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用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法

阅读：501发布：2021-02-26

IPRDB可以提供用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法，针对微系统中的迟滞、蠕变等非线性和振动限制了微操作中的精度问题，利用前馈技术改善用于微操作任务中的压电悬臂梁的总体性能；使用动态线性模型，将蠕变部分与阶跃响应曲线分离来识别蠕变；确定线性静态增益和蠕变模型，使用开环控制来补偿蠕变；在零振动输入整形技术的基础上，确定阻尼振荡系统的增益，考虑输入的脉冲振幅及其应用时间的延迟。本发明可以降低迟滞非线性，减小蠕变，并大幅移除超调，提高微观调节的便利性与稳定性。，下面是用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法，其特征在于，使输入信号依次通过振动控制器、蠕变补偿器和迟滞补偿器后施加于压电悬臂梁，使系统逐步识别和补偿振动、蠕变和迟滞这三种现象。

2.根据权利要求1所述的用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法，其特征在于，补偿方法具体为：在压电悬臂梁上施加至少半个周期的正弦电压，使获得的滞后曲线在电压-输出图的正极部分；

定义基本反冲的数量，将输入域拆分为均匀或非均匀区，获得带宽和输出量；

根据带宽值构造三角矩阵，得到Prandtl-Ishlinskii模型，同时求得Prandtl-Ishlinskii逆模型，实现迟滞补偿；

在迟滞补偿的基础上，选择一阶阶跃响应模型，确定其输入与输出信号并计算线性静态增益；

令线性静态增益的倒数为补偿系数，使用ARMAX模型与Matlab软件确定蠕变模型参数，并对比模拟曲线与实验结果，若二者相差值大于设定阈值，则增加模型阶数重新模拟并实验，直至结果相吻合，然后结合补偿系数对新的输入信号做前置反馈蠕变补偿，得到蠕变补偿的关系式与新的传递函数；

建立ZV技术模型，使用两个以上脉冲，后一个脉冲与前一个脉冲间隔一定时间输入，选择前后两个脉冲的振幅，第二个脉冲的振动与第一个脉冲产生的振动相抵消，从而获得无振动的输出。

3.根据权利要求2所述的用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法，其特征在于，静态增益表示为：其中，δfv为不变量，其值等于振动补偿后的输出值，δh为蠕变补偿后的输出值。

4.根据权利要求2所述的用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法，其特征在于，振动控制时，在经典ZV输入整形模型中间隔一定时间加入两个以上的脉冲来消除振动，每个脉冲需满足下述条件：其中，Ai为脉冲的振幅，δi(t)为每个脉冲的时域解；

假设则

其中，m为输入的脉冲数，ai为(1+β)m-1中关于β的单项式， T是系统的振动周期，ti为第i个脉冲施加的时间，ξ为阻尼比，ωn为系统的自然频率。

说明书全文

用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种补偿方法，具体涉及一种用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法。

背景技术

[0002] 目前，智能化和功能化的微小型系统被越来越广泛地应用。这些微操作系统的主要特征之一是它们在操作过程中必须具有高度的准确性。压电材料由于其响应时间快、分辨率高等性能被广泛使用于微定位和夹持系统中，但是和其他活性材料一样，压电材料的性能受到非线性的强烈影响。其中，迟滞和蠕变影响着微系统的定位重复性和精度，振动严重影响微操作中的超调，并导致微型器械的损坏。

[0003] 现有技术通常使用前馈逆模型来补偿迟滞；一种方法是为电压建立相反的对数模型或者用线性动态算子对蠕变建模来补偿蠕变，该方法要求蠕变模型为一个双因果体系；另一种方法是使用线性动力学模型及其反演模型来消除振动，该方法要求模型为双因果模型并具有可逆性。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法，在迟滞补偿的基础上建立蠕变模型，补偿静态增益，在经典ZV整形技术模型中输入两个以上脉冲，确定每个脉冲的相位和幅值以及间隔时间，从而获得无振动的输出。

[0005] 实现本发明目的的技术方案为：一种用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法，使输入信号依次通过振动控制器、蠕变补偿器和迟滞补偿器后施加于压电悬臂梁，使系统逐步识别和补偿振动、蠕变和迟滞这三种现象。

[0006] 进一步的，补偿方法具体步骤为：

[0007] 在压电悬臂梁上施加至少半个周期的正弦电压，使获得的滞后曲线在电压-输出图的正极部分；

[0008] 定义基本反冲的数量，将输入域拆分为均匀或非均匀区，获得带宽和输出量；

[0009] 根据带宽值构造三角矩阵，得到Prandtl-Ishlinskii模型，同时求得Prandtl-Ishlinskii逆模型，实现迟滞补偿；

[0010] 在迟滞补偿的基础上，选择一阶阶跃响应模型，确定其输入与输出信号并计算线性静态增益；

[0011] 令线性静态增益的倒数为补偿系数，使用ARMAX模型与Matlab软件确定蠕变模型参数，并对比模拟曲线与实验结果，若二者相差值大于设定阈值，则增加模型阶数重新模拟并实验，直至结果相吻合，然后结合补偿系数对新的输入信号做前置反馈蠕变补偿，得到蠕变补偿的关系式与新的传递函数；

