关于压电陶瓷迟滞特性模型的研究讲解

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多延时输入下压电驱动器迟滞建模及实验验证

多延时输入下压电驱动器迟滞建模及实验验证

第 31 卷第 10 期2023 年 5 月Vol.31 No.10May 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering多延时输入下压电驱动器迟滞建模及实验验证杨柳1,2*,石树先1,李东洁1,2(1.哈尔滨理工大学自动化学院,黑龙江哈尔滨 150080;2.哈尔滨理工大学黑龙江省复杂智能系统与集成重点实验室,黑龙江哈尔滨 150040)摘要:压电陶瓷驱动器(PEAs)是一种多用于在精密仪器仪表中实现高速、高精度定位的智能驱动器。

然而,其自身存在迟滞、蠕变等非线性,尤其是迟滞特性严重影响了压电驱动器的的控制精度。

针对迟滞建模中的不对称和速率相关问题,提出一种多延时输入Prandtl-Ishlinskii(MDPI)模型,基于传统PI模型引入了一组延时输入来描述迟滞的率相关特性,随后加入了偏移系数用于改善模型的非对称性。

最后,在压电微运动平台上采集了1~100 Hz的1 V正弦信号实验数据,并与率相关PI模型和动态延迟PI模型进行了模型精度对比。

实验结果表明,相比另外两个动态PI模型,该模型能够更准确地描述PEAs的动态特性和迟滞特性。

在50 Hz和100 Hz下,MDPI模型最大绝对误差(MAE)分别为0.081 5 μm和0.142 9 μm,均方根误差(RMSE)分别为0.009 5 μm,0.011 9 μm。

相较二者该模型均方根误差精度分别平均提高了72.46%和64.21%。

关键词:压电驱动器;多延时输入;Prandtl-Ishlinskii;动态迟滞中图分类号:TP394.1;TH691.9 文献标识码:A doi:10.37188/OPE.20233110.1501 Hysteresis modeling and experimental verification of piezoelectricactuators with multi-delay inputYANG Liu1,2*,SHI Shuxian1,LI Dongjie1,2(1.School of Automation, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China;2.Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Complex Intelligent System and Integration,Harbin University of Science and Technology , Harbin 150040,China)* Corresponding author, E-mail : yangliuheu@Abstract: Piezoelectric actuators (PEAs) are smart drivers that are widely employed in precision instru‑ments to achieve high-speed,high-precision positioning.However,the nonlinear properties of PEAs,such as creep and, particularly, hysteresis, seriously affect their control precision. This paper proposes a multiple delay-input Prandtl–Ishlinskii (MDPI)model to solve the offset and rate-dependent issues en‑countered during modeling.Notably,the MDPI model has a set of rate-dependent dynamic factors,and offset coefficients are added to improve the asymmetry of the model. Next, experimental data of 1 V sinu‑soidal signals ranging from 1 to 100 Hz are collected on the piezoelectric micro-motion platform, and the accuracy of the model is compared with that of rate-dependent and dynamic delay PI models. The experi‑mental results indicate that the MDPI model describes the dynamic and hysteresis characteristics of PEAs 文章编号1004-924X(2023)10-1501-08收稿日期:2022-11-16;修订日期:2022-11-28.基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.62203146);中国博士后科学基金面上项目资助(No.2018M631896)第 31 卷光学 精密工程more accurately than the other two dynamic PI models. For input signal frequencies of 50 and 100 Hz , the maximum absolute errors of the MDPI model are 0.0815 and 0.1429 μm , and the root mean square errors (RMSEs ) are 0.009 5 and 0.011 9 μm , respectively. Compared with the RMSE accuracies of the other two models , that of the MDPI model is improved by 72.46% and 64.21%, respectively.Key words : piezoelectric actuator ; multiple delay -input ; Prandtl -Ishlinskii ; dynamic hysteresis1 引 言压电驱动器是一种被广泛应用于精密仪器中理想的驱动元件,它能够以高精度、高分辨率、大力矩驱动仪器进行微运动[1]。

压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究

压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究

压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究王艳艳;边焱;郭海【摘要】压电陶瓷驱动器是原子力显微镜(AFM)的关键组件. AFM在生物、材料及半导体等领域应用广泛,而利用AFM获得高精确的测试结果依然面临诸多挑战.其中,压电陶瓷驱动器具有迟滞、非线性等特点,在大范围高频工作状态下,对定位精度的影响更显著,这严重限制了AFM的进一步应用.本文围绕大范围压电陶瓷驱动器的迟滞性展开研究,设计一种基于改进型多项式拟合算法的迟滞建模方法,使得拟合模型可随输入信号频率的变化而变化,充分提高压电陶瓷迟滞模型的准确性.实验表明,该方法可为压电陶瓷驱动器建立准确的迟滞模型,建模过程简单,通过设计基于该迟滞逆模型的前馈控制算法,可使驱动范围在100 μm的压电陶瓷驱动器的线性度提高至1.5%.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2019(032)004【总页数】6页(P562-567)【关键词】压电陶瓷驱动器;迟滞性;动态多项式拟合;逆模型;AFM【作者】王艳艳;边焱;郭海【作者单位】天津职业技术师范大学,天津市信息传感与智能控制重点实验室,天津300222;天津职业技术师范大学,天津市信息传感与智能控制重点实验室,天津300222;国家海洋技术中心,天津300112【正文语种】中文【中图分类】TN384原子力显微镜(AFM)是一种高分辨率的纳米级测试分析仪器,在材料、化学、生物、半导体制造等领域应用广泛。

AFM采用一端带有探针的微悬臂梁作为敏感元件,当探针逐渐接近样品时,探针原子与样品表面原子之间的作用力使得微悬臂梁弯曲,该弯曲量经光杠杆系统放大,并由光电探测器转换为电信号,由计算机显示。

