1 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海20620
2 格鲁斯特大学 计算与工程学院，英国 切尔滕纳姆GL50 RH
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春100
4 上海交通大学 机械与动力工程学院 机械系统与振动国家重点实验室，上海20020
为了解决三自由度压电驱动纳米偏摆台中的多轴耦合与迟滞问题，设计了一种可以同时表征多个压电驱动器间耦合效应及其自身迟滞效应的耦合迟滞模型，并利用其逆模型进行前馈补偿以提升平台的定位和轨迹跟踪精度。首先，搭建了三自由度压电驱动偏摆台的控制系统并建立其运动学模型，将末端平台三自由度运动转化为三个压电驱动器的输出。然后，建立基于Prandtl-Ishlinskii模型的耦合迟滞模型，并对该模型及其逆模型的参数进行辨识。最后，通过开环逆模型前馈补偿来验证模型的有效性，并利用结合逆模型前馈和反馈的复合控制方法进行轨迹跟踪控制。实验结果表明：逆模型开环前馈补偿使三个压电驱动器间最大耦合位移均降低了70%以上，证明了所建立耦合迟滞模型的有效性，结合闭环反馈的复合控制方法对空间轨迹进行跟踪的最大均方根误差仅为0.06 mrad和0.42 μm，相比单纯闭环反馈分别减少了72%和87.5%，最大误差也减少了76%以上，有效消除了平台中耦合迟滞的影响，提高了平台的定位精度。
压电偏摆台 压电驱动器 耦合迟滞模型 逆补偿 跟踪控制 tip-tilt-piston piezoelectric stage piezoelectric actuator coupled hysteresis model inverse compensation tracking control 光学 精密工程
2023, 31(20): 2964
1 南京理工大学 机械工程学院，江苏南京20094
2 吉林大学 机械与航空航天工程学院，吉林长春13005
3 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海200240
三轴快速刀具伺服（Fast Tool Servo， FTS）具有更高的刀具空间运动柔性，逐渐用于复杂光学曲面和微纳结构表面的切削加工。针对所研制电磁-压电混合驱动三轴FTS存在的轴间耦合、高频谐振和迟滞非线性等因素对轨迹跟踪性能的影响，研究综合补偿策略实现三轴空间轨迹的高性能跟踪控制。以陷波滤波器抑制系统高频谐振，以前馈解耦补偿弱化平面轴间耦合；针对法应力电磁驱动和压电驱动的迟滞非线性，提出以线性动力学模型级联Prandtl-Ishlinskii模型描述各轴的动态迟滞特性，并构建无需直接求逆的迟滞前馈补偿模型，实现系统的迟滞非线性补偿。谐波扫频测试结果表明：所采用的陷波滤波器可以很好地消除高频谐振，前馈解耦补偿可将平面XY轴间的耦合幅值降低约14 dB。宽频域内迟滞建模结果表明：平面XY轴和Z轴的动态迟滞建模误差分别小于±2.2%和±1.8%。以PID为主控制器，对宽频谐波（10~100 Hz）的跟踪结果表明：采用综合补偿策略获得各轴的最大跟踪误差约为仅采用逆动力学前馈补偿的25%~50%，进一步对空间螺旋球面轨迹进行了跟踪测试，证明了所构建的综合补偿控制策略的有效性。
快速刀具伺服 轨迹跟踪控制 陷波滤波器 前馈解耦补偿 动态迟滞模型 fast tool servo trajectory tracking control notch filter feed-forward decoupling compensation dynamic hysteresis model 光学 精密工程
2023, 31(15): 2236
宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
为了降低压电微动平台的动态迟滞误差对平台定位精度的影响, 该文设计了基于率相关迟滞逆模型的前馈控制器对其进行迟滞补偿。首先, 在对平台受力分析和运动分析的基础上建立平台的动力学模型; 其次, 在经典Prandtl-Ishilinskii(PI）模型的基础上加以改造, 得到Modified Prandtl-Ishilinskii(MPI)模型, 并将MPI模型与平台的线性动力学模型串联, 得到分离式率相关MPI模型, 进而基于率相关MPI逆模型建立平台的前馈控制器; 最后, 对所设计的控制器进行阶跃响应和正弦轨迹跟踪实验。实验结果表明, 所设计的控制器具有较好的定位精度与跟踪性能, 可以有效地补偿压电微动平台的动态迟滞误差。
微动平台 迟滞建模 率相关 前馈控制 micro-positioning stage hysteresis model rate dependence feedforward control
1 郑州轻工业大学 机电工程学院, 河南 郑州 450002
2 郑州轻工业大学 计算机与通信工程学院, 河南 郑州 450002
3 北京航空航天大学 前沿科学技术创新研究院, 北京 100191
该文提出了一种与速率相关的Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型来表征压电驱动器的速率相关迟滞非线性。该模型基于双边Play算子的经典P-I模型, 引入多项式修正其中心对称性。在此基础上将驱动电压升降速率引入模型参数中, 用以描述其率相关性。测试压电驱动器的率相关迟滞特性, 采用最小二乘算法对模型参数进行辨识。结果表明, 在速率为0.12~6 V/ms内最大误差为0.076~0.190 μm, 均方根误差为0.044~0.077 μm, 相对误差为1.2%~3.2%, 验证了所建模型的准确性。
压电陶瓷 压电驱动器 迟滞模型 Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型 率相关迟滞 piezoelectric ceramics piezoelectric actuator hysteresis model Prandtl-Ishlinskii(P-I) model rate dependent hysteresis
