CN112198791A - 一种基于压电陶瓷驱动的复合控制方法、设备及存储介质 - Google Patents

一种基于压电陶瓷驱动的复合控制方法、设备及存储介质 Download PDF

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    • G05B11/01—Automatic controllers electric
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Abstract

本申请公开了一种基于压电陶瓷驱动的复合控制方法、设备及存储介质，该复合控制方法包括：获取压电陶瓷的期望输出位移，以及实际输出变化量；基于实际输出变化量获取反馈补偿电压；对期望输出位移进行前馈补偿控制，获取前馈补偿电压；基于反馈补偿电压和前馈补偿电压驱动压电陶瓷驱动器。上述方案，能够对压电陶瓷的输出位移实现精确控制。

Description

一种基于压电陶瓷驱动的复合控制方法、设备及存储介质
技术领域
本申请涉及压电陶瓷应用技术领域，特别是涉及一种基于压电陶瓷驱动的复合控制方法、设备及存储介质。
背景技术
压电陶瓷在超高精度定位领域应用广泛，主要应用于微动平台(微动机器人)的驱动，如细胞操作，微/纳机电系统及超精密加工等。对压电陶瓷驱动器的精密跟踪控制是实现超高精度定位的关键。然而，压电层片驱使压电陶瓷伸长，将产生迟滞非线性现象，不可避免地会在系统定位过程中产生定位跟踪误差，影响整个系统的定位操作性能。
发明内容
本申请至少提供一种基于压电陶瓷驱动的复合控制方法、设备及存储介质。
本申请第一方面提供了一种基于压电陶瓷驱动的复合控制方法，所述复合控制方法包括：
获取压电陶瓷的期望输出位移，以及实际输出变化量；
基于所述实际输出变化量获取反馈补偿电压；
对所述期望输出位移进行前馈补偿控制，获取前馈补偿电压；
基于所述反馈补偿电压和所述前馈补偿电压驱动压电陶瓷驱动器。
其中，所述获取压电陶瓷的实际输出变化量的步骤，包括：
建立位移测量系统，所述位移测量系统包括黏贴封装在所述压电陶瓷两侧的应变片，所述应变片组成惠斯顿全桥应变测量电路；
基于所述期望输出位移向所述位移测量系统输入激励电压，并获取所述测量电路输出的输出电压；
基于所述激励电压和输出电压的关系，计算所述压电陶瓷的实际输出变化量。
其中，在计算所述压电陶瓷的实际输出变化量的过程中，引入所述压电陶瓷的泊松比。
其中，所述基于所述实际输出变化量获取反馈补偿电压的步骤，包括：
将所述实际输出变化量作为PID控制器的输入，获得所述反馈补偿电压，用于驱动所述压电陶瓷。
其中，所述对所述期望输出位移进行前馈补偿控制，获取前馈补偿电压的步骤，包括：
建立迟滞动力学模型，并计算所述迟滞动力学模型中的迟滞算子以及逆迟滞算子；
通过所述期望输出位移以及所述逆迟滞算子，计算所述前馈补偿电压。
其中，所述压电陶瓷的输出位移由线性位移分量与迟滞位移分量叠加形成；
所述建立迟滞动力学模型的步骤，包括：
建立压电陶瓷驱动器动力学模型；
通过所述迟滞算子模拟所述迟滞位移分量；
将所述迟滞位移分量叠加到所述压电陶瓷驱动器动力学模型，得到所述迟滞动力学模型。
其中，所述复合控制方法还包括：
采用粒子群优化算法对所述迟滞动力学模型的参数进行辨识；
将所述期望输出位移以及所述实际输出变化量的偏差输入粒子的适应的函数中，得到所述迟滞动力学模型中每一参数的寻优范围以及数值。
其中，所述基于所述反馈补偿电压和所述前馈补偿电压驱动压电陶瓷驱动器的步骤，包括：
将所述反馈补偿电压和所述前馈补偿电压进行相加，得到驱动电压；
以所述驱动电压驱动所述压电陶瓷驱动器，得到目标输出位移。
本申请第二方面提供了一种终端设备，包括相互耦接的存储器和处理器，处理器用于执行存储器中存储的程序指令，以实现上述第一方面中的复合控制方法。
本申请第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，程序指令被处理器执行时实现上述第一方面中的复合控制方法。
本申请中，终端设备获取压电陶瓷的期望输出位移，以及实际输出变化量；基于实际输出变化量获取反馈补偿电压；对期望输出位移进行前馈补偿控制，获取前馈补偿电压；基于反馈补偿电压和前馈补偿电压驱动压电陶瓷驱动器。上述方案，能够对压电陶瓷的输出位移实现精确控制。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于说明本申请的技术方案。
