专利名称：压电陶瓷执行器迟滞特性的前馈开环线性化控制方法及其实现电路的制作方法
技术领域：
本发明属于线性化控制技术领域，特别涉及一种压电陶瓷执行器迟滞特性线性化的线性化控制方法。本发明还涉及一种该方法的实现电路。
背景技术：
压电陶瓷执行器具有体积小、能量密度高、定位精度高、分辨率高、频响快等优点， 在精密定位、微机电系统、微纳米制造技术、纳米生物工程等领域中得到了广泛应用。但是压电陶瓷执行器的输出位移与控制电压的迟滞非线性特性给压电陶瓷执行器的定位控制带来了很大的困难。目前，实现压电陶瓷执行器定位控制的方法主要有三大类
第一类是使用电荷驱动替代一般的电压驱动的方法。Newcomb与Flirm (Electronics Letters, Vol. 18，No. 11，442-444，1982)发现采用电荷驱动压电陶瓷执行器的迟滞现象比采用电压驱动有明显的降低。在此基础上，Kaizuka和Sui (Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 27，No. 5，773-776，1988)采用串联一个补偿电容的方法使得电压驱动产生电荷驱动的效果。但是电荷驱动会降低压电陶瓷执行器的灵敏度，应用范围很有限。第二类是使用单纯的闭环位移控制方法。该方法将压电陶瓷执行器的迟滞看成控制系统的扰动，采用闭环控制以消除迟滞的影响。但是由于压电陶瓷执行器的迟滞现象比较严重，将对闭环控制系统产生较大的扰动，控制系统很可能长时间处于过渡过程中，不能进入期望的稳定状态，而且其控制精度也不高。第三类是采用基于迟滞模型的追踪控制方法。该方法首先通过建模得到压电陶瓷执行器的迟滞模型，利用该迟滞模型的逆构成前馈控制以补偿压电陶瓷执行器的输出位移追踪期望位移。由于迟滞模型不可避免的存在模型误差，在对迟滞模型求逆的过程也会带来误差，因此许多学者引入闭环控制以弥补模型误差和抵抗外界干扰，控制算法比较复杂， 并且需要高精度的位移传感器，成本很高，对应用的环境要求也很高。综上所述，到目前为止，并没有特别有效的方法对压电陶瓷执行器进行精密定位控制。
发明内容
为解决现有技术还不能对压电陶瓷执行器进行有效地精密定位控制的问题，本发明提供一种压电陶瓷执行器的前馈开环线性化控制方法及其实现电路，采用该线性化控制方法及其实现电路能够使压电陶瓷执行器的输出位移与控制电压之间的迟滞非线性关系线性化，简化压电陶瓷执行器的控制算法，提高其定位精度。本申请具体采用以下技术方案
一种压电陶瓷执行器迟滞特性前馈线性化的控制方法，通过前馈开环线性化控制将输入压电陶瓷执行器的控制电压(是指将 li(f))转换为驱动电压(是指由 ι )转化为lifci/))作用于压电陶瓷执行器使其产生位移
输出，经过前馈开环线性化控制后压电陶瓷执行器的输出位移与控制电压(是指成
近似线性关系，所述方法包括以下步骤
(1)压电陶瓷执行器的输出位移与驱动电压之间的迟滞为线性分量和迟滞分量的叠加，利用B0uc-Wen迟滞算子模拟所述迟滞分量，得到压电陶瓷执行器的B0uc-Wen模型为
x|i) = k JiJtj + + Μ )(ι)
其中， .为时间；
/U
⑵
为压电陶瓷执行器的输出位移； /Ct,为输出位移与驱动电压比率常量； Wt U)为驱动电压；
.为初始状态下存在的位移； MjI为压电陶瓷执行器的迟滞分量； Λ“γ)为驱动电压对时间的一阶导数
为迟滞分量对时间的一阶导数； α、β、γ和 为模型的参数；
(2)由于迟滞分量不能通过传感器测量得到，因此必须利用式(2)表示的 Bouc-Wen迟滞算子构建在线迟滞分量观测器以在线估计压电陶瓷执行器的迟滞分量) ，但是由于驱动电压 ⑷不可知，只能用控制电压代替驱动电压^Jij，得到迟滞分量ΛΙ>丨的估计值h t\,迟滞分量观测器的表达式为
⑶
其中为压电陶瓷执行器的控制电压 iili)为控制电压对时间的一阶导数
！为迟滞分量的估计值；A("为迟滞分量估计值对时间的一阶导数；
(3)利用得到的迟滞分量的估计值.,令iL\t) = φμ型,可得压电陶瓷执行
h{r)+■ J /Cv
器的输出位移与控制电压的关系可以表示为
χ{ ) = kri(( -χ; -[Hτ)- h{r)]⑷
由于迟滞分量的估计值丨和迟滞分量MU误差很小，因此，采用本发明所涉及的前