其中,探针在样品表面的扫描运动由压电陶瓷驱动器驱动。

作为核心部件,压电陶瓷驱动器在AFM的扫描成像过程中起着至关重要的作用,其扫描速度和定位精度直接影响成像的速度和精度。

然而,压电陶瓷本身具备非线性、滞后、爬行及振动等[1-2]缺点,在快速大范围扫描过程中影响定位精度,造成扫描图像的位置信息与高度信息不匹配,使得图像失真[3-4],影响测试的精确性。

压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究

压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究

压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究压电陶瓷执行器(Piezoelectric ceramic actuators, PCAs)是一种利用压电材料的逆压电效应制作而成的微位移执行器,具有体积小、能量密度高、分辨率高、频响快等优点,已经成为精密定位系统中重要定位及驱动元件。

由于基于单片压电陶瓷晶片的压电陶瓷执行器的输出位移比较小,常常采用一定的工艺将多片压电陶瓷晶片和电极叠合而成压电陶瓷叠堆执行器(Piezoelectric ceramic stackactuators, PCSAs)以提高输出位移。

然而这种通过一定的工艺叠合而成的压电陶瓷叠堆执行器存在的一些缺点限制了其在快速、高精密定位系统中的应用:首先压电陶瓷叠堆执行器会进一步加剧压电陶瓷晶片的输出位移与驱动电压之间存在多值对应的迟滞现象,如何实现对压电陶瓷叠堆执行器的有效控制成为精密定位控制研究中的重点和难点之一;其次叠合工艺会影响压电陶瓷叠堆执行器的动态性能,甚至缩短其使用寿命。

因此,压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞线性化方法及压电陶瓷叠堆执行器的动态性能设计方法是压电陶瓷叠堆执行器在快速、高精密定位系统中应用时必须解决的问题,开展这方面的研究具有重要学术意义和工程应用前景。

为了解决上述问题,本文建立了能描述压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象的Bouc-Wen数学模型,提出了基于Bouc-Wen数学模型的线性化控制方法用于实现压电陶瓷叠堆执行器的迟滞线性化;建立了能够同时模拟压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象和动态特性的综合模型,提出了能够合理设计压电陶瓷叠堆执行器的动态性能的方法;建立了预压紧压电陶瓷执行器的现象模型;在此基础上,提出并实现了压电致动二维微位移扫描平台的基于现象模型的鲁棒模型参考自适应控制方法。

本文的主要研究工作和创新点可以归纳为以下六个方面:1.提出并研究了能够模拟压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象的Bouc-Wen数学模型。

压电陶瓷迟滞非线性的成因与校正

压电陶瓷迟滞非线性的成因与校正
第 4卷 第 2 期 2 0 1 3 年 5 月









Vo 1 . 4 , NO . 2 Ma v ,2 0 1 3
J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g o f He i l o n g j i a n g Un i v e r s i t y
a c t u a t o r a r e c a r r i e d o u t , a n d t h e h y s t e r e s i s n o n l i n e a r i t y o f a c t u a t o r a r e a n a l y z e d . Th e g e n e r a l i z e d
o n c l o s e — l o o p p r e c i s i o n p o s i t i o n i n g c o n t r o l u s i n g t h e e s t a b l i s h e d g e n e r a l i z e d n o n l i n e a r i t y Pr e i s a c h mo d e l a s
转 向理 论 , 解 释 了 产 生 迟 滞 非 线 性 的 原 因 。为 了 降 低 迟 滞 特 性 对 压 电 陶 瓷 执 行 器 的 影 响 ,研 究 了 M P T -

2 MR I 1 0 3 A压 电陶瓷微位移执行器迟滞 特性 ,并采 用广 义非 线性 P r e i s a c h模 型建立压 电 陶瓷 执行 器迟滞模 型 , 利用建立 的的模型作为 P I D反馈控 制的前馈 环节进行闭环精密 定位控制 ,进一 步改 善压 电陶瓷执行器驱 动 电压 与输 出位移 问的线性关 系 ,提 高定位精度 。

压电陶瓷2

压电陶瓷2

压电陶瓷基本特性:1.位移特性KS EEQL r2 2εεε+=∆式中,Q r为极化后的剩余电荷,ε为压电介质的介电常数,E为压电陶瓷内部电场强度,S为压电陶瓷的横截面积,K为压电陶瓷碟片的弹性模量,ε0 为真空的介电常数式中的ε不是常量,而是和所加电压和加压史有关,因而压电陶瓷位移和电场强度(电压)的关系存在迟滞特性。

下图为这一陶瓷在正负电压下的位移-电压特性曲线:2.出力位移特性在空载的情况下压电陶瓷的输出位移为最大输出位移,在最大输出力的作用下,压电陶瓷的输出位移将为零,压电陶瓷的输出力和位移的关系曲线如下图:3.温度特性①压电陶瓷随着温度的变化而伸长。

②压电/电致伸缩陶瓷的输出位移随着温度的增加而减少,压电陶瓷的减少幅度较小,电致伸缩陶瓷减少幅度较大。

4.迟滞特性压电陶瓷的迟滞一般在14%左右,目前提出的减少迟滞的方法主要有:①采用电荷控制方法;②采用压电陶瓷两端串联小电容的方法;③运用模型;④采用电阻和电容组成桥路;⑤压电陶瓷元件位移闭环压电陶瓷作动器是高精度定位中的关键部件,它能满足纳米级定位精度,具有体积小、刚度高、响应快等优点。

