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压电作动器非对称迟滞模型的建立和参数辨识

仪器仪表学报 2017年第4期38卷 903-909页

作者：顾寒烈吴洪涛杨小龙李耀程世利南京航空航天大学机电学院南京210016 盐城工学院汽车工程学院盐城224000

现有的众多基于传统Bouc-Wen改进的压电陶瓷非对称迟滞模型存在参数冗余,降低了模型参数辨识的准确性,而且常用的粒子群算法(PSO)在辨识压电陶瓷非对称迟滞模型参数方面收敛慢且容易陷入局部最优值。为此,首先提出了一种归一化的非对称... 详细信息

现有的众多基于传统Bouc-Wen改进的压电陶瓷非对称迟滞模型存在参数冗余,降低了模型参数辨识的准确性,而且常用的粒子群算法(PSO)在辨识压电陶瓷非对称迟滞模型参数方面收敛慢且容易陷入局部最优值。为此,首先提出了一种归一化的非对称迟滞模型,采用两个多项式达到非对称效果,利用归一化Bouc-Wen消除参数冗余;然后采用参数和变异策略自适应的差分进化算法进行迟滞参数辨识;建立了相应的测试系统,对压电陶瓷作动器进行了实验研究。结果表明,相比于传统的Bouc-Wen模型,所提出的模型能更精确地描述压电陶瓷实际电压位移曲线,而且消除了参数的冗余,降低了参数辨识的难度。相比于粒子群算法和传统差分进化算法,自适应差分进化算法能更快更精准地找到最优参数值。

关键词：压电作动器非对称迟滞归一化Bouc-Wen 参数辨识自适应差分进化算法

采用灰色Savitzky-Golay滤波的商用车推力杆橡胶球铰非对称迟滞建模

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西安交通大学学报 2019年第5期53卷 82-91,99页

作者：刘巧斌史文库高承明陈志勇闵海涛陈龙吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室长春130022

为了建立准确高效的推力杆迟滞特性模型,根据力的分解原理,将滞回力分解为广义非线性弹性力和广义非线性阻尼力,并分别采用等效线性阻尼模型、等效分段线性阻尼模型、非对称Bouc-Wen模型和高阶多项式模型对橡胶球铰的迟滞非线性进行建... 详细信息

为了建立准确高效的推力杆迟滞特性模型,根据力的分解原理,将滞回力分解为广义非线性弹性力和广义非线性阻尼力,并分别采用等效线性阻尼模型、等效分段线性阻尼模型、非对称Bouc-Wen模型和高阶多项式模型对橡胶球铰的迟滞非线性进行建模。引入灰色关联度指标,对Savitzky-Golay滤波算法进行改进,采用布谷鸟算法对滤波器的参数进行优化,并应用该滤波器对试验采集到的滞回特性数据进行去噪平滑。以滤波后的试验数据与各迟滞模型计算数据的误差平方和最小化为目标,分别对各模型的参数进行识别。结果表明:所提出的灰色Savitzky-Golay滤波方法具有很好的平滑滤波效果,滤波前后信号的灰色关联度大于0.8,而非对称Bouc-Wen迟滞特性模型具有相对较高的精度和较低的复杂度,其建模误差小于10%。研究结果可为汽车和其他机械装置上的橡胶件迟滞非线性建模和信号滤波去噪提供参考。

关键词： Savitzky-Golay滤波灰色关联度非对称迟滞参数识别布谷鸟算法

基于Maxwell滑动模型的压电驱动器非对称迟滞特性研究

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组合机床与自动化加工技术 2018年第11期 103-105,109页

作者：王行刚杨雪锋常州机电职业技术学院江苏常州213164 中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221008

文章主要对压电驱动器的Maxwell滑动模型进行改进,并利用改进后的Maxwell滑动模型对压电陶瓷驱动器固有的非对称型迟滞现象进行研究。利用传统Maxwell滑动模型在不同方向的速度差异,通过一个可修改的速度阈值参数,建立不同的弹簧滑块结... 详细信息

文章主要对压电驱动器的Maxwell滑动模型进行改进,并利用改进后的Maxwell滑动模型对压电陶瓷驱动器固有的非对称型迟滞现象进行研究。利用传统Maxwell滑动模型在不同方向的速度差异,通过一个可修改的速度阈值参数,建立不同的弹簧滑块结构来描述对应的曲线,将传统的并联结构简化为串联结构,避免了在求解过程中的参数耦合问题,并且让模型有了可以描述非对称迟滞曲线的能力,同时使用该串联结构将模型参数的求解过程变为一个参数的最优化问题,简化了系统的求解过程。实验结果表明,改进型Maxwell滑动模型的输出曲线可以有效模拟压电陶瓷驱动器的响应曲线。

