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压电陶瓷驱动器迟滞非线性的修正Rayleigh模型建模及实验验证

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机械科学与技术 2024年第4期43卷 582-590页

作者：张萌刘玉为范鹏举刘时成朱禹清陕西科技大学机电工程学院西安710021

针对压电陶瓷驱动器建模复杂的技术难点,本文提出了一种基于修正Rayleigh模型的动态迟滞非线性建模方法。首先,针对压电陶瓷材料的机电响应特性,构建了压电驱动器的线性本构方程;然后,基于迟滞效应成因及其微观机理研究,提出了采用Rayle... 详细信息

针对压电陶瓷驱动器建模复杂的技术难点,本文提出了一种基于修正Rayleigh模型的动态迟滞非线性建模方法。首先,针对压电陶瓷材料的机电响应特性,构建了压电驱动器的线性本构方程;然后,基于迟滞效应成因及其微观机理研究,提出了采用Rayleigh模型的非线性建模方法;在此基础上,采用一阶线性方程描述压电驱动器频率相关特性并通过实验验证其有效性;之后,采用双Rayleigh系数,构建了非对称Rayleigh模型;最后,实验验证了Rayleigh模型在压电陶瓷驱动器次环响应中的适用性。

关键词：压电陶瓷驱动器迟滞非线性 Rayleigh模型率相关

基于Rayleigh-BP模型的压电驱动系统迟滞建模与前馈控制

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中国机械工程 2024年

作者：张萌范鹏举王俊璞刘时成陕西科技大学机电工程学院

针对可调谐半导体激光器压电驱动系统的迟滞非线性，本文提出了一种基于Rayleigh-BP的建模及控制方法。首先，利用空间扩展法建立了Rayleigh-BP率相关迟滞模型，该模型实现了对压电驱动系统的率相关迟滞非线性的精准预测；其次，利用逆... 详细信息

针对可调谐半导体激光器压电驱动系统的迟滞非线性，本文提出了一种基于Rayleigh-BP的建模及控制方法。首先，利用空间扩展法建立了Rayleigh-BP率相关迟滞模型，该模型实现了对压电驱动系统的率相关迟滞非线性的精准预测；其次，利用逆向算法求解了Rayleigh模型的逆模型，并将该模型与BP神经网络结合，设计了前馈控制器对系统进行补偿；最后，对前馈控制方法进行了仿真与实验验证。结果表明，本文建立的Rayleigh-BP模型具有较高的精度，在10 Hz时均方根误差仅为0.0469 μm。前馈控制方法可以明显提高系统输出的线性度，在40 Hz时仿真结果均方根误差为0.0274 μm，线性相关系数R2为0.99992。在30 Hz时实验结果均方根误差为0.0506 μm，线性相关系数R2达到了0.99955，极大降低了迟滞现象。

关键词：迟滞非线性 Rayleigh模型 BP神经网络前馈控制

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压电陶瓷执行器迟滞非线性补偿与最优控制

仪器仪表学报 2022年第8期43卷 163-172页

作者：高源蓬张泉李清灵尹达一中国科学院红外探测与成像技术重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100039

为提高空间望远镜精密稳像系统中压电驱动快摆镜(FSM)的摆动精度,对压电陶瓷执行器迟滞非线性补偿和控制技术进行研究。针对压电迟滞的非对称性以及Duhem模型求逆过程复杂的问题,对Duhem模型中的微分方程进行变换,直接建立Duhem非对称... 详细信息

