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。

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。

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。

层叠式PVDF压电作动器及圆柱壳的振动主动控制

设计了一个层叠式PVDF压电作动器用于壳结构的振动控制。考虑压电层、粘接层、壳体耦合关系,推导了表面局部粘贴层叠式PVDF压电作动器的圆柱壳的振动控制方程,给出了作动力与压电层和粘接层层数、厚度之间的关系以及作动力与作动器粘贴位置之间的关系。针对一端固定、另一端自由的圆柱壳,进行了振动控制仿真。结果表明层叠式PVDF压电作动器作动力与作动器层数近似成线性关系,增大作动器层数能有效增大作动力,在低控制电压下能显著抑制圆柱壳振动,作动器周向不完全粘贴时,在径向产生的径向作动力对壳体横向振动控制非常有利。说明了层叠式PVDF压电作动器是一种可用于壳体结构振动并具有良好作动效果的作动器。

粘贴式压电陶瓷作动器主动控制研究

该文对粘贴式压电陶瓷作动器进行了建模,导出了考虑胶层影响的压电陶瓷晶体片与被粘贴结构的力、电关系式.使用粘贴式压电陶瓷作动器,对一段细长梁中的行波传播的主动控制方法进行了理论分析.为了验证压电陶瓷作动器的控制性能,进行了相应的主动控制试验,试验结果表明在104～305Hz频段上达到了平均减小50%的扰动行波幅值的控制效果.

压电陶瓷作动器非对称迟滞建模与内模控制

压电陶瓷作动器被广泛应用于精密定位和控制中,但其本身存在的非对称迟滞非线性特性,严重影响了系统的定位和控制精度。针对这一问题,提出了一种基于广义Bouc-Wen模型的非对称迟滞建模方法,并利用差分进化算法辨识模型参数;基于所建的广义Bouc-Wen模型构建了其具有解析形式的迟滞逆模型,并设计了内模控制方案实现对压电陶瓷作动器的精密跟踪控制;最后在压电陶瓷作动器实验平台,对所提出的建模和控制方案进行了实验验证。对压电陶瓷作动器的建模结果表明,系统建模误差均小于0.051 0,比经典Bouc-Wen模型的建模误差降低约21%～46%;对100 Hz内幅值为20μm的期望位移信号的控制实验结果表明,所提出的控制方法具有良好的实时跟踪性能和跟踪控制精度。对100 Hz期望信号的跟踪控制均方根误差为0.491 6μm,相对误差为0.040 2μm,可以很好地满足实际工程需要。

压电陶瓷微位移作动器机械特性的研究及改进

本文对应用于误差补偿的压电微位移作动器，从机械结构的角度分析了其静动态特性，指出了其缺点，给出了结构设计基本原则，并设计出一种静动态特性均有改善的微位移作动器结构。

基于压电陶瓷的空气作动器的研制及应用

研制了一种新型非接触式空气作动器,利用压电陶瓷改变空气轴承气膜间隙,从而调整气膜压力,达到改变控制力的目的。在简单分析了作动器各组成部分特性的基础上,研究了作动器的整体特性,并进一步分析了基于空气作动器的单自由度混合隔振系统。通过应用实例说明了空气作动器的可行性和有效性。

压电陶瓷作动器非对称迟滞的建模与补偿控制

针对传统Bouc-Wen模型不能反映压电陶瓷作动器迟滞的非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题,提出了一种改进Bouc-Wen模型,通过修改形状控制参数使其能够模拟压电陶瓷作动器的非对称迟滞曲线。利用粒子群优化算法辨识了所需的模型参数,进一步研究了基于模型的前馈补偿控制、前馈加PI反馈补偿控制对于实现高精度位移输出的效果;在开环前馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约42%;在前馈加PI反馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约20%。研究结果表明:在相同的控制方式下,采用改进Bouc-Wen模型能够得到比传统Bouc-Wen模型更高的轨迹跟踪精度;与单纯采用基于模型的前馈补偿控制相比,采用基于模型的前馈加PI反馈补偿控制可显著提高压电陶瓷作动器的位移输出精度。

一种新型压电陶瓷固液一体化作动器

提出了一种基于压电陶瓷的新型固液一体化作动器。该作动器通过两个压电陶瓷泵协调工作,由压电陶瓷提供动力,液压油为介质,用泵体代替普通一体化作动器中的单向阀,克服了单向阀的响应频率瓶颈,从而有效地利用了压电陶的高频响应特性,同时集成的一体化结构设计,避免了普通液压作动器的分布管路。对设计的一体化作动器进行了建模仿真,得到仿真曲线,结果表明该作动器相对体积小,输出位移大,响应频率高,承载能力强,动态特性好,并且实现了全电工作。

基于层叠式PVDF作动器的混合隔振器的设计与特性研究

设计了一种层叠式PVDF作动器并通过理论和实验的方法对其特性进行了研究,将PVDF作动器和橡胶元件相结合设计了一种新型主被动混合隔振器。在研究了比例反馈控制理论和Bang-Bang控制理论的基础上,提出一种改进的Bang-Bang控制方法并将其应用于作动器的控制。提出了混合隔振器的力学模型并通过仿真和实验的方法研究了其传递率特性。最后利用混合隔振器搭建实验平台进行实验,实验结果表明对于幅值不太大的振动扰动,混合隔振器可以比单纯被动隔振器取得更好的隔振效果,特别是在系统自然频率附近效果尤其明显,实验结果同时表明改进的BangBang控制方法相对比例反馈控制方法更加有效。

