[发明专利]一种压电陶瓷定位的复合控制方法

说明书

技术领域

本发明属于微细工程中的纳米定位技术领域，特别涉及一种压电陶瓷定位的复合控制方法。

背景技术

由于精密工程和微细工程的迅速发展，纳米级定位技术已成为微机电系统，超精密加工，微电子技术，光电工程和生物技术等学科的关键技术。基于压电陶瓷的定位系统已成为国内外研究的热点。压电陶瓷具有正压电效应和逆压电效应，压电陶瓷的定位技术是在电场的作用下产生逆压电效应，将电压信号转变为位移，再通过反馈系统到计算机，根据控制算法进行实时定位。

由于压电陶瓷具有分辨率高，响应速度快，能耗低，不受磁场干扰，产生推力大等优点，被选用驱动元件，进行高精度定位。压电陶瓷自身存在的迟滞和蠕变，很大程度上影响了微位移定位的精度。国内外学者对消除压电陶瓷本身的迟滞和蠕变建立了一些模型，提出了一些控制算法，但是定位精度不是很高。

现有的压电陶瓷定位控制算法有PID控制，前馈控制，模糊控制，自适应控制，自学习控制，神经网络控制，以及某几种结合起来的复合控制等，这些算法都能有效地提高定位精度，但是在非线性，稳定性，抗干扰等方面还存在不足。利用对压电陶瓷的迟滞特性建模的方法进行定位控制，例如现象宏观模型，Preisach模型，畴壁模型，微机械模型，统计物理分析，均匀分布能量关系等模型，能够得到较好的定位精度。但这些模型的共同缺点是模型复杂，参数多且不易确定、模型对参数敏感、运算量大。光学设备(如光刻机)中的光学器件往往利用压电陶瓷进行微位移的驱动与定位，对整个闭环系统进行控制，从而达到所要求的定位精度。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种压电陶瓷定位的复合控制方法，在达到较高定位精度的同时，能够更好的增强系统的稳定性，消除迟滞和蠕变，减小纹波，使响应上升时间缩短。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种压电陶瓷定位的复合控制方法，该方法的步骤如下：

步骤(1)获得压电陶瓷的位移偏差量e(kT)，首先给定压电陶瓷理想位移X_i(kT)，压电陶瓷实际位移X(kT)是闭环系统反馈的位移量，比较给定位移X_i(kT)和实际位移X(kT)，从而得到位移偏差量e(kT)；

步骤(2)设定一个阈值δ，此阈值可以通过采样多组数据，然后选取临界值来实现；

步骤(3)当δ＜＝|e(kT)|时，停止积分，此时选用PD和前馈控制的组合，从而避免超调，又使压电陶瓷定位系统有较快的响应速度；当δ＞|e(kT)|时，选用PID和前馈控制的组合，保证控制精度；

步骤(4)、当选定复合控制方法后，进行模糊控制的在线控制参数自整定，将整定后的控制参数通过PID或PD控制器，变为控制信号Δu(kT)；

步骤(5)、将控制信号Δu(kT)与前馈控制器给出基本控制电压u_d(kT)进行叠加，便得到压电陶瓷控制输出u(kT)。

优选的，所述的前馈控制采用建立Preisach模型的方式实现。

优选的，所述的进行模糊控制的在线控制参数自整定具体为：模糊控制器在线对PID三个参数K_p，K_i，K_d进行修改，位移偏差量e(kT)与位移偏差变化率Δe(kT)作为模糊控制器的输入，修正参数Δk_p，Δk_i，Δk_d为输出量。

本发明的原理在于：

本发明在压电陶瓷定位的整个过程中采用不同的控制组合方式，设定一个阈值δ，根据位移偏差量e(kT)与阈值δ的大小关系有选择性的使用前馈控制与PID控制的复合控制，或者使用前馈控制与PD控制的复合控制。根据阈值δ和偏移量e(kT)的大小关系来确定控制的方式。当δ＜|e(kT)|时，停止积分，此时选用PD和前馈控制的组合，这样可以避免超调，又使系统有较快的响应速度；当δ＞|e(kT)|时，选用PID和前馈控制的组合，可以保证控制精度。对于整个系统而言，需要建立数学模型，本文采用传统的Preisach模型来描述压电陶瓷驱动器的迟滞和非线性，用模糊控制在线对PID或PD的参数进行自整定，可以实现系统的最优控制，使其具有模糊控制的灵活性，适应性强等优点。