针对压电叠堆迟滞带来的非线性效应严重制约系统控制精度提升的问题, 该文提出了一种基于复合控制的压电驱动器控制方法, 对系统非线性误差进行建模补偿, 并基于数控芯片实现了嵌入式驱动设计。采用广义PI模型对被控压电促动器进行建模, 利用指数函数作为密度函数, 并基于粒子群算法对包络函数和密度函数进行参数寻优, 最终得到压电促动器的前馈补偿逆模型, 结合比例积分控制率实现系统的复合控制。同时采用数字信号处理结合现场可编程门阵列(DSP+FPGA)的数控架构, 既保证了逆模型求解过程在DSP中实现的便捷性, 又保证了采样及闭环控制在FPGA中实现的实时性及快速性。实验结果证明了所提设计方法的正确性及有效性。

针对传统Prandtl-Ishlinskii(PI)模型不能反映压电式气体比例阀迟滞非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题, 提出了一种改进的PI模型, 通过添加3次多项式使其能拟合压电式气体流量比例控制阀的非对称迟滞曲线。利用改进的自适应粒子群遗传算法辨识所需的模型参数, 模型相对误差为0.007 3%, 并将模型用于前馈补偿控制。实验结果表明, 基于迟滞模型的前馈补偿控制可显著提高压电式气体比例阀输出流量控制的快速性, 调节时间降低了60%。

为了有效补偿压电陶瓷的迟滞非线性, 提出了基于STOP算子的改进PI模型以改善传统基于PLAY算子的PI模型解析求逆的复杂过程以及通过插值算法求逆的大量耗时。介绍了传统的基于PLAY算子和基于STOP算子的PI模型, 然后基于STOP算子的叠加形式建立了以预期位移为输入, 以控制电压为输出的PI模型, 并将这一模型直接作为前馈控制器补偿压电陶瓷的迟滞效应。为了更好地平衡全局寻优与局部寻优能力, 对粒子群优化算法进行了改进, 利用其辨识出各算子的权值。最后, 利用实验的方法验证了改进的PI模型对迟滞非线性的补偿效果。进行了两组实验测试, 结果显示: 无论对于规律变化还是随机变化的输入, 提出的改进PI模型都可以很好补偿迟滞非线性, 跟踪误差可控制在1%以内。因此, 基于STOP算子的改进PI模型在压电陶瓷控制领域中具有很好的实用价值。

考虑目前应用压电陶瓷驱动器的伺服刀架只能提供单向驱动力, 设计了一种基于双压电陶瓷驱动器的快速伺服刀架。涉及的两个压电陶瓷驱动器分别为刀具的进给和回复提供驱动力, 其呈对称布置, 用于有效提高刀架的整体刚度。为了对两个压电陶瓷驱动器进行联动协调控制, 建立了PI迟滞模型和其逆模型, 并设计了相应的联动协调控制方法。利用PI逆模型作为PID反馈控制的前馈环节构成复合控制用于调节快速伺服刀架的输出位移。实验验证了新型快速伺服刀架的响应频率、响应时间、位移响应特性和定位精度。结果显示: 新型快速伺服刀架的响应频率为871.86 Hz, 响应时间为0.000 45 s; 三角波信号的最大定位误差为3.366 1 μm, 误差百分数为7.63%, 平均绝对误差为0.698 0 μm, 误差百分数为1.58%; 正弦波信号的最大定位误差为3.244 4 μm, 误差百分数为7.67%, 平均绝对误差为0.930 9 μm, 误差百分数为2.20%。