评估问题,提出了基于主从式并行遗传算法的压电作动器可靠性布局优化方法,实现了作动器的位置和角度优化。通过算例证明了可靠性布局优化的可行性和有效性,为服役期内振动抑制系统的高可靠性设计提供理论基础,也可为结构振动控制这一工程问题提供新的解决思路。

压电作动器对热变形层合板形状修复研究

基于一阶剪切效应Mindlin板理论,建立了在热载下含分布式压电作动器的复合材料层合板有限元分析模型和控制方程,分别研究了该板在内外表面存在温差的情况下的热变形,以及使用压电作动器对热变形区域进行形状修复的问题;在分析中考虑了压电作动器与复合材料层合板间含有胶接层的影响。由典型算例结果讨论,得到如下结论:1)使用压电作动器可以有效地对复合材料层合板的表面热变形形状进行修复;2)压电作动器的分布位置对修复效果影响很大;3)在电压达到一定数值后,继续增加电压值对修复效果贡献很小。

磁致伸缩材料作动器在振动主动控制中的应用研究

磁致伸缩材料作动器是一种具有特色的机敏材料作动器。本文在自行研制Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ作动器及其特性试验的基础上，研究该类作动器在主动隔振与主动吸振中的应用。文中提出并导出了多通道前馈控制的时延滤波—ｘＬＭＳ法，并就这种算法的收敛性进行进一步的讨论。

大型薄膜衍射太空望远镜的压电振动主动控制

随着航天技术的发展,大型薄膜衍射太空望远镜以其质量体积小、成像分辨率高、易折展等优点获得广泛的关注与研究.本文对大型薄膜衍射太空望远镜结构进行振动控制研究,给出基于压电作动器的振动控制方案.首先采用有限元方法建立结构的动力学模型,然后根据可控性准则进行作动器位置寻找,之后基于模糊Proportional-Derivative (PD)算法设计控制律,最后通过数值仿真验证本文研究方法的有效性.本文中,还通过数值仿真研究了压电作动器数量与控制稳定所需时间的对应关系,另外还进行了控制律鲁棒性的研究.

压电作动器的动态迟滞建模与H∞鲁棒控制

压电作动器具有率相关动态迟滞非线性特性,给传统建模和控制技术提出了挑战.本文针对压电作动器,提出了一种基于Bouc-Wen的Hammerstein率相关迟滞非线性模型,其中Bouc-Wen模型和线性动态模块分别用于描述系统的静态迟滞非线性特性和率相关特性.同时,构造了一个基于Bouc-Wen模型的迟滞补偿器,将迟滞补偿器与被控对象串联使系统线性化;并建立了不确定性系统模型,提出了一种H∞鲁棒跟踪控制方案,可以实现给定频率范围内单频率和复合频率参考信号的良好跟踪.实验结果表明,所建动态模型具有良好的泛化能力,跟踪控制相对误差小于8%,证明了所提出方法的有效性.

基于径向基神经网络的压电作动器建模与控制

针对压电作动器(piezoelectric actuator,PEA)的率相关迟滞非线性特性,构建了Hammerstein模型对压电作动器建模.采用径向基(radial basis function,RBF)神经网络模型表征迟滞非线性,利用自回归历遍模型(auto-regressive exogenous,ARX)表征频率的影响,并对模型参数进行了辨识.此模型可以在信号频率在1～300 Hz范围内时,较好地描述压电作动器的迟滞特性,建模相对误差为1.99%～4.08%.采用RBF神经网络前馈逆补偿控制,结合PI反馈的复合控制策略实现跟踪控制,控制误差小于2.98%,证明了控制策略的有效性.

基于压电作动器的直线电机及其高效驱动

由于传统的压电作动器驱动易造成严重发热、波形欠佳以及处理速度要求较高等问题,本文提出了一种新型的基于压电作动器的非共振型直线电机及其驱动方式。为满足作动器大容性负载特性及其驱动器对高频率的需求,通过电路匹配分析,提出了直流升压变换器和谐振变换的驱动方案,设计了偏压电路使输出驱动波形满足作动器驱动电压的要求。采用傅里叶变换对设计的电路波形及电路功率进行了分析与计算,结果显示采用新驱动方式电路消耗的功率仅是线性驱动方式的61.7%。将设计的新驱动电路用于双作动器驱动的新型非共振型直线电机驱动实验表明,电机运转平稳,电路功耗小,实现了变频和变压驱动。

菱形微位移压电作动器的输入输出线性建模

针对某定位装置的位移输出问题,研究了一种新型菱形微位移压电作动器,该压电作动器包括压电陶瓷、菱形微位移放大机构以及柔性铰链部分。对菱形微位移放大机构的放大系数进行了分析,发现该放大机构具有把压电堆的原始位移输出从30μm放大到100μm的能力,放大倍数与菱形环自身夹角θ有关,并且在压电堆输出范围内为比例放大,这些结果可以为更大放大系数的菱形环设计提供依据。建立了该菱形微位移压电作动器输入输出关系的理论线性模型,并将线性模型的模拟结果与实验结果进行了对比,证明该压电作动器线性模型具有较好的精度,能比较准确地反映微位移压电作动器的输入输出关系。