压电陶瓷系统迟滞非线性建模与控制的研究

【摘要】为了提高空间光学遥感器在轨运动成像过程中的稳像控制精度，以压电陶瓷执行器为研究对象，以国内外压电陶瓷迟滞建模与控制方法为基础，深入研究系统辨识理论和非线性系统控制算法。压电陶瓷微位移器量程小、精度高、输出力大、噪声小、动态性能好，是小范围高精度精密控制系统最优执行器器件之一。但电压驱动的压电陶瓷存在迟滞、蠕变等引起的非线性，给实际应用带来不便。为了解决这一技术难题，采用理论与实践相结合的研究方法，深入分析压电陶瓷的迟滞机理，对精度高、行程小的压电陶瓷微米级执行器件迟滞非线性的校正技术进行了深入的探讨，建立压电陶瓷动态迟滞模型，通过逆补偿与增量PID复合控制，实现对压电陶瓷系统的迟滞非线性误差校正。对压电陶瓷的迟滞特性进行分析，给出了压电陶瓷迟滞非线性的形成机理。针对压电陶瓷升压曲线与降压曲线不重合的迟滞特性、压电陶瓷执行器的输出位移对时间迟滞效应的蠕变特性、线膨胀和压电效应表现出的温度特性，深入研究了压电陶瓷的微观极化机理。当压电陶瓷外加电场较大时，从微观领域给出了压电陶瓷迟滞非线性的形成原因；确定了压电陶瓷内部的电偶极子极化和电畴转向两方面因素，从而产生了大量不可逆的电畴转向。压电陶瓷迟滞建模方法研究，改进了Duhem模型参数辨识。针对空间大型光学遥感器快摆镜，需要抑制振动分布在较宽的频段的特性，选择Duhem动态迟滞模型校正迟滞非线性方法，根据系统辨识理论，采用改进遗忘因子的递推最小二乘法，完成Duhem模型参数辨识，其辨识精度达到5310-6。采用前馈逆补偿和增量PID复合控制方法，对压电陶瓷迟滞控制方法进行深入的研究，使控制绝对误差有较大提高。根据逆函数定理，建立Duhem逆模型；通过迟滞逆模型实现补偿，给出了增量PID复合控制的调节参数；应用前后三次测量值偏差求出控制增量，进一步提高系统的控制精度。Matlab/Simulink环境下仿真结果表明：在0~10μm的范围内，控制算法的绝对误差小于3.5nm，为压电陶瓷应用在可靠的、高精度的控制系统中，奠定了良好的技术基础。基于图形化语言LabvieW环境，实现了基于LabvieWFPGA的算法和系统控制。通过NI公司R系列智能采集卡7841的高速AD、DA采集系统，构建在Virtex-5（FPGA）芯片上实现的算法；设计偏置电压调节电路，完成了实验系统搭建与测试。算法使在0~10μm的范围内，控制系统的绝对误差减小了90%，并实现了ns级的动态工作性能。通过模拟实验，验证了算法的有效性，提高了压电陶瓷系统的控制精度与动态特性；所做的研究内容和仿真试验结果表明：压电陶瓷微位移器在空间光学遥感器快摆镜的高精度跟踪、定位系统中，发挥了重要的应用价值。
【作者】孙孔政；
【导师】徐抒岩；
【作者基本信息】中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，光学工程，2013，硕士
【关键词】压电陶瓷；迟滞特性；Duhem模型；逆补偿；LabvieWFPGA；

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