压电驱动系统迟滞非线性-机械振动复合控制方法

针对压电驱动系统中普遍存在的非线性及振动问题,提出了一种基于力反馈和输入信号轨迹优化方法的复合控制方法。首先,构建了压电驱动系统的动力学模型,推导了压电驱动器输入电压与力传感器输出电压之间的传递函数。在此基础上,引入积分环节,通过零极点的配置实现了系统阻尼比的主动控制,搭建了力反馈闭环控制系统。对输入信号激振机理进行了溯源分析,提出了基于最小加速度准则的输入信号轨迹优化方法。在此基础上,搭建了压电驱动系统复合控制平台,对控制效果进行了试验验证。试验结果表明,通过复合控制方法50 Hz时的压电驱动系统跟踪误差由9.33%下降为1.87%。与开环位移响应相比,系统跟踪精度提高了约4倍。与仅采用力反馈的闭环控制方法相比,系统跟踪精度提高了约1.6倍。

压电陶瓷驱动器迟滞非线性的修正Rayleigh模型建模及实验验证

针对压电陶瓷驱动器建模复杂的技术难点,本文提出了一种基于修正Rayleigh模型的动态迟滞非线性建模方法。首先,针对压电陶瓷材料的机电响应特性,构建了压电驱动器的线性本构方程;然后,基于迟滞效应成因及其微观机理研究,提出了采用Rayleigh模型的非线性建模方法;在此基础上,采用一阶线性方程描述压电驱动器频率相关特性并通过实验验证其有效性;之后,采用双Rayleigh系数,构建了非对称Rayleigh模型;最后,实验验证了Rayleigh模型在压电陶瓷驱动器次环响应中的适用性。

压电陶瓷驱动器迟滞非线性误差的建模与分析

压电陶瓷驱动器的最大迟滞非线性误差可以超过输出行程的15%,而快刀伺服系统(FTS)要求重复定位精度优于10 nm,相对线性度误差优于0.5%,压电陶瓷驱动器的误差无法满足该精度要求;首先对压电陶瓷迟滞非线性误差进行实验分析,将迟滞非线性误差分为频率无关迟滞现象和频率相关迟滞现象;接着对Bouc-Wen(BW)和Prandtl-Ishlinskii(PI)的频率无关迟滞模型进行修正和对比,确定了采用PI模型描述本文的频率无关迟滞现象,PI模型对频率无关迟滞曲线的辨识精度为0.392%;然后设计基于Hammerstein模型的频率相关迟滞模型,Hammerstein模型对频率相关迟滞曲线的辨识误差相比PI模型时,其均方根值降低了88.068%;提出了压电陶瓷驱动器迟滞非线性误差的建模方法,并分析了其有效性和准确性,给FTS伺服控制提供了一种实用的前馈控制器。

压电陶瓷迟滞非线性前馈补偿器

为了有效补偿压电陶瓷的迟滞非线性,提出了基于STOP算子的改进PI模型以改善传统基于PLAY算子的PI模型解析求逆的复杂过程以及通过插值算法求逆的大量耗时。介绍了传统的基于PLAY算子和基于STOP算子的PI模型,然后基于STOP算子的叠加形式建立了以预期位移为输入,以控制电压为输出的PI模型,并将这一模型直接作为前馈控制器补偿压电陶瓷的迟滞效应。为了更好地平衡全局寻优与局部寻优能力,对粒子群优化算法进行了改进,利用其辨识出各算子的权值。最后,利用实验的方法验证了改进的PI模型对迟滞非线性的补偿效果。进行了两组实验测试,结果显示:无论对于规律变化还是随机变化的输入,提出的改进PI模型都可以很好补偿迟滞非线性,跟踪误差可控制在1%以内。因此,基于STOP算子的改进PI模型在压电陶瓷控制领域中具有很好的实用价值。

栓接结合部迟滞非线性等效线性化方法

由于栓接结合部强的非线性特性,要建立和求解这类非线性模型以及实现与其他模型的耦合极为困难。为体现栓接结合部等效非线性特性和便于工程应用,首先将结合面简化为光滑刚性平面与粗糙表面的接触问题,建立单个微凸体力-位移本构关系;然后根据Masing准则和切向力模型,建立栓接结合部在单个循环周期下的恢复力模型,并假设在稳态激励和振动幅值很小的情况下,利用平均法建立栓接结合部等效线性化的刚度与阻尼模型。为验证所建栓接结合部恢复力模型和等效线性化模型的正确性,分别搭建恢复力实验平台和模态测试实验平台,并利用有限元法将栓接结合部等效线性化模型与有限元模型耦合,建立考虑栓接结合部特性的整体结构动力学模型,最终通过两组实验验证两类模型的正确性。

基于双曲函数的Preisach类迟滞非线性建模与逆控制

为了补偿压电双晶片驱动器的迟滞非线性,提出了基于双曲函数的Preisach类迟滞非线性建模方法,并用该模型设计了压电双晶片驱动器的逆控制器。首先,用两个双曲函数分别拟合迟滞主环的上升段与下降段,利用坐标变换描述依附于主环的一阶曲线;然后,根据Preisach模型理论的记忆擦除性与次环一致性,基于一阶上升与下降曲线分别描述了次环的上升段与下降段。由于这种建模方法所需的参数远小于Preisach等经典迟滞模型,非常适用于压电驱动器等智能材料系统。实验结果显示,基于这种迟滞非线性模型设计的逆控制器,控制后的最大误差比控制前减小了44.26%,有效地提高了压电双晶片驱动器的定位控制精度。

压电驱动器记忆特性迟滞非线性建模

考虑压电驱动器固有的迟滞特性对驱动器定位精度的影响,提出了一种精确描述压电驱动器迟滞非线性特性的建模方法。根据迟滞曲线的运动规律,并且考虑迟滞曲线的记忆更新特性,新的迟滞数学模型修正了单纯采用抛物线拟合时的建模误差。为了验证模型的有效性,以PST150/7/40VS12型压电陶瓷驱动器为例进行了试验研究。研究显示,采用抛物线迟滞模型对一阶反转输入信号进行预测时,最大误差为0.141 3μm,均方误差为0.060 4μm,对复杂信号模型预测的最大误差为1.396 0μm,均方误差为0.856 6μm;采用修正后的模型对文中复杂信号建模时,最大误差为0.237 0μm,均方误差为0.09μm。实验结果表明,修正后的模型不仅能够满足迟滞曲线的运动规律,还能够满足迟滞非线性的记忆更新特性,可以比较精确地描述复杂输入信号下的迟滞非线性特性。

压电陶瓷振动传感器的迟滞非线性误差补偿研究

针对振动测试中压电陶瓷传感器的迟滞非线性会影响检测精度的问题,分析了压电陶瓷的微观极化机理,解释了压电陶瓷传感器产生迟滞非线性的原因。为了有效补偿压电陶瓷的迟滞非线性,提高检测精度,提出了一种可以反映压电陶瓷传感器非对称迟滞特性的改进Bouc-Wen模型,研究并给出了模型参数对迟滞曲线的大小、形状及平稳性影响关系和逆模型的求取方法。利用改进Bouc-Wen逆模型作为补偿器来补偿压电陶瓷传感器的迟滞非线性,实验验证结果表明:采用逆补偿后,校正位移总是能够很好跟踪传感器的实际输入位移,有效保证了检测精度。

基于坐标变换的压电陶瓷执行器迟滞非线性模型研究

在实验测量的基础上,基于压电陶瓷执行器位移-电压曲线各升程之间、各回程之间的近似相似性,采用坐标变换方法,建立了压电陶瓷执行器位移-电压之间的迟滞非线性模型.该模型只用第1个升回程的实测值,便可实现对以后任意升回程各点的跟踪;其不仅适用于驱动电压为周期信号的情形,也适用于非周期信号的情形.实验研究了不同的电压驱动过程、驱动电压频率、驱动循环次数、晶片厚度对模型精度的影响.结果表明,当驱动次数不是很高时,模型相对于实测值的误差很小,为2.8%;当驱动次数很高时,模型相对于实测值的误差变大.

周向长弧形弹簧式双质量飞轮迟滞非线性扭转特性模型研究

周向长弧形弹簧式双质量飞轮(DMF-CS)的扭转特性是扭转刚度及阻尼作用的综合效果,能更贴切地反映DMF-CS的隔振、阻振特性。对DMF-CS的扭转特性进行仿真分析,获得了不同摩擦因数下的扭转特性迟滞非线性曲线。仿真结果表明其滞回面积随摩擦因数的增大而增大,且以无摩擦时的扭矩曲线为基架。根据仿真分析结果建立了该DMF-CS的迟滞非线性扭转特性模型。进行了该DMF-CS扭转特性试验,应用试验数据对建立的模型进行了参数识别,模型识别结果与试验结果较接近,从而验证了模型的可靠性。

迟滞非线性系统的建模与控制

介绍了对不平滑、多映射迟滞非线性系统的研究成果,重点阐述了迟滞建模与控制器设计的研究现状.详细地分析比较了Preisach模型和线性迟滞模型优缺点.在控制器设计方法方面,比较了常用的两类基于逆模型补偿方案的特点、差别和适应范围,并扼要论述了其他控制方案.最后,对迟滞研究中仍需解决的问题和未来发展方向进行了探讨.