图1是本申请提供的基于压电陶瓷驱动的复合控制方法一实施例的流程示意图；
图2是本申请提供的光纤拉伸器一实施例的结构示意图；
图3是图2所示实施例中步骤S11的具体流程示意图；
图4是本申请提供的位移测量系统一实施例的结构示意图；
图5是本申请提供的基于压电陶瓷驱动的复合控制系统一实施例的框架示意图；
图6是图2所示实施例中步骤S13的具体流程示意图；
图7是本申请提供的终端设备一实施例的框架示意图；
图8是本申请提供的计算机可读存储介质一实施例的框架示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本申请实施例的方案进行详细说明。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。此外，本文中的“多”表示两个或者多于两个。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
请参阅图1，图1是本申请提供的基于压电陶瓷驱动的复合控制方法一实施例的流程示意图。本申请基于压电陶瓷驱动的复合控制方法应用于一种光纤拉伸器，具体请参阅图2，图2是本申请提供的光纤拉伸器一实施例的结构示意图。具体地，光纤拉伸器中间为若干层叠加的驱动压电陶瓷，光纤拉伸器的两端分别为刚性结构，光纤缠绕在光纤拉伸器两端的刚性结构上。光纤拉伸器通过给压电陶瓷提供驱动电压，使得压电陶瓷发生位移变化，控制刚性结构的相对距离，从而对光纤进行拉伸。
具体而言，本申请提供的基于压电陶瓷驱动的复合控制方法具体包括以下步骤：
步骤S11：获取压电陶瓷的期望输出位移，以及实际输出变化量。
其中，复合控制装置首先通过接收到的控制指令获取压电陶瓷的期望输出位置，然后再测量压电陶瓷在控制过程中的实际输出变化量。压电陶瓷的实际输出变化量可以通过常见的测量工具测量，例如电子测量仪、红外线测量仪等。
在本公开实施例中，也可以建立位移测量系统，通过压电陶瓷表现出来的电压变化值计算压电陶瓷的实际输出变化量，具体请参阅图3，图3是图2所示实施例中步骤S11的具体流程示意图。具体而言，步骤S11具体包括以下步骤：
步骤S21：建立位移测量系统，位移测量系统包括黏贴封装在压电陶瓷两侧的应变片，应变片组成惠斯顿全桥应变测量电路。
其中，本申请所提供的位移测量系统具体请参阅图4。位移测量系统具体包括黏贴封装在压电陶瓷两侧的四个应变片，四个应变片组成惠斯顿全桥应变测量电路。
其中，输入位移测量系统的激励电压VEX与应变桥路输出电压V0的关系为：
Figure BDA0002735879070000051
Figure BDA0002735879070000052
步骤S22：基于期望输出位移向位移测量系统输入激励电压，并获取测量电路输出的输出电压。
其中，假设位移测量系统中每个应变片的标称阻值都相同，即R1＝R2＝R3＝R4，其中，R1和R4为变应变片，R2和R3为固定阻值的补偿应变片，ΔR为应变片的变化阻值，GF为应变系数，ε为应变，。
步骤S23：基于激励电压和输出电压的关系，计算压电陶瓷的实际输出变化量。
其中，由式(1)可得压电陶瓷驱动位移计算公式为：
Figure BDA0002735879070000053
其中，Δl为压电陶瓷驱动输出位移，L为堆叠式压电层总厚度。
进一步地，考虑到压电材料垂直于驱动伸长方向会产生缩短(或伸长)变形，引入泊松比ν：
Figure BDA0002735879070000054
其中，上述式(3)即为本申请提供的压电陶瓷驱动位移变化量的计算公式，可用于控制反馈下计算压电陶瓷输出位移。
步骤S12：基于实际输出变化量获取反馈补偿电压。
其中，本申请提供的复合控制系统具体请参阅图5，图5是本申请提供的基于压电陶瓷驱动的复合控制系统一实施例的框架示意图。
如图5所示，将输出位移q(t)通过应变测量系统校准后，与期望输出位移
Figure BDA0002735879070000061
之间误差e，即实际输出变化量作为PID(Proportional Integral Derivative)控制器的输入，获得反馈补偿电压ue驱动压电陶瓷。
步骤S13：对期望输出位移进行前馈补偿控制，获取前馈补偿电压。