然而它的相应位移和驱动电压之间存在着非对称迟滞特性,同时自身的蠕变和环境温度的变化也会造成其定位精度的漂移。

而且压电陶瓷作动器的非对称迟滞特性对控制精度的影响十分显著。

为减少和消除该不利影响,目前主要有两种解决途径:①电荷控制:它需要特别设计的电荷驱动放大器,但该放大器价格昂贵,且存在漂移和过饱和等问题,因而极大的限制了其应用;②电压控制:需要建立非线性迟滞的数学模型,并通过逆模型前馈补偿来控制精度。

电压控制逐渐成为压电陶瓷作动器精密控制的首选方案,其关键是非线性迟滞的精确建模。

对于迟滞特性建模存在两个困难:1)非局部存储现象.2)上升曲线和下降曲线是不对称曲线迟滞模型的研究主要分为两个方向:一种是基于机理的物理模型,从基本物理原理出发描述物理特性;如Maxwell模型,Jiles-Atherton模型,Duherm模型。

压电陶瓷的几种特性说明

压电陶瓷的几种特性说明

1.压电陶瓷的迟滞特性:同一压电陶瓷的升压和降压位移曲线之间不同,并存在位移差称为迟滞特性。

2.压电陶瓷的非线性:压电陶瓷的输入电压与输出位移不是正比关系,叠层型压电陶瓷相同递增电压,在压电陶瓷不同的驱动段内输出的位移也不相同,在压电陶上安装反馈信号进行电压调整,可以减小压电陶瓷的迟滞和非线性,
3.压电陶瓷的蠕变特性:压电陶瓷在一定的驱动电压下,压电陶瓷的位移达到一定位移量后,随时间变化在一段时间后才能达到稳定值,如下图所示。

压电陶瓷主要特性

压电陶瓷主要特性

压电技术|压电陶瓷的主要特性有哪些?什么是压电陶瓷,主要有哪些特性?什么是压电陶瓷压电陶瓷是可以将电能转换成位移或出力的功能性材料。

当压电晶体在外力的作用下发生形变时,在晶体表面可以产生与外力成比例的电荷,这种由于机械力的作用而使晶体表面出现极化电荷的现象,称为正压电效应。

同时,当压电晶体置于外电场中,由于电场的作用,晶体会发生变形,形变的大小和外电场强度的大小成正比,这种由于电场的作用而使压电晶体发生形变的现象称为逆压电效应。

芯明天压电陶瓷产品以逆压电效应为主。

压电陶瓷的特性1、迟滞特性压电陶瓷升压曲线和降压曲线之间存在位移差。

在同一个电压值下,上升曲线和下降曲线上的位移值有明显的位移差,且这个位移差会随着电压变化范围的改变而改变,驱动电压越小则位移差也会相应越小,压电陶瓷的迟滞一般在给定电压对应位移值的10%-15%左右。

(如下图所示)。

我们将局部迟滞曲线的切换点之间的斜率定义为压电大信号形变系数d(G S):2、蠕变特性蠕变是指当施加在压电陶瓷的电压值不再变化时,位移值不是稳定在一固定值上,而是随着时间缓慢变化,在一定时间之后才会达到稳定值,如左图所示。

一般10s内蠕变量约为伸长量的1%~2%。

3、线性与非线性陶瓷的迟滞与蠕变可以通过闭环控制有效的消除,可以选择“芯明天”的闭环促动器以及闭环控制器产品。

4、温度特性温度变化是影响压电陶瓷纳米定位精度的一个非常重要的因素,压电陶瓷的性能会随着温度的改变而产生明显的变化。

叠堆共烧型压电陶瓷的居里温度为155℃,其使用温度为-25℃~+80℃。

超出100℃以上使用,陶瓷的性能会大幅下降,高温压电陶瓷的居里温度为360℃,操作温度可达200℃。

温度升高压电陶瓷的位移会受到一定的影响,取决于距离居里温度差值。

如果将陶瓷加热到居里温度点,将会产生退极化,压电效应将会随之消失,且不可恢复。

当与室温相比温度降低时,压电效应随之降低。

在液态氮的环境下,陶瓷的伸长度约为室温环境下的10%左右。

关于压电陶瓷迟滞特性模型的研究讲解

关于压电陶瓷迟滞特性模型的研究讲解

Bouc-Wen迟滞算子可写为: 式中 y 为系统的输入;z 为系统的迟滞, A、 β 和γ 为模型的参数;n为模型的阶数。
该模型将压电陶瓷叠堆执行器等效 成一个单自由度的质量-弹簧-阻尼系 统,如图左,其数学表达式为
式中m 、c和k分别为压电陶瓷叠堆执 行器的质量、阻尼和刚度;x为压电陶 瓷叠堆执行器的输出位移; 和 分别
压电陶瓷产品因其 响应快,体积小,功耗 低,精度高等一系列优 点,越来越受到研究人 员的重视。但实际应用 中,压电陶瓷表现出迟 滞,蠕变等非线性特性, 其中迟滞特性是影响定 位精度的主要因素。因 此,为了补偿压电陶瓷 的迟滞非线性,对迟滞 特性进行精确建模显得 尤为重要。
迟滞模型 Model
迟滞模型的研究主要分为 两个方向:
Thank You!
经典Preisach 模型首先被用来模拟磁效应,其源于德国科学家 Preisach 在 1935 年发表的论文。
经典Preisach模型的一般表达 式为:
f t , ˆutdd 式中f(t)为t时刻的迟滞输出; u(t)为t时刻的输入电压; γαβ[u(t)]为基本迟滞算子; μ(α,β)为Preisach函数,α,β 分别为其上升和下降阀值。
考虑到其对环境的影响,从20世纪60年代起国内外的科研人员就开始 了对铌酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电陶瓷的研究。 现今压电材料的研究热点主要的在弛豫铁电单晶体、高居里温度压电 陶瓷、压电复合材料、三元及多元系固溶体、无铅压电陶瓷这五个方 面。
11Li
一、位移特性
基本特性 Basic characteristics
n
pxt bi pri xt i 1
式中bi 是大于零的可调权重系数; r

WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性建模与实验验证

WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性建模与实验验证

WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性建模与实验验证王代华;朱炜【摘要】为了模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间的迟滞曲线,通过采用Bouc-Wen模型模拟迟滞分量,提出了一种表征WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间迟滞关系的Bouc-Wen模型并建立了相应的参数辨识方法.为了验证Bouc-Wen模型及其相应的参数辨识方法的有效性,建立了相应的实验装置并对模型进行了实验验证.研究结果表明,Bouc-Wen模型的最大绝对误差为3.78 μm,最大相对误差为5.79%,表明Bouc-Wen模型及相应的参数辨识方法能较好地模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2010(018)001【总页数】7页(P205-211)【关键词】压电陶瓷微位移器;迟滞曲线;Bouc-Wen模型;参数辨识【作者】王代华;朱炜【作者单位】重庆大学,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学,光电工程学院,精密与智能实验室,重庆400044;重庆大学,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学,光电工程学院,精密与智能实验室,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TN384;TH703.91 引言压电陶瓷微位移器具有体积小、能量密度高、定位精度高、分辨率高、频响快等优点,在精密定位、微机电系统、微纳米制造技术、纳米生物工程等领域中得到了广泛应用。

但是压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压呈现迟滞现象的特性给压电陶瓷微位移器的控制带来了困难。

为了模拟压电陶瓷微位移器的迟滞特性,国内外学者对压电陶瓷微位移器的数学模型进行了大量研究,提出了模拟其迟滞特性的Preisach模型[1-3]、Maxwell模型[4]、Dahl模型[5]等。

Preisach模型通过对迟滞因子的双重积分来逼近迟滞特性,但是存在在线实现复杂,难于与控制器相结合的缺点。

压电陶瓷晶体迟滞特性的本构关系研究

压电陶瓷晶体迟滞特性的本构关系研究
压 电 陶 瓷 晶 体 迟 滞 特 性 的 本 构 关 系 研 究 ——— 秦 海 辰 暋 尹 周 平
压电陶瓷晶体迟滞特性的本构关系研究
秦海辰暋尹周平
华 中 科 技 大 学 数 字 制 造 装 备 与 技 术 国 家 重 点 实 验 室 ,武 汉 ,430074
摘要:从能量的角度出发,运用本 构 方 法,以 热 力 学 唯 象 理 论 为 基 础,通 过 对 压 电 陶 瓷 晶 体 Helm灢 holtz自由能关系进行推导而得出压电晶体的电场强度 E 与极化强度P 的本构关系。与实验结果的对 比分析表明,所推导的 E P 本构关系能够较 为 准 确 地 在 宏 观 上 描 述 压 电 陶 瓷 晶 体 的 迟 滞 特 性。最 后 结合实验数据和 E P 迟滞曲线对压电陶瓷晶体的 Helmholtz自由能和电滞回线进行了分析和讨论。
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中 国 机 械 工 程 第 25 卷 第 15 期 2014 年 8 月 上 半 月
型的内部参 数 进 行 辨 识,从 而 得 到 输 入 输 出 关 系。现 象 建 模 比 较 经 典 的 模 型 有 Preisach 模 型[8飊10]、Prandtle飊Ishlinskii(PI)模 型 。 [11] 现 象 建 模是压电 陶 瓷 驱 动 系 统 应 用 过 程 中 最 常 用 的 方 法 ,它 忽 略 了 压 电 材 料 本 身 的 物 理 性 质 ,单 纯 地 拟 合出系统的输入 输出性质,为控制系统设计提供 了便利。但现象建模几乎是纯数学或统计学的方 法 ,无 法 揭 示 迟 滞 特 性 产 生 的 根 本 原 因 。
在计算和分析晶格的能量关系中我们关注的是从一种状态转化为另一种状态的相对能量关系而非绝对的物理计算关系或实际测量值所以这里取u00对分析压电陶瓷晶体的能量关系并无影响因此式q0n4v22暋均匀压电晶体的helmholtz自由能由热力学和统计物理学14可知均匀晶格的helmholtz自由能为hust由经典统计力学中的玻尔兹曼关系14可知代表偶极子屈服于极化强度kn2vpsppspspln2均为常数因此这里取s00对于能量分析并无影响

关于压电陶瓷迟滞特性模型的研究

关于压电陶瓷迟滞特性模型的研究

考虑到其对环境的影响,从20世纪60年代起国内外的科研人员就开始 了对铌酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电陶瓷的研究。
现今压电材料的研究热点主要的在弛豫铁电单晶体、高居里温度压电 陶瓷、压电复合材料、三元及多元系固溶体、无铅压电陶瓷这五个方 面。
11
Li
基本特性 Basic characteristics 一、位移特性
迟滞模型
Mቤተ መጻሕፍቲ ባይዱdel
迟滞模型的研究主要分为 两个方向:
一种是基于机理的物理模型,从基本物理原理出发描述物理特 性,如Maxwell模型,Jiles-Atherton模型,Duhem模型。
一种是基于现象的数学模型,从数学的角度描述物理现象, 或者称唯象数学模型,如Priesach模型,Prandtl-Ishlinskii模 型。
一方面
Preisach模型概括 了一类迟滞非线性
另一方面
Preisach 模型难以 利用实测数据来直接
总的来说
目前, Preisach模 型及其各种改进 模型仍然是应用
特有的擦除特性和
一致特性,并且具 有精度高的优点, 因此它在迟滞非线
调整模型, 且在线实
现复杂。如果直接应 用经Priesach模型对 压电陶瓷进行建模,
QrE 2 E 2 S L 0K
式中的ε不是常量,而是
与所加电压和加压史有 关,因而压电陶瓷位移 ΔL和电场强度E的关系 存在迟滞特性,左图为 正负电压下的位移-电压 曲线:
基本特性 Basic characteristics 二、出力位移特性
在空载的情况下压电陶瓷
的输出位移为最大输出位
Maxwell 模型将多个弹性滑块元件并联用于模拟迟滞现象。

