基于Bouc-Wen模型的壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯特性模擬與控制技術(shù)的研究.pdf

1、壓電陶瓷執(zhí)行器具有體積小、能量密度高、定位精度高、分辨率高、頻響快等優(yōu)點(diǎn)，在精密定位、微機(jī)電系統(tǒng)、微納米制造技術(shù)、納米生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。但是壓電陶瓷執(zhí)行器呈現(xiàn)強(qiáng)容性的負(fù)載特性和輸出位移與驅(qū)動(dòng)電壓呈現(xiàn)遲滯現(xiàn)象的特性給壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)和控制帶來了困難。
　　 本文針對壓電陶瓷執(zhí)行器呈現(xiàn)強(qiáng)容性的負(fù)載特性，根據(jù)通過提高電源的峰值充放電電流和峰值輸出功率以提高壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源的動(dòng)態(tài)性能的原理，采用并聯(lián)多組具有充放電

2、和限流功能的電路單元以提高輸出峰值功率的方法，開發(fā)了實(shí)際的壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源。針對壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移與驅(qū)動(dòng)電壓呈現(xiàn)遲滯現(xiàn)象的特性，建立了描述壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯現(xiàn)象的Bouc-Wen模型，在此基礎(chǔ)上采用基于Bouc-Wen模型的前饋補(bǔ)償和PI反饋的混合控制方法提高了壓電陶瓷執(zhí)行器控制精度，并利用改進(jìn)的混合控制實(shí)現(xiàn)了壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移與驅(qū)動(dòng)電壓遲滯關(guān)系的線性化。
　　 本文的主要研究工作和成果包括：
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3、.針對壓電陶瓷執(zhí)行器的強(qiáng)容性負(fù)載特性，在本實(shí)驗(yàn)室已有的壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究的基礎(chǔ)之上，改進(jìn)了壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)電路，通過并聯(lián)多組具有充放電和限流功能的電路單元提高充、放電電流和峰值輸出功率，以改善壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源的動(dòng)態(tài)性能，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。按照上述原理開發(fā)了一種動(dòng)態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，建立了特性測試系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)電源峰值輸出功率達(dá)480 W，峰值輸出電流達(dá)1.6 A，分辨率為10 mV，線性度優(yōu)

4、于99.98％，紋波小于20 mV。
　　 2.本文通過對實(shí)驗(yàn)測量得到的WTYD0808065型壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移-驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線的分析認(rèn)為其包含線性分量和遲滯分量，在此基礎(chǔ)上通過采用簡化Bouc-Wen模型和Bouc-Wen模型分別模擬遲滯分量提出并研究了模擬壓電陶瓷執(zhí)行器輸出位移-驅(qū)動(dòng)電壓的遲滯特性的簡化Bouc-Wen模型和Bouc-Wen模型以及相應(yīng)的參數(shù)辨識(shí)方法。為了驗(yàn)證兩種Bouc-Wen模型及其相應(yīng)的參數(shù)辨

5、識(shí)方法的有效性，建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置并對模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，本文提出并研究的壓電陶瓷執(zhí)行器的簡化Bouc-Wen模型和Bouc-Wen模型以及相應(yīng)的參數(shù)辨識(shí)方法都能較好地模擬壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯特性，并且Bouc-Wen模型比簡化Bouc-Wen模型模擬精度高。
　　 3.研究了采用基于Bouc-Wen模型的前饋補(bǔ)償和PI反饋的混合控制以提高壓電陶瓷執(zhí)行器的控制精度的方法。提出采用時(shí)域測定法測定壓電陶瓷執(zhí)行器的傳遞

6、函數(shù)后利用得到的傳遞函數(shù)采用試湊法仿真得到PI控制器參數(shù)的方法，簡化了參數(shù)整定過程，縮短利用工程整定方法來整定PI控制器參數(shù)的時(shí)間。為了驗(yàn)證Bouc-Wen模型的前饋補(bǔ)償和PI反饋的混合控制的有效性，對模型進(jìn)行了仿真。研究結(jié)果表明，本文提出并研究的基于經(jīng)典Bouc-Wen模型的前饋補(bǔ)償和PI反饋的混合控制能夠較好地控制壓電陶瓷執(zhí)行器。
　　 4.為了實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷執(zhí)行器輸出位移與驅(qū)動(dòng)電壓的遲滯關(guān)系的線性化，采用基于Bouc-Wen