迟滞非线性二元机翼颤振特性分析

采用多项式迟滞非线性模型建立二元机翼气动弹性运动方程,并用数值积分法进行求解。通过系统响应振幅随来流速度变化的分叉图和频谱分析发现,俯仰方向由于含有非线性因素,振动中的高阶分量随速度提高不断增加,并引起高次分叉。重点研究“机翼/空气”质量比以及“沉浮/俯仰”两个自由度的自然振动频率比对非线性颤振速度边界的影响,并提出可以通过提高自然振动频率比来减小迟滞非线性因素的不利影响。

悬架迟滞非线性特性对汽车平顺性的影响

首先建立了悬架系统的数学模型。由于悬架系统中具有众多的橡胶减振元件,其应力—应变循环具有变刚度变阻尼的非光滑、强非线性特性,恢复力表现出与变形历史有关的迟滞性。为了建立其数学模型,论文将恢复力分解成非迟滞非线性弹性恢复力和纯迟滞非线性阻尼力两部分,并用多项式和类椭圆函数分别进行模拟,用所建模型重构恢复力—位移迟滞回线,与试验结果吻合较好。然后利用系统动力学和随机振动理论,将汽车简化为四自由度模型,建立考虑悬架迟滞非线性特性的整车系统在路面随机激励下的非线性动力学方程。最后用Monto Carlo法模拟路面随机激励谱,在时域内对整车非线性系统振动特性进行仿真,并与传统的考虑线性悬架系统的整车动力学特性进行对比,以研究悬架迟滞非线性特性对汽车平顺性的影响。

基于迟滞非线性补偿系统的光学元件形貌检测

为了减少相移干涉仪中压电陶瓷致动器进行相移时,其迟滞非线性对相移算法中的相位计算带来的误差,设计了一套压电陶瓷致动器的控制系统.利用高精度电阻应变传感器和基于锁相放大原理的信号调理电路检测压电陶瓷致动器位移,建立多项式数学模型描述迟滞非线性,然后提出了一种前馈开环控制方法补偿其迟滞非线性.最后,基于所提出的方案对压电陶瓷致动器进行了期望轨迹的跟踪控制实验,同时将补偿控制系统与干涉仪相结合检测光学元件表面形貌.实验结果表明:补偿后,压电陶瓷致动器的跟踪误差在-0.156μm与+0.078μm之间,迟滞非线性度由10.4%降到2.4%,且干涉仪所测得的光学元件表面面形起伏高度均方根和峰谷分别改变了0.795nm和3.937nm.该系统对于高精度的光学元件形貌检测具有重要的意义.

栓接结合部迟滞非线性建模与辨识方法

由于栓接结合部是导致结构发生复杂非线性特性的主要因素,而对栓接结合部的传统处理方法往往忽略结合部的非线性特性或采用等效线性化的数学方法来建模,造成无法准确分析和研究栓接结合部的非线性动力行为。通过实验研究结合部上微凸体间相互挤压、搓动引起的能量耗损机理,运用Iwan模型描述栓接结合部的迟滞非线性现象。在准静态条件下获得力-位移实验数据,利用无约束非线性优化方法和Newton迭代法辨识出Iwan模型中的未知参数,从而获得随外载荷幅值变化下的迟滞非线性特性,并与实验结果进行比较。结果表明,利用Iwan模型能够准确反映出栓接结合部所表现出的能量迟滞机理和非线性行为。

迟滞非线性弹性元件动力特性数学模型

描述了迟滞非线性弹性元件动态特性数学模型的发展状况 .详细介绍了理想干摩檫模型、双线性模型、Bouc模型和迹法模型 .

基于状态观测器的迟滞非线性系统输出反馈控制

利用Preisach模型与其边界线之间的映射关系建立了容易在线更新的迟滞模型.将模型和径向基网络相结合,针对一类动态多映射迟滞非线性系统设计了输出反馈控制器.应用Lyapunov定理得到系统控制律和神经网络权值更新律,从而保证了闭环系统的跟踪误差及网络权值偏差收敛到原点的某个有界邻域内.

迟滞非线性系统的建模与控制研究综述

研究了迟滞非线性系统研究的发展历程,归纳了迟滞非线性系统在建模和控制方面的国内外研究现状,以及在高精度控制平台、声纳系统和智能材料和结构上的应用,并对迟滞非线性系统建模与控制的未来发展方向进行了展望。

含间隙迟滞非线性系统的稳态响应

提出一种含间隙弹性约束的干摩擦迟滞非线性系统模型。利用谐波线性化方法,将迟滞恢复力转化为等效刚度和等效阻尼表示,利用K-B平均法求出周期激励下系统响应的一次近似解。研究表明,该模型综合了两种非线性因素,幅频响应复杂,幅频曲线分为两类,不同参数条件下可以表现出分段线性系统的硬特性、迟滞系统的软化特性或二者的综合,存在跳跃现象。通过幅频图的对比分析,讨论各参数变化对动力学特性的影响。

磁控形状记忆合金执行器迟滞非线性模型

针对磁控形状记忆合金执行器的迟滞非线性,利用PI模型建模思想,采用线性Play算子建立磁控形状记忆合金执行器迟滞非线性模型。根据其模型结构与神经网络结构十分相似的特点,引入神经网络进行权值训练。为了提高系统的实时性,采用遗忘因子递推最小二乘法训练权值。试验结果显示:本文方法对输出位移的最大预测误差为0.0015mm,均方差为2.2931×10-4,最大误差率为0.1593%,表明该方法能够有效地建立磁控形状记忆合金(MS-MA)执行器的迟滞非线性模型,并可以获得较高的模型精度。