为提高空间望远镜精密稳像系统中压电驱动快摆镜(FSM)的摆动精度,对压电陶瓷执行器迟滞非线性补偿和控制技术进行研究。针对压电迟滞的非对称性以及Duhem模型求逆过程复杂的问题,对Duhem模型中的微分方程进行变换,直接建立Duhem非对称逆迟滞模型作为迟滞前馈补偿器,并利用免疫差分进化算法辨识模型参数。在Duhem逆模型补偿压电静态迟滞非线性的基础上,引入基于优化参考跟踪的线性二次型高斯(LQG-ORT)控制方法进一步提高压电执行器的动态定位精度,采用动态迟滞率相关自回归各态历经模型(ARX)建立状态空间方程,用于卡尔曼滤波器预测状态变量和控制器计算状态变量的最优控制系数矩阵。实验结果表明:直接建立的Duhem非对称逆迟滞模型能有效描述压电执行器非对称逆迟滞曲线,拟合均方根误差为0.6359 V(0.5 Hz),相对误差为0.79%(0.5 Hz);实时跟踪幅值为24μm,频率范围1~80 Hz的目标位移信号,LQG-ORT算法的跟踪误差为0.0655μm,相对误差为0.27%。

关键词：迟滞非线性率相关性 Duhem模型免疫差分进化算法最优控制

基于动态惯性权重的电子节气门改进PSO-BP优化控制

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现代制造工程 2024年第2期 45-52页

作者：孙建民杨世虎赵磊姚德臣北京建筑大学机电与车辆工程学院北京100044 城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室北京100044

针对汽车电子节气门系统存在的动态迟滞非线性问题,提出一种模糊神经网络PID控制器的设计方法。该控制器将动态调整惯性权重的粒子群优化算法和BP算法结合来优化模糊神经网络参数,修正模糊神经网络在寻优过程中收敛缓慢、易陷入局部最... 详细信息

针对汽车电子节气门系统存在的动态迟滞非线性问题,提出一种模糊神经网络PID控制器的设计方法。该控制器将动态调整惯性权重的粒子群优化算法和BP算法结合来优化模糊神经网络参数,修正模糊神经网络在寻优过程中收敛缓慢、易陷入局部最小值的不足。利用模糊神经网络的自学习能力,对PID控制器参数进行整定。仿真结果表明,经过优化后的模糊神经网络PID控制器相比于模糊PID控制器在响应时间、超调量和振荡次数等方面都有显着提升。在模拟气流扰动工况施加扰动信号后,该控制器表现出良好的抗干扰性能。在电子节气门响应试验中,节气门响应曲线存在轻微超调,但稳态误差较小,表明该控制方法下电子节气门具有良好的动态响应特性。

关键词：动态惯性权重电子节气门迟滞非线性改进粒子群优化算法模糊神经网络

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迟滞非线性系统的建模与控制

控制理论与应用 2005年第2期22卷 281-287页

作者：李春涛谭永红南京航空航天大学自动化学院江苏南京210016 桂林电子工业学院智能系统与工业控制研究室广西桂林541004

介绍了对不平滑、多映射迟滞非线性系统的研究成果,重点阐述了迟滞建模与控制器设计的研究现状.详细地分析比较了Preisach模型和线性迟滞模型优缺点.在控制器设计方法方面,比较了常用的两类基于逆模型补偿方案的特点、差别和适应范围,... 详细信息

介绍了对不平滑、多映射迟滞非线性系统的研究成果,重点阐述了迟滞建模与控制器设计的研究现状.详细地分析比较了Preisach模型和线性迟滞模型优缺点.在控制器设计方法方面,比较了常用的两类基于逆模型补偿方案的特点、差别和适应范围,并扼要论述了其他控制方案.最后,对迟滞研究中仍需解决的问题和未来发展方向进行了探讨.

关键词： Preisach模型压电执行器迟滞非线性逆模型自适应控制

带有迟滞非线性的气动运动模拟平台自抗扰轨迹跟踪控制

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液压与气动 2022年第5期46卷 159-166页

作者：李丽刘超赵苓燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004 天津大学精密测量技术与仪器国家重点实验室天津300072

针对带有迟滞非线性的气动运动模拟平台的轨迹跟踪提出了带有切换扩张状态观测器的自抗扰控制方法。气动运动模拟平台的迟滞非线性特性主要指气动人工肌肉在正向充气反向放气时长度和拉力曲线的差异。针对此特性设计了切换扩张状态观测... 详细信息