压电精密定位平台迟滞建模与辨识

压电精密定位平台迟滞建模与辨识

压电精密定位平台迟滞建模与辨识针对压电精密定位平台(PMS)输入电压与输出位移之间的迟滞特性,结合传统的Bouc-Wen迟滞模型,建立了一种不依赖压电精密定位平台动态特性的非对称Bouc-Wen数学模型,并利用果蝇优化算法(FOA)对模型的6个参数进行辨识。

实验结果表明,在输入电压为正弦波时,非对称Bouc-Wen数学模型能够精确地模拟压电精密定位平台的迟滞特性。

标签:压电精密定位平台;迟滞;Bouc-Wen模型;参数辨识;果蝇优化算法压电精密定位平台是以压电陶瓷作为驱动元件,具有位移分辨率高、体积小、发热少和输出力矩大等优点,因此被广泛应用于高精度的定位工程领域中。

但是压电精密定位平台的输入电压与输出位移之间存在迟滞特性,这在一定程度上影响了其输出精度[1]。

目前,学者们提出了大量的迟滞模型,用来描述压电精密定位平台的迟滞特性。

这些迟滞模型主要分为两大类:第一类是基于机理的物理模型(Jiles-Atherton模型[2]、Duhem模型[3]等);第二类是基于现象的数学模型(Bouc-Wen模型[4]、Preisach[5]模型等)。

