CN110470921A - 压电作动器输出力迟滞效应测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压电作动器输出力迟滞效应测试方法,包括如下步骤:步骤1:建立压电作动器的preisach迟滞模型;步骤2:搭建压电作动器电压‑输出力的地面测试实验系统,所述地面测试实验系统包括压电堆栈、菱形放大环和力传感器;步骤3:开启地面测试实验系统,输入多个不同频率处的电压信号,进行开环响应测试;步骤4:记录每种输入频率信号所对应的输出力,绘制输入电压‑输出力的迟滞曲线。本发明能用于智能压电作动器输出力的精确测试,可验证多个不同频率输入信号下压电作动器输出力的迟滞效应等参数,根据不同的迟滞响应的特点,为高精密平台和设备选用提供依据,保证作动器输出力的精度满足要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电作动器输出力迟滞效应测试系统及测试方法,具体地,涉及一种适用于高精密卫星平台的压电作动器高精度力和迟滞效应的地面测试方法。
背景技术
压电作动器是一种高精度的新型智能作动器,是未来高精密平台作动器选用的主要方向。其主要设计理念是当在压电材料两端施加电压时,压电材料伸长,若压电材料两端被束缚,则会输出力。
但是,压电材料的输入电压-输出力之间也有很强的迟滞效应,各国学者也都提出了各种各样的迟滞模型。
申请号为CN201710086341.9的中国发明专利公开了一种用于压电驱动器动态迟滞补偿的非线性逆控制方法。针对动态迟滞系统存在的建模困难,大多数模型不能够准确逆解析的问题,基于Prandtl-Ishlinskii模型进行压电驱动器的非线性逆控制;通过建立与输入频率有关的动态临界值得到速率相关的play算子,将速率相关的play算子与密度函数相结合得到速率相关的Prandtl-Ishlinskii模型;在不同的输入频率下测得迟滞主环,用来确定模型参数;通过求解初始负载曲线的逆求得模型逆参数,进而得到速率相关的Prandtl-Ishlinskii逆模型;将Prandtl-Ishlinskii模型及其逆模型用于开环控制系统中,补偿压电驱动器迟滞非线性特性。但该方法较为复杂,而且是用于补偿压电驱动器迟滞。
因此,有必要设计一种能够进行压电堆电压-力输出测试实验系统,采用不同频率和不同信号的输入能够进行输入电压-输出力的开环测试,并且能够根据开环测试结果分析压电材料迟滞动力学的特性的压电作动器输出力迟滞效应测试系统及测试方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种压电作动器输出力迟滞效应测试系统及测试方法。
根据本发明提供的一种压电作动器输出力迟滞效应测试方法,包括如下步骤:
步骤1:建立压电作动器的preisach迟滞模型;
步骤2:搭建压电作动器电压-输出力的地面测试实验系统,所述地面测试实验系统包括压电堆栈、菱形放大环和力传感器;
步骤3:开启地面测试实验系统,输入多个不同频率处的电压信号,进行开环响应测试;
步骤4:记录每种输入频率信号所对应的输出力,根据所测得的力的数值,绘制输入电压-输出力的迟滞曲线。
进一步地,所述步骤1包括如下步骤:
步骤1.1:经典Preisach迟滞动力学模型可以表示为迟滞算子和相应密度函数的二重积分,如下式所示
其中,fp(t)是压电作动器的输出,u(t)是输入电压,dα,dβ是积分算子,α,β分别是作动器的工作电压的上限和下限,μ(α,β)是无量纲的密度函数,rαβ[u(t)]是迟滞算子,称继电器算子,
步骤1.2:由于压电作动器的输入电压、输出力均为正值,迟滞算子只有“0”、“1”两种状态,取值如下式所示:
其中,fp(t)是压电作动器的输出,u(t)是输入电压,dα,dβ是积分算子,α,β分别是作动器的工作电压的上限和下限,μ(α,β)是无量纲的密度函数,rαβ[u(t)]是迟滞算子,称继电器算子。
进一步地,所述步骤2包括如下步骤:
步骤2.1,采用所述压电堆栈来模拟压电作动器的动力学效应;
步骤2.2,利用菱形放大环将所述压电堆栈的输入力进行放大,放大倍数与菱形放大环两个对角线的长度之比成正比;
步骤2.3,采用所述力传感器测量所述压电堆栈的输出力。
进一步地,将所述压电堆栈用螺栓固定在所述菱形放大环的长对角线方向上,所述菱形放大环短对角线方向的输出力通过所述力传感器来测量。
进一步地,所述步骤3包括如下步骤:
步骤3.1,输入幅值为40V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的三角波电压,进行输出力开环响应测试;
