[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

说明书

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Flinn (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                                                ）转换为驱动电压（是指由转化为）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

                      (1)

                (2)

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；

A、、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，但是由于驱动电压不可知，只能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：

                   (3)

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；

（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表示为：

                        (4)