本文提出了非对称Bouc-Wen数学模型来描述压电精密定位平台的迟滞特性,并对非对称Bouc-Wen模型中的参数采用果蝇优化算法进行辨识。

1 压电精密定位平台的迟滞建模1.1 经典Bouc-Wen模型经典Bouc-Wen模型是用来描述非线性系统的位移与回复力之间的迟滞关系。

该模型使用具有不确定参数的微分方程来模拟迟滞现象,通过对参数的不同选择,可以得到不同形状的迟滞环。

经典Bouc-Wen模型的表达式为:式中为非对称因子。

非对称因式与输入电压的大小有关,输入电压较小时,非对称因式对迟滞分量h(t)的影响较小,但随着电压的逐渐升高,非对称因式的影响越大。

由式(3)和式(5)可知,使用非对称Bouc-Wen数学模型来描述压电精密定位平台的迟滞特性时,需要辨识、、、、和n的值。

压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究

压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究

第32卷第4期2019年4月传感技术学报CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSVol 32㊀No 4Apr.2019项目来源:天津市自然科学基金青年项目(18JCQNJC05600)ꎻ天津市科技计划项目(17KPXMSF00120)ꎻ天津市教委科研计划项目(JWK1612)收稿日期:2018-10-29㊀㊀修改日期:2019-01-08StudyofHysteresisModelingMethodforPiezoelectricDriver∗WANGYanyan1∗ꎬBIANYan1ꎬGUOHai2(1.TianjinKeyLaboratoryofInformationSensingandIntelligentControlꎬTianjinUniversityofTechnologyandEducationꎬTianjin300222ꎬChinaꎻ2.NationalOceanTechnologyCenterꎬTianjin300112ꎬChina)Abstract:PiezoelectricdriverisanimportantpartofAtomicforcemicroscopy(AFM).AFMiswidelyusedinfieldsofbiologyꎬchemistryꎬmaterialsandsemiconductor.HoweverꎬmanychallengesstillexistintheapplicationofAFMtoachievehighlyaccuratemeasurementresults.DuetothehysteresisandnonlinearityofPZTꎬitspositioningaccuracyislowathighfrequencyorlargerangeꎬlimitingthefurtherapplicationofAFM.Thepaperproposedanimprovedpolynomialfittingmethodtoimprovetheaccuracyofthehysteresismodel.Themodelcouldchangeitsparametersasthesignalfrequencychanges.Experimentsprovethatthemethodcouldbuildaccuratemodeltodescribethehystere ̄sisofPZTwithlargerange.Themodelingprocessiseasy.ThenonlinearityofPZT(drivingrange100μm)couldbeimprovedto1.5%bydesigningafeedforwardcontrollerbasedontheinversemodel.Keywords:piezoelectricdriverꎻhysteresisꎻdynamicpolynomialfitꎻinversemodelꎻAFMEEACC:7230ꎻ7210㊀㊀㊀㊀doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2019.04.015压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究∗王艳艳1∗ꎬ边㊀焱1ꎬ郭㊀海2(1.天津职业技术师范大学ꎬ天津市信息传感与智能控制重点实验室ꎬ天津300222ꎻ2.国家海洋技术中心ꎬ天津300112)摘㊀要:压电陶瓷驱动器是原子力显微镜(AFM)的关键组件ꎮAFM在生物㊁材料及半导体等领域应用广泛ꎬ而利用AFM获得高精确的测试结果依然面临诸多挑战ꎮ其中ꎬ压电陶瓷驱动器具有迟滞㊁非线性等特点ꎬ在大范围高频工作状态下ꎬ对定位精度的影响更显著ꎬ这严重限制了AFM的进一步应用ꎮ本文围绕大范围压电陶瓷驱动器的迟滞性展开研究ꎬ设计一种基于改进型多项式拟合算法的迟滞建模方法ꎬ使得拟合模型可随输入信号频率的变化而变化ꎬ充分提高压电陶瓷迟滞模型的准确性ꎮ实验表明ꎬ该方法可为压电陶瓷驱动器建立准确的迟滞模型ꎬ建模过程简单ꎬ通过设计基于该迟滞逆模型的前馈控制算法ꎬ可使驱动范围在100μm的压电陶瓷驱动器的线性度提高至1.5%ꎮ关键词:压电陶瓷驱动器ꎻ迟滞性ꎻ动态多项式拟合ꎻ逆模型ꎻAFM中图分类号:TN384㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀文章编号:1004-1699(2019)04-0562-06㊀㊀原子力显微镜(AFM)是一种高分辨率的纳米级测试分析仪器ꎬ在材料㊁化学㊁生物㊁半导体制造等领域应用广泛ꎮAFM采用一端带有探针的微悬臂梁作为敏感元件ꎬ当探针逐渐接近样品时ꎬ探针原子与样品表面原子之间的作用力使得微悬臂梁弯曲ꎬ该弯曲量经光杠杆系统放大ꎬ并由光电探测器转换为电信号ꎬ由计算机显示ꎮ其中ꎬ探针在样品表面的扫描运动由压电陶瓷驱动器驱动ꎮ作为核心部件ꎬ压电陶瓷驱动器在AFM的扫描成像过程中起着至关重要的作用ꎬ其扫描速度和定位精度直接影响成像的速度和精度ꎮ然而ꎬ压电陶瓷本身具备非线性㊁滞后㊁爬行及振动等[1-2]缺点ꎬ在快速大范围扫描过程中影响定位精度ꎬ造成扫描图像的位置信息与高度信息不匹配ꎬ使得图像失真[3-4]ꎬ影响测试的精确性ꎮ高速扫描时ꎬ压电陶瓷的迟滞特性对AFM扫描成像的影响更为显著ꎬ因此ꎬ许多研究均围绕迟滞特性展开[5-12]ꎮ滞后特性可以通过如图1所示的方法如改进驱动电源㊁建立迟滞逆模型和设计反馈控制器等方法得到改善ꎮ传统的驱动电源一般为电压源ꎬ而压电陶瓷的驱动机理是驱动位移与电荷量成第4期王艳艳ꎬ边㊀焱等:压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究㊀㊀正比ꎬ所以许多电源改进方法均以设计电荷源为基础ꎬ包括电流型㊁混合型和开关型[5]ꎮ但该方法造价较高ꎬ通用性较差ꎮ设计基于先进控制算法的反馈控制器是第2种常见方法ꎬ常见的反馈控制算法包括改进PI反馈[6]㊁自适应控制[7]㊁模糊控制算法[8-9]等ꎮ该方法通过对压电陶瓷驱动器进行闭环反馈控制ꎬ提高其定位精确度ꎮ然而闭环反馈的增加会影响压电陶瓷驱动器的响应速度ꎮ设计基于迟滞逆模型的前馈控制器是第3种常见方法[10-12]ꎬ该方法以压电陶瓷迟滞模型为基础ꎬ通过前馈控制消除迟滞特性对PZT定位精度的影响ꎬ大大改善其定位精确度ꎮ该方法要求获得准确的压电陶瓷驱动器迟滞模型ꎮ由于压电陶瓷迟滞特性的复杂性ꎬ对其建模仍然是近年研究的难点ꎮ图1㊀压电陶瓷驱动器精密定位方法总结国内外许多研究学者针对压电陶瓷的迟滞性展开了研究ꎬ建立了许多关于迟滞特性的模型[13-21]ꎬ这些方法可总结如下:①通过分析压电陶瓷内部机理ꎬ从理论上解释迟滞现象ꎬ如微观极化机理㊁机电耦合效应等ꎬ但该方法理论模型复杂ꎬ实现较困难ꎻ②利用各种迟滞算子描述迟滞模型ꎬ如PI算子[13]㊁Preisach算子[14]㊁Hammerstein算子[15]㊁Bouc ̄Wen算子[16]和梯形算子[17]ꎮ哈尔滨工业大学的于志亮等人提出改进型PI算子[13]ꎬ描述压电陶瓷的迟滞性ꎬ动态迟滞性建模效果较好ꎮ北京理工大学李黎等人[14]基于Preisach算子设计自适应滑模控制律ꎬ描述压电陶瓷驱动器的迟滞性ꎬ取得了较好的结果ꎮ中南大学的徐运扬等人[15]提出Hammerstein模型以描述压电陶瓷驱动器的静态和动态迟滞特性ꎬ提高了模型精度等ꎮ总的来讲ꎬ这种算子建模方法能够较好的重现迟滞现象ꎬ难点在于模型参数辨识求解复杂ꎬ逆模型的求解完全依赖于建模方法ꎬ对输入数据有较强依赖性ꎬ这影响对逆模型的求解ꎻ③通过拟合迟滞曲线描述迟滞现象ꎬ神经网络算法[18-19]㊁多项式拟合[20-22]是常用的拟合方法ꎬ如中国计量大学的许素安等人利用神经网络算法建模[18-19]ꎬ较好的描述了压电陶瓷的迟滞特性ꎬ哈尔滨工业大学的孙立宁等人[21]采用多项式逼近模型描述压电陶瓷的迟滞现象ꎬ取得较好的结果ꎬ这类方法便于求取逆模型ꎮ但该拟合方法对输入数据依赖性较大ꎬ灵活性差ꎮ压电陶瓷的迟滞性较复杂ꎬ很难建立精确的数学模型ꎮ目前ꎬ国内外学者主要采用PI模型ꎬ但该模型计算量较大ꎬ逆模型求取较难ꎬ算子数量影响模型的精确性ꎬ是目前研究的难点ꎮ相较而言ꎬ多项式拟合算法计算量小ꎬ拟合精度较高ꎬ逆模型求取较简单ꎮ但当输入信号频率发生变化时ꎬ多项式拟合模型无法精确描述迟滞性ꎮ为此ꎬ本文设计基于动态多项式拟合的算法ꎬ使得拟合模型可随输入信号频率的变化而动态变化ꎬ提高对大范围压电陶瓷迟滞性模型描述的精确性ꎬ为后续设计基于迟滞逆模型的控制算法提供一种思路ꎮ1㊀改进型多项式拟合算法多项式拟合算法是常用的曲线回归建模方法ꎮ对于压电陶瓷的迟滞曲线ꎬ可采用多项式拟合的方法获得其多项式模型ꎮ但由于迟滞曲线不仅与当前输入信号有关ꎬ还与历史输入信号有关ꎬ因此ꎬ不同频率的输入信号引起的迟滞曲线是有区别的ꎬ而传统的多项式拟合算法只能给出相同迟滞曲线的模型ꎬ使得迟滞建模存在较大误差ꎮ为此ꎬ本文设计一种改进型多项式拟合算法ꎬ即可随频率变化的多项式拟合模型ꎬ提高迟滞模型的精度ꎮ曲线拟合问题的提法是:已知一组二维数据ꎬ即平面上的n个点(xiꎬyi)ꎬi=1ꎬ2ꎬ nꎬxi互不相同ꎬ求解一个函数y=f(x)ꎬ使得f(x)在某种准则(如最小二乘准则)下与所有数据点最为接近ꎬ即曲线拟合最好[23]ꎮ传统的多项式拟合方法获得的系数是唯一确定的ꎬ而压电陶瓷驱动器的迟滞曲线是动态变化的ꎬ随输入信号频率的变化而变化ꎮ因此ꎬ采用传统的多项式拟合方法必然会引入较大的拟合误差ꎬ大大降低拟合的精度ꎮ为此ꎬ本文提出一种改进型多项式拟合算法ꎬ是基于本课题组在文献[21]提出的动态多项式拟合算法ꎬ在其基础上进一步提高压电陶瓷驱动器的驱动范围ꎬ从30μm提高至100μmꎬ提高多项式拟合算法的应用范围ꎬ同时ꎬ保证拟合的系数随输入信号频率的变化不断变化ꎮ主要实现步骤如下:①学习阶段:选择不同频率(10Hzꎬ50Hzꎬ100Hz)的输入信号ꎬ采集获得压电陶瓷驱动器在这些频率处的迟滞曲线ꎬ用多项式拟合的方法对这些曲线分别进行拟合ꎬ获得不同频率对应的拟合系数ꎻ365传㊀感㊀技㊀术㊀学㊀报www.chinatransducers.com第32卷②建模阶段:根据拟合系数与频率之间的对应关系ꎬ建立不同的频率与拟合系数之间的线性模型关系ꎻ③验证阶段:根据频率与拟合系数之间的模型关系ꎬ计算给定输入信号(20Hz)对应的拟合系数ꎬ根据该拟合系数获得该输入信号对应的迟滞曲线的多项式模型ꎬ并与实际实验结果对比ꎬ验证该方法的拟合效果ꎮ2㊀算法实现及实验结果为实现该算法ꎬ需首先获得压电陶瓷驱动器不同输入频率下的迟滞曲线ꎮ本文以压电陶瓷驱动器为核心ꎬ搭建如图2所示实验系统ꎮ其中ꎬ驱动器采用德国PI公司的P-517.3CD柔性铰链微位移台ꎬ其X向和Y向的驱动范围达到100μmꎬZ向驱动范围20μmꎮ本文主要对X向驱动ꎬ利用数据采集系统(NI-PXI6363)输出不同频率的三角波驱动压电陶瓷伸缩ꎬ并采集压电陶瓷驱动器的输出迟滞曲线ꎬ传输给计算机显示ꎮ图2㊀实验系统图输入信号的频率分别设为10Hz㊁50Hz和100Hzꎬ记录输入