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基于改进PI模型的压电陶瓷迟滞特性补偿控制.pdf
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基于改进PI模型的压电陶瓷迟滞特性补偿控制.pdf,压电陶瓷执行器的迟滞特性会降低星间激光通信精瞄系统的定位精度,对信标光的捕获以及链路的稳定性造成影响。针对这一问题,通过分析压电陶瓷执行器迟滞特性产生机理,提出一种基于PLAY迟滞算子的改进(Prandtl Ishlinskii, PI)数学模型及其辨识方法,并利用该模型对压电陶瓷执行器迟滞特性进行前馈线性化逆补偿。并通过实验来验证数学模型和线性化的有效性,实验结果表明,通过对系统输入不同频率下等幅和减幅正弦控制信号来验证前馈逆补偿性能时,改进的模型最大拟合误差均在1%之内,通过前馈模型逆补偿的控制方法可使压电陶瓷驱动的线性度误差由5%减小到1%以内,并且改进PI模型在计算复杂度上由O(n)简化为O(1)。
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第 38卷 第 1期
2017年 1月
仪 器 仪 表 学 报
ChineseJournalofScientificInstrument
Vol38No1
Jan.2017
收稿日期:201607 ReceivedDate:201607
基金项目:国家自然科学基金(51405097,61274109)、国家自然科学基金重点项目(51537002)资助
基于改进 PI模型的压电陶瓷迟滞特性补偿控制
于志亮
1
,刘 杨
1,2
,王 岩
1
,李 松
1
,谭久彬
2
(1.哈尔滨工业大学控制科学与工程系 黑龙江 150001;2.哈尔滨工业大学 超精密光电仪器工程研究所 黑龙江 150001)
摘 要:压电陶瓷执行器的迟滞特性会降低星间激光通信精瞄系统的定位精度,对信标光的捕获以及链路的稳定性造成影响。
针对这一问题,通过分析压电陶瓷执行器迟滞特性产生机理,提出一种基于 PLAY迟滞算子的改进(PrandtlIshlinskii,PI)数学
模型及其辨识方法,并利用该模型对压电陶瓷执行器迟滞特性进行前馈线性化逆补偿。并通过实验来验证数学模型和线性化
的有效性,实验结果表明,通过对系统输入不同频率下等幅和减幅正弦控制信号来验证前馈逆补偿性能时,改进的模型最大拟
合误差均在 1%之内,通过前馈模型逆补偿的控制方法可使压电陶瓷驱动的线性度误差由 5%减小到 1%以内,并且改进 PI模
型在计算复杂度上由 O(n)简化为 O(1)。
关键词:快速倾斜镜;压电陶瓷执行器;迟滞特性;改进 PI模型
中图分类号:TL211.4 TH701 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:510.8010
Hysteresiscompensationandcontrolofpiezoelectricactuator
basedonanimprovedPImodel
YuZhiliang
1
,LiuYang
1,2
,WangYan
1
,LiSong
1
,TanJiubin
2
(1.DepartmentofControlScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;
2.CenterofUltraprecisionOptoelectronicInstrument,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)
Abstract:Thehystereticnonlinearityofthepiezoelectricactuator(PEA)willgreatlyreducethepointingaccuracyofaprecisionpointing
systemforintersatellitelasercommunication,andaffecttheacquisitionofbeaconandlinkstability.Toaddressthisissue,animproved
PrandtlIshlinskii
(PI)modelbasedonthePLAYhysteresisoperatorandparameteridentificationmethodispresentedtocharacterizethe
hysteresisofthePEA.Basedonthisbasis
,afeedbackforwardlinearizationmethodforthepiezoelectricisproposedanditseffectiveness
ofmathematicalmodelandlinearizationisverified.Theexperimentalresultsshowthattheinverseofthismodelwithmaximumerrorless
than1% isemployedforfeedforwardcompensationofthePEAhysteresistoobtainanapproximatelylinearsystem.TheimprovedPI
modelentailslesscomputationthantheoriginalPImodel.Theperformancethefeedforwardcompensationisverifiedbyexperimentsusing
controlsignalswithdifferentfrequencies,andwithconstantanddecreasingamplitudesrespectively.Theresultsshow thatthe
feedforwardinversemodelcompensationcanreducethelinearityerrorofthePEAfrom5% tolessthan1%,whichPrandtlIshlinskii
modelincomputationalcomplexitysimplifiedfromO(n)toO(1).
Keywords:faststeeringmirror;piezoelectricactuator;hysteresis;improvedPrandtlIshlinskii(PI)hysteresismodel
1 引 言
压电陶瓷执行器(piezoelectricactuatorsPEA)定位精
度高
[1]
、带宽 大、位 移 分 辨 率 高、响 应 速 度 快、输 出 力
大
[2]
、体积小
[3]
,被广 泛 应用 于 电源 驱 动
[4]
、微定 位 平
台
[5]
、原子力显微镜
[6]
、磁盘驱动
[7]
、空间激光通信
[8]
和
捕获、瞄准系统
[9]
中。然而 PEA存在着多值映射的迟滞
特性以及蠕变特性,其输入与输出之间存在着非线性特
性
[10]
,其中迟滞特性的影响最为严重
[11]
。
针对压电陶瓷执行器的迟滞非线性问题,国内外学
者进行了大量的研究。其中基于开环前馈模型逆补偿的
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