馈开环线性化控制方法后，压电陶瓷执行器输出位移与控制电压之间成近似线性关系。该方法采用的用于描述压电陶瓷执行器的迟滞分量与驱动电压的关系的Bouc-Wen迟滞算子也可以用其他迟滞算子表示(比如Dahl迟滞算子、Jiles-Atherton算子等)代替，一样能够将压电陶瓷执行器的迟滞特性线性化。本发明还公开了一种基于本发明的前馈开环线性化控制方法的实现电路，所述实现电路包括控制信号发生器(1)、模数转换器(2)、前馈开环线性化控制器(3)、数模转换器 (4)和功率放大器(5)，所述控制信号发生器(1)、模数转换器(2)、前馈开环线性化控制器 (3)、数模转换器(4)和功率放大器(5)顺次连接，其中控制信号发生器(1)产生模拟控制电压，采用模数转换器(2)将模拟控制电压转换成数字控制信号送入前馈开环线性化控制器 (3 )，前馈开环线性化控制器(3 )按照线性化控制方法在数字控制信号上叠加非线性补偿信号得到数字驱动信号并送入数模转换器(4)，数模转换器(4)将数字驱动信号转换为模拟驱动电压送入功率放大器(5)，功率放大器(5)将输入的模拟驱动电压放大后用于驱动压电陶瓷执行器(6)产生位移输出。当控制信号发生器(1)产生数字控制电压为时，可以直接送入前馈开环线性化控制器(3)，而不需要经过模数转换器(2)。所述前馈开环线性化控制器(3 )包括迟滞分量观测器(3-1)、乘法器(3-2 )和加法器(3-3)，迟滞分量观测器(3-1)、乘法器(3-2)和加法器(3-3)顺次连接，迟滞分量观测器
(3-1)得到迟滞分量的数字估计值( kT ),乘法器(3-2)将迟滞分量的数字估计值/i ( JfT ) 与输出位移与补偿后的驱动电压比率常量的倒数相乘，加法器(3-3)将数字控制电压
ΙτΓ)与乘法器(3-2)的输出值相减，得到数字驱动电压Wb (kT、。基于本发明的前馈开环线性化控制方法及其实现电路同样适用于电致伸缩陶瓷执行器的迟滞特性线性化。本发明的有益效果
1、与现有的压电陶瓷执行器的控制方法相比，本发明所涉及的前馈开环线性化控制方法在获得压电陶瓷执行器的数学模型后，并不需要对该数学模型求逆，避免了求逆过程引入的误差；
2、采用本发明能够将压电陶瓷执行器输出位移与驱动电压之间的迟滞非线性关系线性化，可以将压电陶瓷执行器当成线性的执行器使用，极大地简化压电陶瓷执行器的控制算法，提高其定位精度；3、本发明的实现电路结构简单，能够极大降低压电陶瓷执行器的控制成本，便于微小化、集成化。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。图1为具体实施例一中本发明提出的前馈开环线性化控制方法的实现电路的硬件组成图2为具体实施例一中本发明提出的前馈开环线性化控制方法的算法流程图； 图3为具体实施例一中本发明提出的前馈开环线性化控制方法的具体实施框图； 图4为具体实施例一中本发明得出的线性化结果与实际迟滞曲线的对照图； 图5为具体实施例二中本发明提出的前馈开环线性化控制器的硬件组成图； 图6为具体实施例三中本发明提出的前馈开环线性化控制器的硬件组成图。
具体实施例方式
具体实施例一
如图1所示，本实施例的前馈开环线性化控制方法的实现电路的硬件组成包括控制信号发生器(1)、模数转换器(2)、前馈开环线性化控制器(3)、数模转换器(4)和功率放大器 (5)。其中前馈开环线性化控制器通过DSP芯片、单片机、CPLD/FPGA芯片和ARM芯片等拥有数字信号处理功能的芯片或系统实现。前馈开环线性化控制器(3)中包含迟滞分量观测器(3-1)，乘法器(3-2)和加法器(3-3)，用于完成本具体实施例中提出的压电陶瓷执行器
线性化方法。实现压电陶瓷执行器迟滞特性前馈开环线性化控制的数学表达式为
权利要求