其中，本申请还需要对期望输出位移进行前馈补偿控制，以获取前馈补偿电压，前馈补偿的方式可以采用建立迟滞非线性的数学模型对迟滞进行描述，如PI模型、Duham模型、Bouc-Wen模型以及Maxwell模型等，利用其逆模型前馈补偿控制对电压进行补偿，来减少迟滞非线性。
具体地，本申请可以通过图6所示的方式获取前馈补偿电压，图6是图2所示实施例中步骤S13的具体流程示意图。具体而言，步骤S13具体包括以下步骤：
步骤S31：建立迟滞动力学模型，并计算迟滞动力学模型中的迟滞算子以及逆迟滞算子。
其中，为了更好地表达压电陶瓷的动态位移输出特性，建立含迟滞模型的动力学模型。假设压电陶瓷的输出位移可看做线性分量与迟滞分量的叠加：
x(t)＝du-h (4)
其中，x(t)为压电陶瓷输出位移，d为压电系数，u为压电陶瓷驱动电压，h表示迟滞位移分量。利用Bouc-Wen迟滞算子模拟迟滞位移分量：
Figure BDA0002735879070000062
其中，α,β,γ是决定迟滞非线性形态参数，对于塑性材料而言，n＝1.为了简化系统，本申请不考虑全局扰动，即p＝0。
当对压电陶瓷驱动器施加驱动电压，其输出可以被看做一驱动力发生器，因此叠堆式压电陶瓷每一压电层片都可以等效成一个质量-弹簧-阻尼系统。考虑其迟滞非线性，采用式(4)对压电陶瓷驱动器动力学模型加以改进，形成迟滞动力学模型：
Figure BDA0002735879070000071
其中，m，c，k为压电陶瓷所有层片的质量、阻尼、弹性系数，x为压电层片中的输出位移。
为了得到压电陶瓷迟滞动力学模型，采用粒子群(PSO，Particle swarmoptimization)优化算法对m，c，k，d，α，β和λ7个参数进行辨识。
其中，粒子的适应度函数为：
Figure BDA0002735879070000072
Figure BDA0002735879070000073
其中，n为总的采样点数，Ei为第i个点压电陶瓷实际输出位移xi与模型理论输出位移
Figure BDA0002735879070000074
的偏差。粒子的约束即寻优范围如表1所示：
表1Bouc-Wen迟滞动力学参数识别结果
模型参数(单位) 寻优范围 数值
m/kg 0.1～0.2 0.1651
c/(Ns·m<sup>-1</sup>) 0～10 0
k(×10<sup>6</sup>N/m) 5～6 5.9930
d(×10<sup>-7</sup>m/V) 0～5 1.0970
alfa 0～1 0.2211
beta 0～1 0.0179
gama 0～1 0.0195
步骤S32：通过期望输出位移以及逆迟滞算子，计算前馈补偿电压。
其中，逆Bouc-Wen模型的前馈补偿控制((H-1)FF)，用于补偿压电陶瓷的迟滞非线性，该前馈补偿的方法是在实际的迟滞环中考虑逆迟滞算子ξ-1，其中，迟滞算子ξ描述理论迟滞环，可由上述Bouc-Wen模型的辨识结果得到，由此，迟滞补偿为：
Figure BDA0002735879070000081
Figure BDA0002735879070000082
其中，q(t)为压电陶瓷实际输出位移，
Figure BDA0002735879070000083
为期望压电陶瓷输出位移，ufeedward(t)为压电陶瓷前馈补偿电压。
步骤S14：基于反馈补偿电压和前馈补偿电压驱动压电陶瓷驱动器。
其中，请继续参阅图5，此时，复合控制算法输出的驱动电压为u＝ufeedforward+ue，这将使压电陶瓷的输出位移更加精确，对轨迹的动态跟踪性能更好。
具体地，本公开实施例通过逆Bouc-Wen模型前馈补偿的复合控制方法可以有效地补偿压电陶瓷的迟滞非线性，而且PI反馈控制可以消除模型辨识带来的误差，从而满足了压电陶瓷驱动器高精度轨迹跟踪控制的要求。
本申请中，复合控制装置获取压电陶瓷的期望输出位移，以及实际输出变化量；基于实际输出变化量获取反馈补偿电压；对期望输出位移进行前馈补偿控制，获取前馈补偿电压；基于反馈补偿电压和前馈补偿电压驱动压电陶瓷驱动器。上述方案，能够对压电陶瓷的输出位移实现精确控制。
请继续参阅图7，图7是本申请提供的终端设备一实施例的框架示意图。终端设备70包括相互耦接的存储器71和处理器72，处理器72用于执行存储器71中存储的程序指令，以实现上述任一复合控制方法实施例中的步骤。在一个具体的实施场景中，终端设备70可以包括但不限于：微型计算机、服务器，此外，终端设备70还可以包括笔记本电脑、平板电脑等移动设备，在此不做限定。
