專利名稱：壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性的復(fù)合線性化控制方法及其實(shí)現(xiàn)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于線性化控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性線性化的線性化控制方法。本發(fā)明還涉及一種該方法的實(shí)現(xiàn)電路。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷執(zhí)行器具有體積小、能量密度高、定位精度高、分辨率高、頻響快等優(yōu)點(diǎn)， 在精密定位、微機(jī)電系統(tǒng)、微納米制造技術(shù)、納米生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。但是壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移與控制電壓的遲滯非線性特性給壓電陶瓷執(zhí)行器的定位控制帶來(lái)了很大的困難。目前，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷執(zhí)行器定位控制的方法主要有三大類
第一類是使用電荷驅(qū)動(dòng)替代一般的電壓驅(qū)動(dòng)的方法。Newcomb與Flirm (Electronics Letters, Vol. 18，No. 11，442-444，1982)發(fā)現(xiàn)采用電荷驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象比采用電壓驅(qū)動(dòng)有明顯的降低。在此基礎(chǔ)上，Kaizuka和Sui (Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 27，No. 5，773-776，1988)采用串聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電容的方法使得電壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電荷驅(qū)動(dòng)的效果。但是電荷驅(qū)動(dòng)會(huì)降低壓電陶瓷執(zhí)行器的靈敏度，應(yīng)用范圍很有限。第二類是使用單純的閉環(huán)位移控制方法。該方法將壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯看成控制系統(tǒng)的擾動(dòng)，采用閉環(huán)控制以消除遲滯的影響。但是由于壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象比較嚴(yán)重，將對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，控制系統(tǒng)很可能長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)渡過(guò)程中，不能進(jìn)入期望的穩(wěn)定狀態(tài)，而且其控制精度也不高。第三類是采用基于遲滯模型的追蹤控制方法。該方法首先通過(guò)建模得到壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯模型，利用該遲滯模型的逆構(gòu)成前饋控制以補(bǔ)償壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移追蹤期望位移。由于遲滯模型不可避免的存在模型誤差，在對(duì)遲滯模型求逆的過(guò)程也會(huì)帶來(lái)誤差，控制精度并不高。綜上所述，到目前為止，并沒(méi)有特別有效的方法對(duì)壓電陶瓷執(zhí)行器進(jìn)行精密定位控制。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)還不能對(duì)壓電陶瓷執(zhí)行器進(jìn)行有效地精密定位控制的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種壓電陶瓷執(zhí)行器的復(fù)合線性化控制方法及其實(shí)現(xiàn)電路，采用該線性化控制方法及其實(shí)現(xiàn)電路能夠使壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移與控制電壓之間的遲滯非線性關(guān)系線性化，簡(jiǎn)化壓電陶瓷執(zhí)行器的控制算法，提高其定位精度。本申請(qǐng)具體采用以下技術(shù)方案
一種壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性的復(fù)合線性化控制方法，該控制方法包括前饋線性化控制和閉環(huán)線性化控制，通過(guò)前饋線性化控制將輸入壓電陶瓷執(zhí)行器的控制電壓(是指將
權(quán)利要求
1. 一種壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性的復(fù)合線性化控制方法，其特征在于所述復(fù)合線性化控制方法包括前饋線性化控制和閉環(huán)線性化控制，通過(guò)前饋線性化控制將輸入壓電陶瓷執(zhí)行器的控制電壓z )轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電壓(f )作用于壓電陶瓷執(zhí)行器使其產(chǎn)生位移輸出，并使用位移傳感器測(cè)量出該位移形成反饋，構(gòu)建閉環(huán)系統(tǒng)，利用閉環(huán)線性化控制對(duì)前饋線性化控制的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用復(fù)合線性化控制后壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移與控制電壓Ι/( )成線性關(guān)系，所述方法包括以下步驟(1)壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移與驅(qū)動(dòng)電壓之間的遲滯為線性分量和遲滯分量的疊加，利用Bouc-Wen遲滯算子模擬所述遲滯分量，得到壓電陶瓷執(zhí)行器的Bouc-Wen模型為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性復(fù)合線性化控制方法，其特征在于復(fù)合線性化控制方法由閉環(huán)線性化控制方法結(jié)合前饋線性化控制方法構(gòu)成，而且前饋線性化控制方法也可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性的線性化控制。