[发明专利]压电陶瓷驱动器的高速纳米精度运动控制方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种运动控制和精密制造技术领域的方法及系统，具体是一种基于磁滞非线性和线性动力学串联的动态系统的压电陶瓷驱动器的高速纳米精度运动控制方法及系统。

背景技术

随着纳米技术的发展，精密制造装备对纳米运动精度的要求越来越高。传统意义上的电机驱动器已无法满足这一精密运动的苛刻要求，需要采用能直接将电或磁能转换成机械能的智能材料驱动器。因具有位移分辨率高、驱动力大、刚度高、带宽高、响应速度快等优点，压电陶瓷驱动器的应用日益广泛。但是在实际控制中，压电陶瓷材料具有固有的磁滞非线性和压电陶瓷驱动器的低阻尼谐振振动，会造成系统的控制带宽较低、精度较差，甚至会引起整个闭环系统的不稳定。如何设计有效的控制方法补偿压电陶瓷驱动器的磁滞非线性和谐振振动，实现压电陶瓷驱动器的高速纳米精度运动，是当前研究的一大挑战。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103853046A公开(公告)日2014.06.11，公开了一种压电陶瓷驱动器的自适应学习控制方法，包括如下步骤：1)建立压电陶瓷驱动器的动态迟滞模型，设计人工神经网络与PID结合的控制方法；2)采用强化学习算法在线实现PID参数的自适应整定；3)采用一个三层径向基函数网络同时对强化学习算法中执行器的策略函数和评价器的值函数进行逼近；4)径向基函数网络第一层输入系统误差、误差的一次差分和二次差分；5)强化学习中的执行器实现系统状态到PID三个参数的映射；6)强化学习中评价器则对执行器的输出进行评判并且生成误差信号，利用该信号来更新系统的各个参数。该技术解决压电陶瓷驱动器的迟滞非线性问题，提高压电陶瓷驱动平台的重复定位精度，消除压电陶瓷的迟滞非线性对系统的影响。但该技术的缺陷和不足在于：1)需要采用动态磁滞模型，增加了系统的建模复杂性；2)必须结合神经网络才能进行控制；3)该方法仅关注于跟踪精度，并未考虑如何通过控制提高跟踪速度。

中国专利文献号CN103336429A公开(公告)日2013.10.02，公开了一种压电陶瓷执行器的高精度控制方法，涉及高精度微机电系统与伺服技术领域，解决现有压电陶瓷执行器控制方法的不足，包括压电陶瓷线性化干扰观测器、反馈控制器、以及线性前馈；所述压电陶瓷线性化干扰观测器将压电陶瓷非线性迟滞、外界干扰、惯性力其它未建模动态等因素统一折合为等效干扰，实现该等效干扰的观测与补偿，从而保证压电陶瓷执行器响应特性的线性化；反馈控制器包含积分环节与二重积分环节，保证压电陶瓷执行器对指令的跟踪精度；所述线性前馈根据线性化的压电陶瓷执行器特性，将位置指令直接作用在压电陶瓷执行器上，提高执行器的动态性能。该技术不依靠非线性迟滞模型，且简单、可靠，提高了压电陶瓷执行器的伺服精度。但该技术的缺陷和不足在于：1)将压电陶瓷执行器简单的看做线性系统，而实际中压电陶瓷执行器的磁滞非线性具有非光滑特性，理论上线性化干扰观测器无法解决这类非线性的控制问题；2)该方法仅关注于跟踪精度，并未考虑如何通过控制提高跟踪速度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种压电陶瓷驱动器的高速纳米精度运动控制方法及系统，能够消除压电陶瓷驱动器的磁滞非线性和谐振振动对系统运动速度和精度的影响，本发明方便实用且能够实现实时控制。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种压电陶瓷驱动器的高速纳米精度运动控制方法，通过首先建立磁滞非线性精确模型H[·]及其逆特性表达式H^-1[·]，基于H^-1[·]设计前馈控制器以消除压电陶瓷驱动器的磁滞非线性；然后通过系统辨识方法辨识含磁滞补偿的压电陶瓷驱动器系统的线性动力学模型G(s)，并根据G(s)的动力学特性设计用于增大系统增益余量的主动阻尼控制器；最后通过PID控制算法实现高速纳米精度运动控制。

所述的压电陶瓷驱动器为磁滞非线性和线性动力学串联的动态系统；