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堆叠型压电执行器的动态蠕变补偿

更新时间：2019-12-26 21:58:38 大小：4M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：压电执行器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

在实验的基础上证实了压电执行器动态蠕变现象的存在.考虑到压电执行器的高频响特点和PID在高实时性要求场合的应用,构建了复合控制器来抑制动态蠕变.该复合控制器由具有Prandtl Ishlinskii类型的迟滞直接逆作为前馈控制器,由根据在线测试结果和实时性要求选择的增量式PI作为反馈控制器,其中增量式PI的参数由模糊逻辑控制器在线调节.通过实验验证了复合控制器抑制动态蠕变的有效性.结果表明,当同幅值的0.1 Hz正弦信号在一个周期内被离散化为20台阶,40台阶,80台阶时,相等电压台阶对应的蠕变过程和范围都是不同的.本文构建的复合控制器能够对不同台阶的动态和静态蠕变进行有效抑制,补偿后蠕变的均方根误差(RMSE)分别降低为补偿前的28.6％,31.0％和35.4％.

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V01．23 No．8

Aug．2015

第23卷第8期

光学精密工程

and Precision

Engineering

Optics

2015年8月

1004—924X(2015)08—2273—07

文章编号

堆叠型压电执行器的动态蠕变补偿

张承进1’¨ ，赵学良1’2，刘红波1

(1．山东大学控制科学与工程学院，济南山东250061；

2．泰山医学院信息工程学院，泰安山东271016；

3．山东大学威海校区机电与信息工程学院，威海山东264209)

摘要：在实验的基础上证实了压电执行器动态蠕变现象的存在。考虑到压电执行器的高频响特点和PID在高实时性要

Ishlinskii类型的迟滞直接逆作为前馈

求场合的应用，构建了复合控制器来抑制动态蠕变。该复合控制器由具有Prandtl

控制器，由根据在线测试结果和实时性要求选择的增量式PI作为反馈控制器，其中增量式PI的参数由模糊逻辑控制器

在线调节。通过实验验证了复合控制器抑制动态蠕变的有效性。结果表明，当同幅值的0．1 Hz正弦信号在一个周期内

被离散化为20台阶，40台阶，80台阶时，相等电压台阶对应的蠕变过程和范围都是不同的。本文构建的复合控制器能

够对不同台阶的动态和静态蠕变进行有效抑制，补偿后蠕变的均方根误差(RMSE)分别降低为补偿前的28．6％，31．0％

和35．4％。

关键词：压电执行器；动态蠕变；迟滞补偿；模糊PI控制器

中图分类号：TN384；TP271

文献标识码：A

doi：10．3788／OPE．20152308．2273

for

of stack

actuator

Compensation

dynamic creep

piezoelectric

ZHANG_{Cheng—jinl’¨ ，ZHAO}

Xue—lian91”，LIU Hong—b01

Control Science and

(1．School

2 School

inan 250061，China；

Engineering，Shandong

University，J

Medical

of Information Engineering，Taishan

271016，China；

University，Taian

School

Mechanical，Electrical&Information Engineering，

Shandong

264209，China)

University

Weihai，Shandong

*Co，．nP5户o，2di挖g author，E-mail：cjzhang@sdu．edu．cn

actuator

Abstract：The

was confirmed

dynamic creep phenomenon

piezoelectric

by experiments．

Based

the

of the

actuator

high frequency

and the

real time of

ability

response

piezoelectric

higher

controller was

the

compensate

PID，a

con—

composite

proposed

dynamic creep．The composite

troller used

direction inverse

with

controller Prandtl Ishlinskii

as the feed—forward control—

operators

ler，and an increment PI

the

real time abilities，in which the

feed—backward controller based

the online test results and

demanded

controller．The

of P1 were tuned

parameters

by fuzzy logic

validity

controller

of the

compensating dynamic creep

actuator

the

composite

phenomenon

piezoelectric

was verified．The results show that when

0．1 HZ sine—wave iS

discretized into 20，40，80 stairs re一

收稿日期：2014—12—23；修订日期：2015-02—06．

基金项目：国家自然科学基金资助项目(No．61174044)；山东省科技发展计划政策引导类资助项目(No．

2013YD01049)

