[发明专利]压电陶瓷驱动部件变载荷环境下的鲁棒自适应控制方法

说明书

本发明公开了一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下的鲁棒自适应控制方法，步骤如下：建立压电陶瓷驱动系统，设定被驱动部件为一个加载在压电陶瓷驱动部件垂直方向上的刚性负载，并通过激光位移传感器测量其输出位移，且刚性负载设定的输出位移与压电陶瓷驱动部件的输出位移一致；对变载荷压电陶瓷驱动部件进行数学模型描述；设计鲁棒自适应控制器。该鲁棒自适应控制方法是考虑系统和环境干扰中不确定项，基于压电陶瓷驱动系统带载环境下的数学模型，利用带有回滞特性的输出可测量的二阶系统，通过设定一个规定性能函数来控制系统误差来实现实时调整鲁棒自适应控制器输出，从而保证压电陶瓷驱动平台对输入信号的高精度跟踪驱动精度。

技术领域

本发明涉及精密加工制造技术领域，具体涉及一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下的鲁棒自适应控制方法。

背景技术

压电陶瓷驱动部件以其简单的结构、高驱动精度、强大的抗干扰能力以及极快的响应速度等优点，在航空航天、军事国防、精密机械等诸多领域均获得了成功应用。在微型机械中应用广泛，可用作微型机器人、压电超声马达和微小夹持器的驱动，成为了高精密装备制造上性能提升的关键之一。然而，压电陶瓷材料内部存在着回滞、蠕变等非线性特性，这些特性降低了压电陶瓷驱动部件的驱动精度。由于回滞非线性的多值性和不可微的特性，使得传统的建模及控制器设计方法不能直接应用于智能材料驱动部件中，甚至可能会造成驱动系统输出的不稳定。

目前业界处理非线性滞后常用的控制策略有两种，分别是前馈控制和反馈控制。前馈控制是先建立压电陶瓷驱动部件的数学模型，然后求出它的逆模型，并把逆模型作为前馈控制器以此来抵消压电陶瓷材料自身的非线性。前馈控制原理上简单有效、结构上易于实现。然而在实际应用中，由于驱动系统时常会受到外界扰动，使得驱动系统的模型发生改变，此时不能立刻相应的改变控制环路中的模型参数，因此前馈控制会导致难以精确确定其输出位移，只有在工作环境稳定的情况下才适合使用。此外，由于反映压电陶瓷驱动部件的数学模型的建立比较困难，因此可以直接将驱动部件的输出位移作为反馈量，在有非线性因素的干扰下进行控制，这便是反馈控制的主要思想。反馈控制通过将实际输出位移信号和期望位移信号进行比较，再将得到的误差信号输入控制器得到控制电压，从而达到减小跟踪误差的目的。

在压电陶瓷驱动控制系统中，由于尚没有能够精确描述压电陶瓷驱动特性的数学模型，因此处理此类非线性回滞问题，目前最常用的是设计鲁棒自适应控制器，采用反馈控制的控制策略。

发明内容

本发明的目的是针对输出可测、存在回滞非线性的压电陶瓷驱动系统，基于压电陶瓷驱动部件的机电特性，提出一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下额鲁棒自适应控制方法，采用输出反馈的控制方法对压电陶瓷驱动系统进行跟踪控制。可实现其极小的跟踪误差，且闭环系统中的所有信号都是有界的。该方案简化了控制结构，有利于实时控制。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种针对压电陶瓷驱动部件变载荷环境下的鲁棒自适应控制方法，所述的鲁棒自适应控制方法包括以下步骤：

S1、建立压电陶瓷驱动系统，设定被驱动部件为一个加载在压电陶瓷驱动部件垂直方向上的刚性负载，并通过激光位移传感器测量其输出位移，且刚性负载设定的输出位移与压电陶瓷驱动部件的输出位移一致；

S2、对变载荷压电陶瓷驱动部件进行数学模型描述，其中，压电陶瓷驱动部件的数学模型为：

其中x(t)为输出位移，a₀,a₁,b₀为与压电陶瓷驱动部件相关的常数参数，w(u)∈R表示为驱动部件内部未知的回滞特征，定义为：

w(u)＝Λ(u(t)) (2)

其中u(t)为压电陶瓷驱动部件的输入电压信号，Λ(u(t))为回滞算子；