1 中国飞行试验研究院, 西安 710000
2 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳 471000
3 西北工业大学, 西安 710000
压电微动杆作为光学设备主动调焦系统的关键设备, 会因压电迟滞非线性及复杂机电耦合效应严重影响其位移输出精度, 进而影响光学设备的性能。为实现压电微动杆的高精度控制, 建立了压电微动杆的多场耦合迟滞动力学模型。在此基础上, 对压电微动杆设计鲁棒H∞反馈控制和逆Bouc-Wen前馈控制构成鲁棒复合控制器, 在保证系统鲁棒性的同时补偿压电迟滞影响, 提高控制精度。最后设计压电微动杆实验系统进行跟踪实验验证, 结果表明所设计的鲁棒复合控制方法能够实现压电微动杆的高精度位移控制。
压电微动杆 光学主动调焦 鲁棒H∞控制 Bouc-Wen迟滞模型 piezoelectric micro-motion rod active optical focusing robust H∞ control Bouc-Wen hysteresis model
1 宁波大学 机械工程与力学学院,浙江 宁波 315211
2 浙江大学 机械工程学院浙江省先进制造技术重点实验室, 浙江 杭州 310027
针对压电微操作器的迟滞非线性补偿问题, 采用Prandtl-Ishlinskii(PI)法建立了描述微操作器迟滞非线性特性的迟滞模型, 并设计其前馈控制器。首先通过将系统逆补偿输出线性化, 设计混合灵敏度H∞控制器, 使系统具有较好的动静态特性。其次搭建了由多自由度微动平台和末端柔性操作臂构成的压电微操作器系统, 并进行一系列测控实验。结果表明,基于PI逆模型的前馈控制可以较好地补偿压电微操作器的迟滞非线性, 在最大输出位移125 μm的情况下, 最大迟滞非线性率由21.7%降低至7.4%。同时混合灵敏度H∞控制能以较小的相对控制误差实现对不同类型和频率的参考轨迹跟踪, 甚至微操作器动力学参数发生变化时, 仍然具有较好的控制效果, 证实了所提出控制器的可行性。
微操作器 压电驱动 H∞控制 迟滞模型 前馈控制 micromanipulator piezoelectric actuation H∞ control hysteresis model feedforward control
光学 精密工程
2021, 29(10): 2412
1 重庆科技学院 智能技术与工程学院, 重庆 401331
2 重庆邮电大学 智能传感技术与微系统重庆市高校工程研究中心, 重庆 400065
微机电系统(MEMS)陀螺仪具有体积小、精度高、应用前景广等优点。由于惯性器件材料的热阻值、热应力差异, 对应传感器输出会产生温度滞后效应, 严重影响了陀螺仪零偏稳定性。针对传统陀螺仪温度误差补偿法适应性较差的问题, 该文利用滑动平均算法(MAA), 提出了一种温度滞后零偏补偿模型, 在全温范围内对MEMS陀螺仪零偏进行补偿。实验结果表明, 补偿后陀螺仪工作温度在-30~+90 ℃变化时, 对应的零偏标准偏差从0.21 (°)/s降至0.02 (°)/s, 零偏稳定性提升了近1个数量级。
微机电系统陀螺 滑动平均算法 全温滞后模型 零偏补偿 MEMS gyro moving average algorithm (MAA) full temperature hysteresis model zero bias compensation
宁波大学机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
对具有迟滞补偿的单压电变形镜的闭环校正性能进行了研究。提出了基于Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型的变形镜闭环控制算法,搭建了基于哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台,分别进行了静态像差和动态像差的闭环校正实验。实验结果表明:在静态像差的闭环校正中,迟滞消除算法比未消除算法具有更快的校正速度;对于波前像差均方根的平均值为168 nm的动态像差,校正后的残差从消除前的33 nm降低到校正后的25 nm,证明了所提算法可有效应用于压电变形镜自适应光学系统。
自适应光学 迟滞非线性 Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型 单压电变形镜 闭环校正
1 哈尔滨工业大学航天学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 上海机电工程研究所, 上海 200233
3 哈尔滨工业大学可调谐激光(气体)技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
4 中国科学院沈阳自动化研究所, 辽宁 沈阳 110016
空间激光通信精瞄系统中压电式倾斜镜存在的迟滞非线性特性,不仅降低了精瞄系统定位精度,而且对信标光的捕获以及链路的稳定性造成影响。针对该问题,提出一种基于PLAY迟滞算子改进Prandtl-Ishlinskii(P-I)数学模型及参数辨识方法,利用该模型对迟滞特性进行前馈线性化逆补偿。为进一步提高系统跟踪精度,在线性化的基础上,设计了静态输出反馈控制器,形成复合控制方法,并设计了激光通信终端精瞄系统实验,验证了该复合方法的有效性。通过对系统输入不同频率等幅和减幅正弦控制信号进行测试,结果表明,改进P-I模型最大拟合误差在1%之内,前馈模型逆补偿使压电陶瓷执行器(PEA)的线性度误差由5%减小到1%以内,复合控制方法系统跟踪误差降低了80%。
激光通信 倾斜镜 压电陶瓷执行器 迟滞特性 改进Prandtl-Ishlinskii迟滞模型