具体而言，处理器72用于控制其自身以及存储器71以实现上述任一复合控制方法实施例中的步骤。处理器72还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)。处理器72可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器72还可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。另外，处理器72可以由集成电路芯片共同实现。
请参阅图8，图8是本申请提供的计算机可读存储介质一实施例的框架示意图。计算机可读存储介质80存储有能够被处理器运行的程序指令801，程序指令801用于实现上述任一复合控制方法实施例中的步骤。
在一些实施例中，本公开实施例提供的装置具有的功能或包含的模块可以用于执行上文方法实施例描述的方法，其具体实现可以参照上文方法实施例的描述，为了简洁，这里不再赘述。
上文对各个实施例的描述倾向于强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以互相参考，为了简洁，本文不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性、机械或其它的形式。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (10)

1.一种基于压电陶瓷驱动的复合控制方法，其特征在于，所述复合控制方法包括：
获取压电陶瓷的期望输出位移，以及实际输出变化量；
基于所述实际输出变化量获取反馈补偿电压；
对所述期望输出位移进行前馈补偿控制，获取前馈补偿电压；
基于所述反馈补偿电压和所述前馈补偿电压驱动压电陶瓷驱动器。
2.根据权利要求1所述的复合控制方法，其特征在于，
所述获取压电陶瓷的实际输出变化量的步骤，包括：
建立位移测量系统，所述位移测量系统包括黏贴封装在所述压电陶瓷两侧的应变片，所述应变片组成惠斯顿全桥应变测量电路；
基于所述期望输出位移向所述位移测量系统输入激励电压，并获取所述测量电路输出的输出电压；
基于所述激励电压和输出电压的关系，计算所述压电陶瓷的实际输出变化量。
3.根据权利要求2所述的复合控制方法，其特征在于，
在计算所述压电陶瓷的实际输出变化量的过程中，引入所述压电陶瓷的泊松比。
4.根据权利要求1所述的复合控制方法，其特征在于，
所述基于所述实际输出变化量获取反馈补偿电压的步骤，包括：
将所述实际输出变化量作为PID控制器的输入，获得所述反馈补偿电压，用于驱动所述压电陶瓷。
5.根据权利要求1所述的复合控制方法，其特征在于，
所述对所述期望输出位移进行前馈补偿控制，获取前馈补偿电压的步骤，包括：
建立迟滞动力学模型，并计算所述迟滞动力学模型中的迟滞算子以及逆迟滞算子；
通过所述期望输出位移以及所述逆迟滞算子，计算所述前馈补偿电压。
6.根据权利要求5所述的复合控制方法，其特征在于，所述压电陶瓷的输出位移由线性位移分量与迟滞位移分量叠加形成；
所述建立迟滞动力学模型的步骤，包括：
建立压电陶瓷驱动器动力学模型；
通过所述迟滞算子模拟所述迟滞位移分量；
将所述迟滞位移分量叠加到所述压电陶瓷驱动器动力学模型，得到所述迟滞动力学模型。
7.根据权利要求6所述的复合控制方法，其特征在于，
所述复合控制方法还包括：
采用粒子群优化算法对所述迟滞动力学模型的参数进行辨识；
将所述期望输出位移以及所述实际输出变化量的偏差输入粒子的适应的函数中，得到所述迟滞动力学模型中每一参数的寻优范围以及数值。
8.根据权利要求1所述的复合控制方法，其特征在于，
所述基于所述反馈补偿电压和所述前馈补偿电压驱动压电陶瓷驱动器的步骤，包括：
将所述反馈补偿电压和所述前馈补偿电压进行相加，得到驱动电压；
以所述驱动电压驱动所述压电陶瓷驱动器，得到目标输出位移。
9.一种终端设备，其特征在于，包括相互耦接的存储器和处理器，所述处理器用于执行所述存储器中存储的程序指令，以实现权利要求1至8中任一项所述的复合控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，其特征在于，所述程序指令被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的复合控制方法。
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