[0012] 建立ZV技术模型，使用两个以上脉冲，后一个脉冲与前一个脉冲间隔一定时间输入，选择前后两个脉冲的振幅，第二个脉冲的振动与第一个脉冲产生的振动相抵消，从而获得无振动的输出。

[0013] 静态增益表示为：

[0014]

[0015] 其中，δfv为不变量，其值等于振动补偿后的输出值，δh为蠕变补偿后的输出值。

[0016] 进一步的，振动控制时，在经典ZV输入整形模型中间隔一定时间加入两个以上振幅合理的脉冲来消除振动，每个脉冲需满足下述条件：

[0017]

[0018]

[0019] 其中，Ai为脉冲的振幅，δi(t)为每个脉冲的时域解；

[0020] 假设则

[0021]

[0022]

[0023] 其中，m为输入的脉冲数，ai为(1+β)m-1中关于β的单项式，ti为第i个脉冲施加的时间，ξ为阻尼比，ωn为系统的自然频率，T是系统的振动周期。

[0024] 与现有技术相比，本发明的优点为：(1)本发明所建立的蠕变补偿模型能够显著有效地降低蠕变，并且不需要反相模型；(2)本发明所提出的振动控制方法可在无需反演模型的情况下去除不需要的振动，大幅减小超调量，缩短稳定时间；(3)本发明所提出的非线性补偿方法利用开环前馈补偿方法，实现对迟滞、蠕变与振动这三种现象的级联补偿，准确性高，易于实施；(4)使用动态线性模型补偿压电悬臂梁的蠕变，在ZV输入补偿技术中加入脉冲消除压电悬臂梁的振动与超调，实现了非线性补偿，提高了定位精度。

附图说明

[0025] 图1为压电悬臂梁的开环非线性补偿控制流程图。

[0026] 图2为迟滞补偿之后的压电悬臂梁蠕变示意图。

[0027] 图3为压电悬臂梁的蠕变补偿流程图。

[0028] 图4为振动控制器中脉冲抵消原理图。

[0029] 图5为压电悬臂梁的振动控制流程图。

具体实施方式

[0030] 如图1所示为压电悬臂梁的开环非线性补偿控制流程图，本发明提出了一种用于压电悬臂梁的振动、蠕变及迟滞级联补偿方法，使输入信号依次通过振动控制器、蠕变补偿器和迟滞补偿器后施加于压电悬臂梁，使系统逐步连续地识别和补偿振动、蠕变和迟滞这三种现象。

[0031] 输入信号先经过振动控制器，减小超调量、削弱阻尼现象，输出衰减良好、有蠕变与迟滞现象的信号，再经过蠕变补偿器，消除蠕变，输出衰减良好、无蠕变但存在迟滞现象的信号，将此信号输入迟滞补偿器，补偿迟滞，输出无蠕变、超调量小且衰减良好的信号，施加于压电悬臂梁，从而使得其输出具有高度准确性的偏转信号。迟滞补偿器与压电悬臂梁构成一个有蠕变与严重阻尼现象的伪线性系统，蠕变补偿器、迟滞补偿器与压电悬臂梁构成一个无蠕变、有严重阻尼现象的伪线性系统，振动控制器、蠕变补偿器和迟滞补偿器与压电悬臂梁构成一个无蠕变、超调量小且衰减良好的伪线性系统。

[0032] 如图2所示为滞后补偿之后的压电悬臂梁蠕变示意图。

[0033] 考虑迟滞补偿之后的系统有较为明显的蠕变现象，蠕变量可表示为：

[0034] creep(s)＝C(s)·δh(s) (1)

[0035] C(s)为蠕变系数，δh(s)为蠕变补偿后的输出值；

[0036] 如图3所示为压电悬臂梁的蠕变补偿流程图。

[0037] 建立蠕变模型，进行前置反馈补偿，其蠕变系数为C(s)，补偿系数为1/K，K为线性静态增益：

[0038]

[0039] 其中，δfv为不变量，其值等于振动补偿后的输出值，δh为蠕变补偿后的输出值。

[0040] 蠕变补偿关系式为：

[0041]

[0042] 其中，δc为新的参考输入信号。

[0043] 补偿之后新的传递函数为：

[0044]

[0045] 其中，δ为输出信号。

[0046] 如附图4所示为振动控制技术中脉冲抵消原理图。

[0047] 在经典ZV技术模型中使用两个以上脉冲，确定每个脉冲引起的振动时域方程，后一个脉冲与前一个脉冲间隔一定时间输入，当这前后两个脉冲的振幅被合理选择时，第二个脉冲的振动可以与第一个脉冲产生的振动相抵消，从而获得无振动输出。

[0048] 图5所示为压电悬臂梁的振动控制流程图。

[0049] 为获得无振动输出，在ZV技术中输入脉冲时，每个脉冲的幅值和时域方程需要满足的条件为：

[0050]

[0051] 其中，Ai为脉冲的振幅，ti为脉冲输入时间。

[0052] 使用动态线性模型补偿压电悬臂梁的蠕变，在ZV输入补偿技术中加入脉冲消除压电悬臂梁的振动与超调，实现了非线性补偿，提高了定位精度。

标题	发布/更新时间	阅读量
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