1. 一种压电陶瓷执行器迟滞特性的前馈开环线性化控制方法，其特征在于通过前馈开环线性化控制将输入压电陶瓷执行器的控制电压线性化控制后压电陶瓷执行器的输出位移与控制电压成近似线性关系，所述方法包括以下步骤(1)压电陶瓷执行器的输出位移与驱动电压之间的迟滞为线性分量和迟滞分量的叠加，利用B0uc-Wen迟滞算子模拟所述迟滞分量，得到压电陶瓷执行器的B0uc-Wen模型为其中， 为时间；为压电陶瓷执行器的输出位移 夂.为输出位移与驱动电压比率常量；为驱动电压； -Tc为初始状态下存在的位移；为压电陶瓷执行器的迟滞分量 Ith (τ)为驱动电压对时间的一阶导数为迟滞分量对时间的一阶导数 J、β、7和71为模型的参数；(2)利用Bouc-Wen迟滞算子构建在线迟滞分量观测器以在线估计压电陶瓷执行器的迟滞分量/iff),由于驱动电压不可知，用控制电压代替驱动电压？ifc</>,得到迟滞分量的估计值h (I),迟滞分量观测器的表达式为其中，为压电陶瓷执行器的控制电压;)为控制电压对时间的一阶导数； 力“)为迟滞分量的估计值；
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷执行器迟滞特性前馈线性化的控制方法，其特征在于待定参数J、β、/和W通过测得的压电陶瓷执行器的输入输出数据在线辨识得到。
3.根据权利要求1所述的压电陶瓷执行器迟滞特性前馈线性化的控制方法，其特征在于压电陶瓷执行器的迟滞分量与驱动电压的关系还可以用其他迟滞算子描述，所述迟滞算子包括Dahl迟滞算子、Jiles-Atherton算子等。
4.根据权利要求1所述的压电陶瓷执行器迟滞特性前馈线性化的控制方法，其特征在于本控制方法同样适用于电致伸缩陶瓷执行器的迟滞特性线性化。
5.一种权利要求1所述的压电陶瓷执行器迟滞特性前馈开环线性化控制方法的实现电路，所述电路包括控制信号发生器(1)、模数转换器(2)、前馈开环线性化控制器(3)、数模转换器(4)和功率放大器(5)；其特征在于所述控制信号发生器(1)、模数转换器(2)、 前馈开环线性化控制器(3)、数模转换器(4)和功率放大器(5)顺次连接，控制信号发生器 (1)产生模拟控制电压，采用模数转换器(2)将模拟控制电压转换成数字控制信号送入前馈开环线性化控制器(3)，前馈开环线性化控制器(3)按照前馈开环线性化控制方法在数字控制信号上叠加非线性补偿信号得到数字驱动信号并送入数模转换器(4)，数模转换器 (4)将数字驱动信号转换为模拟驱动电压送入功率放大器(5)，功率放大器(5)将输入的模拟驱动电压放大后用于驱动压电陶瓷执行器(6 )产生位移输出。
6.根据权利要求5所述的压电陶瓷执行器迟滞特性线性化控制方法的实现电路，其特征在于前馈开环线性化控制器(3)使用包括DSP芯片、单片机、CPLD/FPGA芯片、ARM芯片、 计算机等拥有数字信号处理功能的芯片或系统实现。
7.根据权利要求6所述的压电陶瓷执行器迟滞特性线性化控制方法的实现电路，其特征在于当控制信号发生器(1)产生数字控制电压时，也可以不需要经过模数转换器(2)，直接送入前馈开环线性化控制器(3)，如果所述控制信号适合直接输入到前馈开环线性化控制器(3 )，则控制信号发生器(1)和模数转换器(2 )可以不采用。
8.根据权利要求5或6所述的压电陶瓷执行器迟滞特性线性化控制方法的实现电路， 其特征在于所述前馈开环线性化控制器(3)包括迟滞分量观测器(3-1)、乘法器(3-2)和加法器(3-3 )，迟滞分量观测器(3-1)、乘法器(3-2 )和加法器(3-3 )顺次连接，迟滞分量观测器(3-1)得到迟滞分量的数字估计值kT),乘法器(3-2)将迟滞分量的数字估计值 /i(处Γ )与输出位移与补偿后的驱动电压比率常量t的倒数相乘，加法器(3-3)将数字控制电压Ii Of)与乘法器(3_2 )的输出值相减，得到数字驱动电压(kT、。
全文摘要
本发明公开了一种压电陶瓷执行器的前馈开环线性化控制方法及其实现电路。该前馈开环线性化控制方法通过建立的压电陶瓷执行器的数学模型，构建迟滞分量观测器观测压电陶瓷执行器件在控制电压作用下的迟滞分量，计算出补偿该迟滞分量所需要的补偿电压，将补偿电压与控制电压叠加得到实际驱动电压作用于压电陶瓷执行器使其产生位移输出；该前馈开环线性化控制器包括控制信号发生器、模数转换器、前馈开环线性化控制器、数模转换器和功率放大器。采用本发明能够将压电陶瓷执行器输出位移与控制电压之间的迟滞非线性关系线性化，极大地简化压电陶瓷执行器的控制算法，提高其定位精度。
文档编号G05F3/02GK102270007SQ20111009521
公开日2011年12月7日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者严松林, 朱炜, 王代华 申请人:重庆大学