[发明专利]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

权利要求书

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                                               转换为驱动电压 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Bouc-Wen迟滞算子模拟所述迟滞分量，得到压电陶瓷执行器的Bouc-Wen模型为

其中，为时间；

为压电陶瓷执行器的输出位移；

为输出位移与驱动电压比率常量；

为驱动电压；

为初始状态下存在的位移；

为压电陶瓷执行器的迟滞分量；

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；

、 、 和 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，由于驱动电压不可知，用控制电压代替驱动电压 ，得到迟滞分量的估计值 ，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；

为迟滞分量的估计值；

为迟滞分量估计值对时间的一阶导数；

、 、 和 为模型的参数；

（3）利用得到的迟滞分量的估计值，令，可得压电陶瓷执行器的输出位移与控制电压的关系可以近似表示为：

其中，为压电陶瓷执行器的输出位移；

为输出位移与驱动电压比率常量；

为压电陶瓷执行器的控制电压；

为初始状态下存在的位移。

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、 、 和 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，乘法器（3-2）将迟滞分量的数字估计值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）将数字控制电压与乘法器（3-2）的输出值相减，得到数字驱动电压。