[发明专利]一种压电陶瓷执行器的高精度控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及运动控制技术与高精度伺服技术领域，具体涉及一种压电陶瓷执行器的高精度控制方法。

背景技术

压电陶瓷执行器是一种精密执行机构，用于微米级乃至纳米级的高精度定位与伺服。由于压电陶瓷的物理特性导致其具有严重的非线性迟滞和蠕变特性，在不进行控制的情况下很难实现高精度定位。针对压电陶瓷非线性特性进行控制的传统方法有基于模型的补偿方法、反馈控制方法和复合控制方法。

基于模型的补偿方法是通过建立压电陶瓷迟滞特性等非线性模型（如Preisach模型、Maxwell模型等），在控制量中加入相应的补偿量，以抵消压电陶瓷非线性特性带来的影响。但是由于压电陶瓷迟滞等特性与其运动频率有关，在动态条件下很难得到精确度很高的模型，从而限制了采用模型补偿的方法所能达到的伺服精度。

反馈控制方法通过将压电陶瓷执行器的位置响应进行反馈，与位置指令相比较，得到控制量并施加于压电陶瓷执行器上。但是，由于压电陶瓷自身的非线性特性没有得到补偿，与线性程度较高的执行器（如电机）相比，闭环系统的动态性能难以得到有效的保证。

传统反馈控制与前馈控制相结合的复合控制方法可以改善系统的动态性能，并保证静态精度，但前馈环节多采用非线性模型，控制器设计相对复杂，不利于工程上的快速设计。

发明内容

本发明为解决现有压电陶瓷执行器控制方法的存在的不足，提供一种压电陶瓷执行器的高精度控制方法，有效提高系统的定位精度与动态性能，该方法简单、可靠易于实现。

一种压电陶瓷执行器的高精度控制方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、压电陶瓷线性化干扰观测器根据压电陶瓷执行器的位置响应以及输入给压电陶瓷执行器的控制电压估计出等效干扰，并对等效干扰进行补偿，使压电陶瓷执行器的实际位移响应特性呈线性比例关系；

具体为：设定压电陶瓷执行器的位移响应为y(t)，初值为y(0)；输入到压电陶瓷执行器的控制电压为u(t)，将压电陶瓷执行器推动的负载质量、非线性迟滞特性、外界干扰的集合和其它未建模动态扰动的集合视为一个等效干扰，所述压电陶瓷执行器的动力学特性表达式为：

y(t)=K_uu(t)+d(t)+y(0)，d(t)=H[u(t)]-My··(t)+dequ(t)+Δ-Kuu(t)]]>

式中，M为压电陶瓷执行器推动的负载质量，H为非线性迟滞特性，d_equ为外界干扰的集合，Δ为其它未建模动态扰动的集合，d(t)为等效干扰，K_u为与非线性迟滞特性曲线接近的线性特性的线性系数；

所述压电陶瓷执行器的位移响应y(t)为在等效干扰影响下与输入控制电压u(t)成线性关系，等效干扰d(t)=y(t)-y(0)-K_uu(t)；在所述输入控制电压中减去等效干扰与比例系数的乘积，实现对等效干扰的补偿；

所述比例系数的取值为压电陶瓷线性化干扰观测器中的K_u的倒数；

步骤二、反馈控制器根据压电陶瓷执行器实际位移响应与位置指令之间的偏差，计算反馈控制量；所述反馈控制量与线性指令前馈输出量叠加后得到的控制量u_r用于压电陶瓷执行器的位移响应y对指令进行跟踪；