关键词：非对称迟滞 Maxwell滑动模型压电驱动器线性递推回归

压电微动平台的动态非对称迟滞建模及补偿方法研究

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压电微动平台的动态非对称迟滞建模及补偿方法研究

作者：王瑞金杭州电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着纳米制造技术的蓬勃发展,国内外学者对压电致动器展开了深入的研究。相较于传统致动器,压电致动器直接将电压信号转化为机械信号,能量损耗低,位移分辨率高。然而,压电致动器具有难以预测的非对称迟滞特性,严重影响定位系统... 详细信息

近年来,随着纳米制造技术的蓬勃发展,国内外学者对压电致动器展开了深入的研究。相较于传统致动器,压电致动器直接将电压信号转化为机械信号,能量损耗低,位移分辨率高。然而,压电致动器具有难以预测的非对称迟滞特性,严重影响定位系统的精度。特别地,该特性在高频输入下会变得更复杂,更难以描述。针对上述问题,本文以压电致动器驱动的微动平台为研究对象,对其非对称迟滞特性和动态迟滞特性展开深入的研究,建立相关的迟滞模型与迟滞补偿器,旨在实现平台的高精度定位。本文的主要研究内容包括:(1)针对现有的非对称迟滞模型存在精度不高、结构较复杂等问题,本文以经典Prandtl-Ishlinskii(PI)模型为基础,提出一种简单、准确的非对称迟滞模型。首先将经典Play算子修改为非对称的Play(Asymmetric Play,A-Play)算子以增强其灵活性。然后基于A-Play算子,提出非对称的PI(Asymmetric Prandtl-Ishlinskii,API)模型,通过理论推导与仿真分析验证API模型的擦除特性与次环一致性。最后通过实验验证API模型的性能,结果表明在相同的建模条件下,API模型更简单,精度更高。为下一步补偿压电致动器的非对称迟滞特性提供理论依据。(2)针对API模型不易建立解析逆模型的问题,本文研究两种求逆方法:直接求逆法和PID型迭代求逆法。首先对API模型中记忆函数的参数进行优化,以降低参数个数,并对无记忆函数阶数的取值进行研究,为阶数的合理选择提供指导。然后根据两种求逆方法设计直接逆(Direct Inverse,D-I)补偿器和PID型迭代逆(PID-type Iterative Inverse,I-I)补偿器,通过仿真验证两种补偿器的有效性。最后经实验验证,两种补偿器均能有效抑制压电致动器的非对称迟滞特性。为下一步研究与补偿压电致动器的动态迟滞特性奠定基础。(3)通过实验对压电致动器的动态迟滞特性进行深入研究。首先定量地分析动态迟滞规律,探寻其与静态迟滞间的内在联系。然后基于A-Play算子和API模型,利用Lissajous曲线的原理,提出动态非对称PI(Dynamic Asymmetric Prandtl-Ishlinskii,DAPI)模型。其次根据两种静态补偿器设计动态直接逆(Dynamic Direct Inverse,D-D-I)补偿器和动态PID型迭代逆(Dynamic PID-type Iterative Inverse,D-I-I)补偿器。最后经实验验证,DAPI模型能准确描述压电致动器的动态迟滞现象,D-D-I补偿器和D-I-I补偿器均能有效抑制压电致动器的动态迟滞特性,实现压电微动平台的高速精准定位。

关键词：压电致动器微动平台非对称迟滞动态迟滞迟滞模型迟滞补偿

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压电陶瓷作动器非对称迟滞的建模与补偿控制

机电工程 2013年第2期30卷 138-141,151页

作者：赵小兴姜伟李巍华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室湖北武汉430074

针对传统Bouc-Wen模型不能反映压电陶瓷作动器迟滞的非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题,提出了一种改进Bouc-Wen模型,通过修改形状控制参数使其能够模拟压电陶瓷作动器的非对称迟滞曲线。利用粒子群优化算法辨识了所需的模... 详细信息