万方数据

2274

光学精密工程

第23卷

the

has different

and dif—

that the

spectively，the dynamic creep corresponding

equal

voltages

creep processing

concludes

ferent

verifies

that the

creep ranges．It

controller

dynamic

creep

complex nonlinearity．It

both static

and

in different discretization

stairs

proposed

compensates

creep

dynamic creep

and the root—mean

errors(RMSE)of

have decreased

square

71．4％，69．0％and

compensated creep

64．6％respectively．

Keywords：piezoelectric

PI controller

actuator；dynamic creep；hysteresis compensation；fuzzy

采用直接逆用作前馈控制器补偿迟滞，再用模糊

PI控制器构成反馈控制器来进行蠕变补偿。

引

言

堆叠型压电执行器作为高速、高精度、大推力

的纳米级执行器，被广泛应用于高精密定位尤其

是纳米级定位等场合，如原子力显微镜、纳米操

纵、微抓、光刻机等。但是，其迟滞和蠕变两种非

线性使得其定位精度受到严重影响，其中迟滞占

整个位移量的10％～15％，而蠕变占整个位移量

的1％～5％。近年来，学者们对其本身具有的这

两种非线性进行了深入的研究，并在迟滞的率无

关和率相关特性以及静态蠕变的研究方面取得大

量的成果[1q]。迟滞的率相关是指迟滞与作用于

执行器之上的电压信号输入速率有关，当电压信

号输入速率增加时，迟滞环会变得更大、更圆[5]。

目前对于压电执行器的蠕变特性进行有模型

动态蠕变的产生及影响

当有阶跃电压作用于压电执行器后，执行器

的响应过程分为暂态和稳态过程。暂态过程时间

较短，稳态过程一直持续到作用完成。形变过程

如图1所示，横坐标的Index表示采样点序列，纵

坐标为蠕变位移值。前5 ms的蠕变速率都大于

nm／ms，从第6 ms开始远小于这一数值，因此

ms开

可以把前5 ms定义为蠕变的暂态区，从6

始进入稳态区。暂态区发生的蠕变之和大于稳态

区蠕变之和。尽管很多模型都可以很好地描述稳

态阶段的蠕变，但随着执行器控制间隔的缩短，需

要把时间尺度定义在毫秒级别，台阶电压初始形

变就有可能会进人蠕变的暂态阶段，这个阶段蠕

变所占的非线性形变会急剧上升。当进入亚毫秒

级别时就进入了压电执行器的新的暂态阶段，但

这个阶段的迟滞和蠕变发展变化过程目前还不是

很清楚。

研究时，大多文献把蠕变处理为迟滞基础上的非

线性[6’7]，因此采用的方法是先辨识迟滞，再利用

迟滞来补偿蠕变。文献[8]把蠕变定义为处在形

变的稳态阶段，文献[9]把0．1 S后发生的形变认

为是蠕变并加以补偿。当输人电压速率不变，离

散化电压台阶使蠕变模型参数有复杂非线性[1 ，

因此构建不同离散化台阶对应的蠕变模型目前还

没有解决。低频下，当台阶的压差和间隔改变时

都会对蠕变产生影响，这使得蠕变模型的构建变

得更加困难。研究结果表明，随着压差减少和间

隔变短，蠕变不断减少[1嵋；但极高频的控制和极

短的算法执行时间，对于硬件投资是极其昂贵的，

甚至难以实现。

相比蠕变的补偿，迟滞补偿的研究相对成熟。

前馈控制器，如迟滞逆模型[12]、IlL[131等都在应用

中取得了较好的效果。文献[14]采用Prandtl—

Ishlinskii算子形式的直接逆方式来抑制迟滞，实

现了对率相关和率无关特性的同时抑制，此方法

简单直观。考虑到压电执行器的高频响特点和

PID被广泛用于高实时性要求的场合[15J引，本文

图1蠕变在阶跃信号下的形变过程

distribution in different

under

stages

Creep

Fig．1

step voltages

在同一个电压信号不同离散化时，由于电压

台阶和控制间隔的变化会使蠕变有不同的响应曲

线。图2所示为0．1 Hz正弦信号分别离散化成

万方数据

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