步骤3.2,输入幅值为20V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的正弦电压,进行输出力开环响应测试;
步骤3.3,输入变幅值电压u1=20[sin(0.01πt)cos(0.4πt)+1]V,进行输出力开环响应测试;
步骤3.4,输入变频率电压u2=20(sin(0.001πe0.1t-0.5π)+1)V,进行输出力开环响应测试。
进一步地,所述步骤4包括如下步骤:
步骤4.1,记录幅值为40V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的三角波输入电压时,压电堆栈经菱形放大环放大后的输出力,绘制迟滞曲线;
步骤4.2,记录幅值为20V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的正弦电压输入时,压电堆栈经菱形放大环放大后的输出力,绘制迟滞曲线;
步骤4.3,记录变幅值电压u1=20[sin(0.01πt)cos(0.4πt)+1]V输入时,压电堆栈经菱形放大环放大后的输出力,绘制迟滞曲线;
步骤4.4,记录变频率电压u2=20(sin(0.001πe0.1t-0.5π)+1)V输入时,压电堆栈经菱形放大环放大后的输出力,绘制迟滞曲线。
进一步地,所述地面测试实验系统包括压电堆栈、菱形放大环和力传感器,
所述压电堆栈位于所述菱形放大环的长对角线上并与所述菱形放大环的两个顶点相连接,
所述菱形放大环位于第一固定端与所述力传感器之间,菱形放大环短对角线的端点分别与固定挡板和所述力传感器通过螺栓相连接,
所述力传感器一端与所述菱形放大环短对角线其中一个顶点通过螺栓连接,另一端与第二固定端通过螺栓相连接。
相应地,本发明还提供了一种压电作动器输出力迟滞效应测试系统,包括压电作动器preisach迟滞模型建立系统和地面测试实验系统,
所述地面测试实验系统包括压电堆栈、菱形放大环和力传感器,所述压电堆栈用于模拟压电作动器的动力学效应,所述菱形放大环用于将所述压电堆栈的输入力进行放大,所述力传感器用于测量所述压电堆栈的输出力。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
(1)本发明的压电作动器输出力迟滞效应测试方法,能够进行压电堆电压-力输出测试实验系统,采用不同频率和不同信号的输入能够进行输入电压-输出力的开环测试,并且能够根据开环测试结果分析压电材料迟滞动力学的特性,能够用于新型智能压电作动器输出力的精确测试,可以验证多个不同频率输入信号下压电作动器输出力的迟滞效应等参数;
(2)本发明的压电作动器输出力迟滞效应测试方法,可以根据不同的迟滞响应的特点,为高精密平台和设备选用新型压电作动器提供依据,保证作动器输出力的精度满足要求;
(3)本发明的压电作动器输出力迟滞效应测试方法,能有效地给出压电作动器输出力的测试方法,并能够判断不同输入信号下输出力的精度和迟滞特性,能够指导高精密设备选用智能作动器的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明一种压电作动器输出力迟滞效应测试方法的流程图。
其中,图中对应的附图标记为:21-压电堆栈,22-菱形放大环,23-力传感器,24-第一固定端,25-第二固定端。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种压电作动器输出力迟滞效应测试系统,包括压电作动器preisach迟滞模型建立系统和地面测试实验系统,
所述地面测试实验系统包括压电堆栈21、菱形放大环22和力传感器23,所述压电堆栈21用于模拟压电作动器的动力学效应,所述菱形放大环22用于将所述压电堆栈21的输入力进行放大,所述力传感器23用于测量所述压电堆栈21的输出力。
实施例2
在实施例1的基础上,本发明实施例提供了一种压电作动器输出力迟滞效应测试方法,包括如下步骤:
步骤1:建立压电作动器的preisach迟滞模型;
步骤2:搭建压电作动器电压-输出力的地面测试实验系统,所述地面测试实验系统包括压电堆栈21、菱形放大环22和力传感器23;
所述压电堆栈21为Thorlabs公司生产的型号为PK2FQP2的压电堆栈来模拟压电作动器的动力学效应,
所述力传感器23为PCB公司生产的型号为208C01的力传感器,用于测量压电堆栈21的输出力;