针对传统Bouc-Wen模型不能反映压电陶瓷作动器迟滞的非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题,提出了一种改进Bouc-Wen模型,通过修改形状控制参数使其能够模拟压电陶瓷作动器的非对称迟滞曲线。利用粒子群优化算法辨识了所需的模型参数,进一步研究了基于模型的前馈补偿控制、前馈加PI反馈补偿控制对于实现高精度位移输出的效果;在开环前馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约42%;在前馈加PI反馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约20%。研究结果表明:在相同的控制方式下,采用改进Bouc-Wen模型能够得到比传统Bouc-Wen模型更高的轨迹跟踪精度;与单纯采用基于模型的前馈补偿控制相比,采用基于模型的前馈加PI反馈补偿控制可显著提高压电陶瓷作动器的位移输出精度。

关键词：压电陶瓷作动器 Bouc—Wen模型非对称迟滞迟滞模型参数辨识补偿控制

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具有迟滞特性的纯反馈非线性系统自适应控制

具有迟滞特性的纯反馈非线性系统自适应控制

作者：赖晓唤浙江理工大学

学位级别：硕士

压电执行器具有输出功率大、带宽高、响应速度快等优点,因此广泛应用于精密定位和测量领域。但压电材料中固有的迟滞非线性会损害系统性能,甚至造成不稳定。因此针对迟滞特性的建模和控制是精密领域的一大研究热点。纯反馈非线性系统是... 详细信息

压电执行器具有输出功率大、带宽高、响应速度快等优点,因此广泛应用于精密定位和测量领域。但压电材料中固有的迟滞非线性会损害系统性能,甚至造成不稳定。因此针对迟滞特性的建模和控制是精密领域的一大研究热点。纯反馈非线性系统是一类比严格反馈非线性系统更具普遍性,更能代表实际系统的复杂非线性系统。由于纯反馈非线性系统往往含有非仿射特性,因此很难实现虚拟控制律和实际控制律的设计。考虑以上情况,针对具有迟滞特性的纯反馈非线性系统自适应控制课题的研究具有重要的理论意义和应用价值。围绕这一课题,基于压电执行器的迟滞特性,开展了迟滞建模和具有迟滞特性的纯反馈系统自适应控制的研究。具体研究内容如下:（1）建立了压电执行器非对称迟滞特性的改进Bouc-Wen模型。考虑压电执行器中迟滞非线性的非对称特性,针对传统Bouc-Wen模型不能用于描述迟滞非对称性这一问题,通过引入一个非对称项到传统模型中来解决上述问题。该模型引入的非对称项能够保证迟滞中间变量有界,为后续的控制器设计提供重要的理论前提。并与其他改进Bouc-Wen模型进行对比,从中能看出该模型参数少、易于控制的优点。根据压电执行器实验平台采集的实验数据和改进粒子群优化算法,通过仿真证明了该改进模型的有效性。（2）建立了基于椭圆曲线的压电执行器率相关迟滞特性模型。与其他数学建模方法相比,椭圆方程由一组参数即可确定模型,因此简化了建模过程。该方法分为迟滞主环和次环两部分进行。在主环方面,通过约束圆锥形式的椭圆曲线来描述主环,利用最佳椭圆拟合算法来辨识椭圆曲线与实验数据。在次环方面,通过对主环进行变换,然后构建次环参数与主环参数之间的关系式。利用上述关系式可以调整次环的角度和形状,从而在主环信息的基础上,实现次环建模。通过实验,基于椭圆曲线的建模方法对主环和次环都有较高的辨识精度,证明了该方法的有效性。（3）设计了具有迟滞特性的纯反馈非线性系统自适应控制器。其中迟滞非线性采用上述第一点提出的改进Bouc-Wen模型来描述。利用纯反馈非线性系统的非仿射函数,将其直接替代状态变量到反推设计的坐标变换中。通过这一替代,省略了纯反馈非线性系统到严格反馈非线性系统的变换过程,避免了变换带来的循环设计和多余不确定项的问题,简化了控制器的设计。基于李雅普诺夫理论进行了闭环系统的稳定性分析。通过仿真案例和实验结果说明了该控制方案的有效性和优越性。针对上述迟滞建模方法和纯反馈非线性系统控制方案,本文开展了研究,并通过Matlab/Simulink仿真和dSPACE DS1103平台实验结果,验证了建模方法的有效性和控制方案的可行性,对实际的建模和控制应用有一定的参考价值。

关键词：压电执行器非对称迟滞率相关迟滞纯反馈非线性系统非仿射函数自适应控制