压电陶瓷作动器的改进Duhem迟滞建模

针对压电陶瓷作动器自身存在的迟滞特性,且在高频信号下迟滞现象更严重的问题,该文提出了一种基于单输入单输出关系建立的改进Duhem模型。根据实验测得压电陶瓷作动器输入输出数据,采用差分进化算法辨识得到作动器的参数化模型,并通过与经典Duhem模型进行对比,验证了该模型的有效性。实验结果表明,与经典Duhem模型相比,改进Duhem模型在输入频率为1 Hz、20 Hz、60 Hz和100 Hz时,相对误差下降了0.0121~0.0315,均方根误差下降了0.3777~1.2248μm,证明了该文所提出模型的有效性。

压电陶瓷作动器的率相关迟滞建模与内模控制

针对压电陶瓷作动器的率相关迟滞特性,建立了基于广义Bouc-Wen模型的Hammerstein率相关迟滞非线性模型,分别以广义Bouc-Wen模型和自回归历遍模型来代表Hammerstein模型中的静态非线性部分和线性动态部分,并辨识模型参数。在此基础上,得到Hammerstein模型的逆模型,通过构造其正、逆模型设计了内模控制方案,最后在试验平台上对控制方案进行了验证。实验结果表明,对100Hz以内期望信号的跟踪控制相对误差均小于9%,证明了所提出的模型和内模控制策略的有效性。

基于层叠式平面DE作动器的柔性薄壁结构振动控制研究

为了降低单层平面DE作动器的控制电压,提出了一种层叠式平面DE作动器,并开展了基于层叠式平面DE作动器的柔性薄壁结构振动主动控制研究。结合介电弹性体(DE)材料的力电耦合模型,基于哈密顿变分原理,建立了含层叠式平面DE作动器的柔性悬臂梁系统振动控制微分方程。基于比例反馈控制策略,利用不同层数的层叠式平面DE作动器对悬臂梁系统进行了振动主动控制的仿真研究。结果表明,层叠式平面DE作动器对柔性薄壁结构具有良好的振动控制效果,同时相比于单层平面DE作动器,控制所需电压可以降低30%以上,从而为DE作动器的低电压驱动应用提供了一条可行的技术途径。

惯性式多自由度压电作动器的结构设计与实验

提出了一种惯性式多自由度压电作动器,该作动器利用梁的面内二阶弯振和面外二阶弯振作为工作模态,以锯齿波作为激励电信号,依靠转子的惯性力,克服滑动摩擦力驱动转子绕Z轴和α,β,γ轴旋转。分析了惯性式多自由度压电作动器的驱动机理,并利用Comsol Multiphysics 5.3a对压电振子进行了分析,确定了压电振子的工作模态。实验样机的机械特性实验结果表明,作动器绕Z轴和绕α,β,γ轴旋转的最优工作频率分别为46.8 kHz和80.1 kHz。在电压有效值为60 V的条件下,作动器绕Z轴旋转的最高转速可达162 r/min,堵转扭矩可达1 mN·m;绕α,β,γ轴旋转的最高转速分别可达305 r/min,310 r/min和300 r/min,堵转扭矩可达2 mN·m。作动器绕α,β,γ轴旋转的角度范围可达±36°。惯性式多自由度压电作动器结构紧凑,极大地减小了现有多自由度压电作动器的体积,可应用于姿态调整、类人机器人眼球和精密指向系统等领域。

基于最小二乘支持向量机的压电陶瓷作动器内模控制

针对率相关迟滞特性对压电陶瓷作动器的影响,研究了基于最小二乘支持向量机的内模控制策略。首先采用最小二乘支持向量机对压电陶瓷作动器进行动态建模,然后得到了基于最小二乘支持向量机的系统逆模型。在此基础上设计了内模控制器以实现对压电陶瓷作动器的精密控制。最后,通过构建的压电陶瓷作动器实验平台进行了实验,完成了对模型和控制方法的验证。实验结果表明,采用所设计的内模控制策略跟踪100 Hz以内的单一频率或复合频率信号时,各个频率的相对误差均在10%以下,验证了该控制策略的有效性。

基于H-like模型的压电陶瓷作动器内模控制

针对压电陶瓷作动器的率相关特性降低应用端控制精度的问题,该文研究了基于Hammerstein-like模型的内模控制策略。其中非线性部分由最小二乘支持向量机模型表示,动态线性部分由自回归历遍模型表示。在此基础上构建了系统逆模型,设计了内模控制器以实现对压电陶瓷作动器的跟踪控制,最后通过实验平台进行了验证。实验结果表明,实时跟踪100 Hz内的期望信号相对误差均小于10%,证明了所设计内模控制方案的有效性。

压电陶瓷作动器静、动态特性的实验研究

介绍了压电陶瓷作动器的静、动态特性及其测量方法和实际测量系统 .对逆压电效应型作动器的性能进行了实验研究 .实验结果表明其静态特性线性度好、重复精度高 ,在 5 0Hz以下的低频段 ,幅频特性平直 ,相频特性呈线性 .因此 ,逆压电效应型作动器适用于对线性度要求较高的精密控制场合 .

基于专利分析的压电陶瓷作动器技术现状及产业发展策略研究

电子陶瓷元件的研究已成为我国科技发展战略的重要部署。本文从全球专利申请趋势、技术领域、技术构成功效、技术生命周期、技术路线等方面分析了压电陶瓷作动器宏观态势;并从全球地域排名、主要申请人、技术路线、新进入者、合作申请人等方面进行了压电陶瓷作动器专利竞争力分析,并提出压电陶瓷作动器产业发展的五点建议:建立专利预警机制,突破专利壁垒;利用技术功效分析,挖掘新技术增长点;加强产学研合作,优势互补形成稳定合力;借助法律状态,规避知识产权风险。

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。