步骤3:开启地面测试实验系统,输入多个不同频率处的电压信号,进行开环响应测试;
步骤4:记录每种输入频率信号所对应的输出力,根据所测得的力的数值,绘制输入电压-输出力的迟滞曲线。
所述步骤1包括如下步骤:
步骤1.1:经典Preisach迟滞动力学模型可以表示为迟滞算子和相应密度函数的二重积分,如下式所示
其中,fp(t)是压电作动器的输出,u(t)是输入电压,dα,dβ是积分算子,α,β分别是作动器的工作电压的上限和下限,μ(α,β)是无量纲的密度函数,rαβ[u(t)]是迟滞算子,称继电器算子,
步骤1.2:由于压电作动器的输入电压、输出力均为正值,迟滞算子只有“0”、“1”两种状态,取值如下式所示:
其中,fp(t)是压电作动器的输出,u(t)是输入电压,dα,dβ是积分算子,α,β分别是作动器的工作电压的上限和下限,μ(α,β)是无量纲的密度函数,rαβ[u(t)]是迟滞算子,称继电器算子。
所述步骤2包括如下步骤:
步骤2.1,采用所述压电堆栈21来模拟压电作动器的动力学效应;
步骤2.2,利用菱形放大环22将所述压电堆栈21的输入力进行放大,放大倍数与菱形放大环22两个对角线的长度之比成正比;
步骤2.3,采用所述力传感器23测量所述压电堆栈21的输出力。
将所述压电堆栈21用螺栓固定在所述菱形放大环22的长对角线方向上,所述菱形放大环22短对角线方向的输出力通过所述力传感器23来测量。
所述步骤3包括如下步骤:
步骤3.1,输入幅值为40V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的三角波电压,进行输出力开环响应测试;
步骤3.2,输入幅值为20V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的正弦电压,进行输出力开环响应测试;
步骤3.3,输入变幅值电压u1=20[sin(0.01πt)cos(0.4πt)+1]V,进行输出力开环响应测试;
步骤3.4,输入变频率电压u2=20(sin(0.001πe0.1t-0.5π)+1)V,进行输出力开环响应测试。
所述步骤4包括如下步骤:
步骤4.1,记录幅值为40V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的三角波输入电压时,压电堆栈21经菱形放大环22放大后的输出力,绘制迟滞曲线;
步骤4.2,记录幅值为20V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的正弦电压输入时,压电堆栈21经菱形放大环22放大后的输出力,绘制迟滞曲线;
步骤4.3,记录变幅值电压u1=20[sin(0.01πt)cos(0.4πt)+1]V输入时,压电堆栈21经菱形放大环22放大后的输出力,绘制迟滞曲线;
步骤4.4,记录变频率电压u2=20(sin(0.001πe0.1t-0.5π)+1)V输入时,压电堆栈21经菱形放大环22放大后的输出力,绘制迟滞曲线。
所述地面测试实验系统包括压电堆栈21、菱形放大环22和力传感器23,所述压电堆栈21位于菱形放大环22的长对角线上,与所述菱形放大环22的两个顶点相连接;所述菱形放大环22位于第一固定端24与所述力传感器23之间,菱形放大环22短对角线的端点分别与固定挡板和所述力传感器23通过螺栓相连接;所述力传感器23一端与所述菱形放大环22短对角线其中一个顶点通过螺栓连接,另一端与第二固定端25通过螺栓相连接。
综上所述,本发明的压电作动器输出力迟滞效应测试方法,能够用于新型智能压电作动器输出力的精确测试,可以验证多个不同频率输入信号下压电作动器输出力的迟滞效应等参数,可以根据不同的迟滞响应的特点,为高精密平台和设备选用新型压电作动器提供依据,保证作动器输出力的精度满足要求;能有效地给出压电作动器输出力的测试方法,并能够判断不同输入信号下输出力的精度和迟滞特性,能够指导高精密设备选用智能作动器的问题。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种压电作动器输出力迟滞效应测试方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:建立压电作动器的preisach迟滞模型;
步骤2:搭建压电作动器电压-输出力的地面测试实验系统,所述地面测试实验系统包括压电堆栈(21)、菱形放大环(22)和力传感器(23);
步骤3:开启地面测试实验系统,输入多个不同频率处的电压信号,进行开环响应测试;