针对带有迟滞非线性的气动运动模拟平台的轨迹跟踪提出了带有切换扩张状态观测器的自抗扰控制方法。气动运动模拟平台的迟滞非线性特性主要指气动人工肌肉在正向充气反向放气时长度和拉力曲线的差异。针对此特性设计了切换扩张状态观测器来估计和补偿模型非线性,分别对于气动人工肌肉正反向充放气的不同模型采用不同的观测器增益,以提高状态估计效果,减小跟踪误差。进一步,设计了状态误差反馈控制器,得到了基于切换扩张状态观测器的二阶非线性动态系统全局有界稳定的充分条件。最后实验结果证实了所设计的切换扩张状态观测器的实际效果。

关键词：气动运动模拟平台气动人工肌肉迟滞非线性自抗扰控制扩张状态观测器

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力矩促动器的迟滞非线性建模校正

机械设计与制造 2022年第11期 164-168页

作者：刘攀登杜福嘉宫雪非中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所江苏南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 江苏南京210042 中国科学院大学北京100049

力矩促动器的迟滞非线性降低了系统的控制精度。为了解决该问题,建立了可以精确描述该迟滞现象的模型并提出了合理的补偿控制方案。首先,根据迟滞曲线的非中心对称的特性,基于Prandtl-Ishlinskii模型对力矩促动器的迟滞非线性进行分段建... 详细信息

力矩促动器的迟滞非线性降低了系统的控制精度。为了解决该问题,建立了可以精确描述该迟滞现象的模型并提出了合理的补偿控制方案。首先,根据迟滞曲线的非中心对称的特性,基于Prandtl-Ishlinskii模型对力矩促动器的迟滞非线性进行分段建模,并采用LMS算法进行模型参数的优化辨识,模型预测误差的RMS值为0.08111N。然后,通过PI模型的解析逆模型进行补偿控制。实验结果表明,采用逆模型补偿后,力矩促动器输出力误差的RMS值从1.888N降低到0.2596N,误差的方均根值降低了86.25%,有效保证了系统的控制精度。

关键词：力矩促动器迟滞非线性 PI模型逆模型补偿控制

压电陶瓷作动器迟滞非线性建模与补偿控制研究

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压电陶瓷作动器迟滞非线性建模与补偿控制研究

作者：李泽琨哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

作为精跟踪系统中快速倾斜镜的驱动元件,压电陶瓷作动器有着响应快速,位移分辨精度高等特点。但在压电陶瓷作动器中却含有非线性迟滞现象,会对其跟踪精度和跟踪控制效果造成较为严重的影响,因此本文以压电陶瓷作动器为研究对象,对其内... 详细信息

作为精跟踪系统中快速倾斜镜的驱动元件,压电陶瓷作动器有着响应快速,位移分辨精度高等特点。但在压电陶瓷作动器中却含有非线性迟滞现象,会对其跟踪精度和跟踪控制效果造成较为严重的影响,因此本文以压电陶瓷作动器为研究对象,对其内部的非线性迟滞现象进行了深入的研究。首先,详细阐述了Madelung规则及拐点擦除机制的原理,并在此基础上给出了程序算法,建立了采用结合两种建模情况的非对称迟滞模型,用多项式的方法描述主上升及主下降曲线,从而可以更加对压电陶瓷作动器内部的静态非线性迟滞现象进行准确的描述。并进行实验验证,结果证明了该非对称迟滞建模方法的有效性。其次,简述了压电陶瓷作动器的率相关动态效应及Hammerstein模型,并对线性部分进行系统辨识,结合已建立的非对称迟滞模型,建立了率相关Hammerstein模型。并用不同的信号进行实验验证,结果证明了该模型的有效性。最后,提出了含静态非线性迟滞逆模型和反馈控制器的复合控制方案,针对已建立的非对称迟滞非线性模型相应建立了静态迟滞逆模型;对迟滞逆补偿后的压电陶瓷作动器设计具有l性能的离散时间系统反馈控制器,该设计方法将传统的PID控制系统转换成静态输出反馈(SOF)系统,并在Delta域进行重写,将重写后的SOF系统通过一种锥互补线性化(CCL)求解控制器参数,并复现原始的离散PID控制器。采用不同频率的输入信号进行验证,实验结果证明了该复合控制方法的有效性。