瓷執(zhí)行器的輸出位移與控制電壓的關(guān)系表達(dá)式為其中，為壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移；其中
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性前饋線性化的控制方法，其特征在于待定參數(shù)4、β、/和0通過(guò)測(cè)得的壓電陶瓷執(zhí)行器的輸入輸出數(shù)據(jù)在線辨識(shí)得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性前饋線性化的控制方法，其特征在于壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯分量與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系還可以用其他遲滯算子描述，所述其他遲滯算子包括Dahl遲滯算子、Jiles-Atherton算子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性的復(fù)合線性化控制方法，其特征在于所述閉環(huán)控制采用的控制方法包括PID控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性的復(fù)合線性化控制方法，其特征在于本控制方法同樣適用于電致伸縮陶瓷執(zhí)行器的遲滯特性線性化。
7.—種權(quán)利要求1-6之一項(xiàng)所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性的復(fù)合線性化控制方法的實(shí)現(xiàn)電路，所述電路包括控制信號(hào)發(fā)生器(1)、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)、復(fù)合線性化控制器(3)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(4)、功率放大器(5)、位移傳感器(7)、信號(hào)調(diào)理電路(8)和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)，其中，復(fù)合線性化控制器(3)包括前饋線性化控制器(3-1)和閉環(huán)線性化控制器(3-2)；其特征在于所述控制信號(hào)發(fā)生器(1)、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)、復(fù)合線性化控制器 (3)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(4)、功率放大器(5)、壓電陶瓷執(zhí)行器(6)順次連接，所述壓電陶瓷執(zhí)行器 (6)的輸出依次通過(guò)位移傳感器(7)、信號(hào)調(diào)理電路(8)和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)連接至復(fù)合線性化控制器(3)的反饋輸入端，控制信號(hào)發(fā)生器(1)產(chǎn)生模擬控制電壓，通過(guò)第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)將模擬控制電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字控制信號(hào)送入復(fù)合線性化控制器(3)，復(fù)合線性化控制器(3)中的前饋線性化控制器(3-1)按照前饋線性化控制方法在數(shù)字控制信號(hào)上疊加非線性補(bǔ)償信號(hào)得到數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)并送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器(4)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(4)將數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬驅(qū)動(dòng)電壓送入功率放大器(5)，功率放大器(5)將送入的模擬驅(qū)動(dòng)電壓放大后用于驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷執(zhí)行器(6)產(chǎn)生位移輸出，位移傳感器(7)測(cè)試該位移，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路(8)得到準(zhǔn)確的輸出位移并輸入第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)，第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字位移信號(hào)輸入復(fù)合線性化控制器(3)的反饋輸入端，復(fù)合線性化控制器(3)中的閉環(huán)線性化控制器(3-2 )按照閉環(huán)線性化控制方法對(duì)數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行修正并送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器(4)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(4)將修正后的數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為修正后的模擬驅(qū)動(dòng)電壓送入功率放大器(5)，功率放大器(5)將輸入的修正后的模擬驅(qū)動(dòng)電壓放大后用于驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷執(zhí)行器(6)產(chǎn)生位移輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性復(fù)合線性化控制方法的實(shí)現(xiàn)電路， 其特征在于復(fù)合線性化控制器(3)使用包括DSP芯片、單片機(jī)、CPLD/FPGA芯片、ARM芯片、 計(jì)算機(jī)等擁有數(shù)字信號(hào)處理功能的芯片或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性復(fù)合線性化控制方法的實(shí)現(xiàn)電路，其特征在于當(dāng)控制信號(hào)發(fā)生器(1)產(chǎn)生數(shù)字控制電壓時(shí)，也可以不需要經(jīng)過(guò)第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)，直接將產(chǎn)生的所述數(shù)字控制電壓送入復(fù)合線性化控制器(3)，當(dāng)信號(hào)調(diào)理電路 (8)輸出數(shù)字位移信號(hào)時(shí)，也可以不需要經(jīng)過(guò)第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)，直接將所述輸出數(shù)字位移信號(hào)送入復(fù)合線性化控制器(3 )。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性復(fù)合線性化控制方法的實(shí)現(xiàn)電路，其特征在于所述復(fù)合線性化控制器(3)包括前饋線性化控制器(3-1)和閉環(huán)線性化控制器(3-2)，前饋線性化控制器(3-1)包括遲滯分量觀測(cè)器(3-1-1)、第一乘法器(3-1-2)和第一加法器(3-1-3)，遲滯分量觀測(cè)器(3-1-1)、第一乘法器(3-1-2)和第一加法器(3-1-3)順次連接，遲滯分量觀測(cè)器(3-1-1)得到遲滯分量的數(shù)字估計(jì)值Jr),第一乘法器 (3-1-2)將遲滯分量的數(shù)字估計(jì)值與輸出位移與驅(qū)動(dòng)電壓比率常量/ .的倒數(shù)相乘，第一加法器(3-1-3)將數(shù)字控制電壓W (,Γ)與第一乘法器(3-1-2)的輸出相減；閉環(huán)線性化控制器(3-2 )包括第二乘法器(3-2-1)、第二加法器(3-2-2 )和閉環(huán)控制器 (3-2-3)，第二乘法器(3-2-1)、第二加法器(3-2-2)和閉環(huán)控制器(3-2-3)順次相連，第二乘法器(3-2-1)將數(shù)字位移信號(hào)χ( kT)輸出位移與驅(qū)動(dòng)電壓比率常量的倒數(shù)相乘，第二加法器(3-2-2 )將數(shù)字控制電壓W ( kT )與第二乘法器(3-2-1)的輸出相減，閉環(huán)控制器(3-2-3)利用預(yù)存的閉環(huán)控制方法對(duì)第二加法器(3-2-2)的輸出進(jìn)行修正。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特性復(fù)合線性化控制方法的實(shí)現(xiàn)電路，其特征在于所述位移傳感器(7)可以采用任意一種能夠測(cè)量微小位移的傳感器，其能夠集成在壓電陶瓷執(zhí)行器(6)上，或者采用非接觸測(cè)量，或者采用壓電陶瓷執(zhí)行器(6)具有的自傳感功能。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種壓電陶瓷執(zhí)行器的復(fù)合線性化控制方法及其實(shí)現(xiàn)電路。該復(fù)合線性化控制方法包括前饋線性化控制和閉環(huán)線性化控制，前饋線性化控制方法通過(guò)建立的壓電陶瓷執(zhí)行器的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建遲滯分量觀測(cè)器觀測(cè)壓電陶瓷執(zhí)行器件在控制電壓作用下的遲滯分量，計(jì)算出補(bǔ)償該遲滯分量所需要的補(bǔ)償電壓，將補(bǔ)償電壓與控制電壓疊加得到實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓作用于壓電陶瓷執(zhí)行器使其產(chǎn)生位移輸出；閉環(huán)線性化控制利用位移傳感器得到前饋線性化誤差，通過(guò)閉環(huán)控制把該誤差降低為零，該復(fù)合線性化控制器包括控制信號(hào)發(fā)生器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、復(fù)合線性化控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、功率放大器、位移傳感器和信號(hào)調(diào)理電路。采用本發(fā)明能夠?qū)弘娞沾蓤?zhí)行器輸出位移與控制電壓之間的遲滯非線性關(guān)系線性化，極大地簡(jiǎn)化壓電陶瓷執(zhí)行器的控制算法，提高其定位精度。
文檔編號(hào)H01L41/04GK102280572SQ201110095219
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者嚴(yán)松林, 朱煒, 王代華 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)