步骤4:记录每种输入频率信号所对应的输出力,根据所测得的力的数值,绘制输入电压-输出力的迟滞曲线。
2.根据权利要求1所述的压电作动器输出力迟滞效应测试方法,其特征在于,所述步骤1包括如下步骤:
步骤1.1:经典Preisach迟滞动力学模型可以表示为迟滞算子和相应密度函数的二重积分,如下式所示
其中,fp(t)是压电作动器的输出,u(t)是输入电压,dα,dβ是积分算子,α,β分别是作动器的工作电压的上限和下限,μ(α,β)是无量纲的密度函数,rαβ[u(t)]是迟滞算子,称继电器算子;
步骤1.2:由于压电作动器的输入电压、输出力均为正值,迟滞算子只有“0”、“1”两种状态,取值如下式所示:
其中,fp(t)是压电作动器的输出,u(t)是输入电压,dα,dβ是积分算子,α,β分别是作动器的工作电压的上限和下限,μ(α,β)是无量纲的密度函数,rαβ[u(t)]是迟滞算子,称继电器算子。
3.根据权利要求1所述的压电作动器输出力迟滞效应测试方法,其特征在于,所述步骤2包括如下步骤:
步骤2.1,采用所述压电堆栈(21)来模拟压电作动器的动力学效应;
步骤2.2,利用菱形放大环(22)将所述压电堆栈(21)的输入力进行放大,放大倍数与菱形放大环(22)两个对角线的长度之比成正比;
步骤2.3,采用所述力传感器(23)测量所述压电堆栈(21)的输出力。
4.根据权利要求3所述的压电作动器输出力迟滞效应测试方法,其特征在于,将所述压电堆栈(21)用螺栓固定在所述菱形放大环(22)的长对角线方向上,所述菱形放大环(22)短对角线方向的输出力通过所述力传感器(23)来测量。
5.根据权利要求1所述的压电作动器输出力迟滞效应测试方法,其特征在于,所述步骤3包括如下步骤:
步骤3.1,输入幅值为40V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的三角波电压,进行输出力开环响应测试;
步骤3.2,输入幅值为20V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的正弦电压,进行输出力开环响应测试;
步骤3.3,输入变幅值电压u1=20[sin(0.01πt)cos(0.4πt)+1]V,进行输出力开环响应测试;
步骤3.4,输入变频率电压u2=20(sin(0.001πe0.1t-0.5π)+1)V,进行输出力开环响应测试。
6.根据权利要求1所述的压电作动器输出力迟滞效应测试方法,其特征在于,所述步骤4包括如下步骤:
步骤4.1,记录幅值为40V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的三角波输入电压时,压电堆栈(21)经菱形放大环(22)放大后的输出力,绘制迟滞曲线;
步骤4.2,记录幅值为20V,频率分别为1Hz、10Hz、50Hz、100Hz的正弦电压输入时,压电堆栈(21)经菱形放大环(22)放大后的输出力,绘制迟滞曲线;
步骤4.3,记录变幅值电压u1=20[sin(0.01πt)cos(0.4πt)+1]V输入时,压电堆栈(21)经菱形放大环(22)放大后的输出力,绘制迟滞曲线;
步骤4.4,记录变频率电压u2=20(sin(0.001πe0.1t-0.5π)+1)V输入时,压电堆栈(21)经菱形放大环(22)放大后的输出力,绘制迟滞曲线。
7.根据权利要求1所述的压电作动器输出力迟滞效应测试方法,其特征在于,所述地面测试实验系统包括压电堆栈(21)、菱形放大环(22)和力传感器(23),
所述压电堆栈(21)位于所述菱形放大环(22)的长对角线上并与所述菱形放大环(22)的两个顶点相连接,
所述菱形放大环(22)位于第一固定端(24)与所述力传感器(23)之间,菱形放大环(22)短对角线的端点分别与固定挡板和所述力传感器(23)通过螺栓相连接,
所述力传感器(23)一端与所述菱形放大环(22)短对角线其中一个顶点通过螺栓连接,另一端与第二固定端(25)通过螺栓相连接。
8.一种压电作动器输出力迟滞效应测试系统,其特征在于,包括压电作动器preisach迟滞模型建立系统和地面测试实验系统,
所述地面测试实验系统包括压电堆栈(21)、菱形放大环(22)和力传感器(23),所述压电堆栈(21)用于模拟压电作动器的动力学效应,所述菱形放大环(22)用于将所述压电堆栈(21)的输入力进行放大,所述力传感器(23)用于测量所述压电堆栈(21)的输出力。
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