关键词：压电陶瓷作动器迟滞非线性 Hammerstein 复合控制

叠堆式压电作动器迟滞非线性建模与控制方法研究

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叠堆式压电作动器迟滞非线性建模与控制方法研究

作者：王琴琴大连理工大学

学位级别：硕士

高机动飞行器的动稳定性风洞评估试验中,需在狭小风洞空间内连续变频激振飞行器模型,叠堆式压电作动器凭借其能量密度大、位移分辨率高、频响速度快等优点,成为风洞模型激振系统的首选驱动元件。然而,压电陶瓷本身具有迟滞特性,而叠堆... 详细信息

高机动飞行器的动稳定性风洞评估试验中,需在狭小风洞空间内连续变频激振飞行器模型,叠堆式压电作动器凭借其能量密度大、位移分辨率高、频响速度快等优点,成为风洞模型激振系统的首选驱动元件。然而,压电陶瓷本身具有迟滞特性,而叠堆式压电作动器为多片压电陶瓷堆栈串联结构,致使作动器输出位移与输入电压间呈严重的非线性。在长时变频激振的试验工况下,叠堆式压电作动器输出的率相关迟滞特性极易导致控制系统失稳发散,严重威胁激振系统稳定性和风洞试验的安全性。因此,研究叠堆式压电作动器的迟滞特性,建立具备频率动态适应能力的迟滞模型,实现叠堆式压电作动器的率相关迟滞非线性补偿控制具有重要意义。本文针对现有迟滞特性建模方法在模型精度、参数辨识、频率适应性等方面的局限,以确保飞行器模型驱动控制的精度和稳定性为目标,基于唯象法迟滞建模思想,开展了叠堆式压电作动器率相关迟滞非线性建模与控制方法研究,具体研究内容如下:(1)针对叠堆式压电作动器激励电压-输出位移在加/卸载工况下的迟滞现象,分析了叠堆式压电作动器的电滞模型及产生迟滞现象的内在成因,进而提出了叠堆式压电作动器的迟滞特性测试方法,以回程误差为基本指标,分析了叠堆式压电作动器迟滞现象静态多值映射性、记忆特性和动态率相关性,为后续叠堆式压电作动器的动/静态迟滞建模提供理论依据。(2)针对经典PI模型backlash算子输入输出严格中心对称,导致其难以精确描述叠堆式压电作动器非对称迟滞环的局限性,提出了虑及非对称特性的Asymmetric unilateral backlash(aubacklash)算子,建立了叠堆式压电作动器的Asymmetric Prandtl-Ishlinskii(API)静态迟滞模型,并运用L-M算法进行模型参数辨识,同时通过几何法构建了API静态迟滞逆模型,实现单一作动频率下迟滞非线性现象的准确描述。(3)面向动导数激振输出装置的变频激振需求,在API静态迟滞模型基础上,设计动静态结合的级联结构模型,表征了叠堆式压电作动器的率相关动态迟滞特性,同时为避免网络求解陷入局部最优,引入遗传算法,建立了GA-BPNN率相关迟滞模型,实现变频率驱动信号下率相关迟滞现象的精确预测。(4)建立了GA-BPNN率相关迟滞逆模型,提出GA-BPNN逆模型结合PID控制的复合控制方法。以上述关键技术为基础,搭建了叠堆式压电作动器迟滞补偿控制系统,对率相关迟滞特性的实时跟踪补偿控制方法开展了实验研究,并进行实时逆补偿控制实验。实验结果表明,本文提出的复合控制方法与经典MPI逆模型前馈控制方法相比,均方根误差降低了28.13%以上,相对误差降低了28.57%以上。本文提出的叠堆式压电作动器迟滞非线性控制方法实时跟踪精度高、频率动态适应性好,可保证驱动控制精度和稳定性。研究工作为高速飞行器动稳定性评估风洞试验中模型的高精高可靠驱动提供了有力保障。

关键词：叠堆式压电作动器迟滞非线性 API模型 GA-BPNN率相关迟滞模型逆补偿控制