电压数据和输出位移数据ꎬ以电压为横轴ꎬ以位移为纵轴ꎬ绘制迟滞曲线图ꎮ如图3所示ꎬ可发现频率越大ꎬ驱动范围越大ꎬ迟滞性越显著ꎬ这严重影响压电陶瓷驱动器的定位精度ꎮ图3㊀不同频率(10Hz㊁50Hz㊁100Hz)下压电陶瓷驱动器的迟滞曲线分别针对上升曲线和下降曲线ꎬ利用多项式拟合的方法对不同频率(10Hz㊁50Hz㊁100Hz)下的迟滞曲线进行拟合ꎬ采用的多项式模型为:y=ax2+bx+c(1)拟合结果如图4所示ꎬ按上升段与下降段区分ꎬ不同频率下理想拟合的模型如下:下降段:10Hz:y=0.0020x2+0.44x-0.939㊀㊀(2)50Hz:y=0.0026x2+0.34x-1.16(3)100Hz:y=0.0034x2+0.22x+0.935(4)上升段:10Hz:y=-0.0022x2+1.041x+1.738(5)50Hz:y=-0.0030x2+1.12x+4.626(6)100Hz:y=-0.0035x2+1.176x+9.706(7)图4㊀不同频率下迟滞曲线的理想拟合结果根据以上不同频率下的拟合模型分析多项式拟合参数与对应频率的关系可知:①上升段与下降段的迟滞曲线拟合参数中常数项c与输入信号的频率为非线性关系ꎻ②上升段与下降段的迟滞曲线拟合参数中一次项系数a㊁b与输入信号的频率基本成线性关系ꎻ③多项式拟合系数中的二次项系数a的大小对拟合结果的影响最为显著ꎬb其次ꎬc的影响最弱ꎮ465第4期王艳艳ꎬ边㊀焱等:压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究㊀㊀为此ꎬ本文结合以上3个特点ꎬ提出一种改进型的多项式拟合算法ꎮ首先选择多项式拟合参数中的二次项系数a和一次项系数bꎬ按照频率与二次项㊁一次项系数线性的关系选择a和bꎬ再根据不同频率对应的输入信号与输出信号的最大值确定c的大小ꎮ本文按照以上原则ꎬ根据式(2)~式(7)中的一次项系数和二次项系数分别计算下降段和上升段新的拟合系数ꎬ选用线性模型ꎬ所得模型如下:下降段二次项系数a的模型:y=1.549e-5x+0.00187下降段一次项系数b的模型:y=-0.0022x+0.458上升段二次项系数a的模型:y=-1.549e-5x-0.00207上升段一次项系数b的模型:y=0.00144x+1.029确定a和b后ꎬ根据最值确定c的大小ꎮ利用以上模型计算得到10Hz㊁50Hz和100Hz的信号对应的新的多项式系数ꎬ后重新进行拟合ꎬ通过分析拟合残余误差验证拟合效果ꎮ拟合模型如下:图6㊀拟合残差结果下降段:10Hz:y=0.0020x2+0.44x-0.939㊀㊀(8)50Hz:y=0.0027x2+0.34x-1.7314(9)100Hz:y=0.0034x2+0.24x-1.1785(10)上升段:10Hz:y=-0.0022x2+1.041x+1.738(11)50Hz:y=-0.0029x2+1.106x+4.648(12)100Hz:y=-0.0036x2+1.171x+10.373(13)根据式(8)~式(13)拟合模型对10Hz㊁50Hz㊁100Hz不同频率下压电陶瓷驱动器的迟滞特性曲线重新拟合ꎬ拟合结果见图5所示ꎮ图6所示为各频率下拟合残差结果ꎬ小于1.5μmꎬ因此拟合效果较好ꎮ图5㊀改进型多项式拟合方法拟合结果同时ꎬ本文选择20Hz的输入信号驱动压电陶瓷进一步验证该方法ꎮ利用图2所示实验系统ꎬ输出20Hz的信号ꎬ驱动压电陶瓷驱动器X向伸缩ꎬ利用采集卡采集输入输出数据ꎬ并应用改进型多项式565传㊀感㊀技㊀术㊀学㊀报www.chinatransducers.com第32卷拟合方法计算拟合系数ꎬ得到如下拟合模型:下降段:20Hz:y=0.0022x2+0.41x-0.32(14)上升段:20Hz2利用式(14)和式(15)多项式模型对20Hz的输入-输出数据进行拟合ꎬ其中ꎬ驱动器X向驱动范围达到100μmꎮ为验证该方法的可重复性ꎬ采用两次不同的输入信号ꎬ通过记录上升段的拟合残差结果ꎬ观察拟合效果ꎬ如图7所示ꎮ(a)㊁(c)分别为输入两种不同的输入信号获得的拟合效果图ꎻ(b)㊁(d)分别为两种不同输入信号下的拟合残差结果图7㊀改进型多项式对输入信号为20Hz时拟合效果图㊀㊀由图7可知ꎬ拟合残差控制在1.5μm内ꎬ说明该改进型多项式拟合模型能较好的描述大范围压电陶瓷驱动器的迟滞特性ꎬ同时该方法具有较好的重复性ꎮ为提高压电陶瓷驱动器的线性度ꎬ计算20Hz频率下迟滞模型的逆模型ꎬ并设计基于该逆模型的前馈控制器ꎬ应用于此压电陶瓷驱动器ꎬ分析其线性度ꎮ逆模型如下:下降段:20Hz:y=-0.092x2-0.38x-1.59上升段:20Hz:y=0.058x2-0.21x+0.75利用数据采集卡采集20Hz三角波信号驱动下的输入信号和输出信号ꎬ如图8所示ꎬ计算得到压电陶瓷驱动器的线性度达到1.5%ꎬ验证该方法具备较高的精确度ꎮ综上所述ꎬ本文提出一种新颖的改进型多项式拟合算法ꎬ描述大范围压电陶瓷驱动器的迟滞性ꎮ该方法通过对压电陶瓷驱动器3种不同频率下迟滞性能的学习ꎬ建立了迟滞系数与频率的关系ꎬ得到不同频率输入信号下的迟滞模型ꎮ实验证明该模型能较好的描述压电陶瓷驱动器的迟滞性能ꎬ应用该方法后ꎬ对于驱动范围在100μm的压电陶瓷驱动器ꎬ可提高其线性度至1.5%ꎬ该方法可应用于AFM驱动器ꎬ用以提高大范围高速扫描时横向的定位精度ꎬ后续工作将围绕该方法在AFM中的应用展开ꎮ图8㊀当输入信号为20Hz时ꎬ无前馈控制器和应用基于逆模型的前馈控制器输出结果对比3㊀结论本文提出一种改进型多项式拟合算法ꎬ描述大范围压电陶瓷驱动器的迟滞特性ꎬ为后续基于迟滞模型设计控制算法提供了一种思路ꎮ该方法通过对压电陶瓷驱动器3种不同频率下迟滞性能的学习ꎬ建立迟滞系数与频率的关系ꎬ得到不同频率输入信号下的迟滞模型ꎮ利用20Hz的输入信号验证得知该方法能有效描述大范围压电陶瓷驱动器的迟滞特性ꎬ使得驱动范围在100μm的压电陶瓷驱动器的665第4期王艳艳ꎬ边㊀焱等:压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究㊀㊀线性度达到1.5%ꎮ后续工作将围绕如何将该方法应用于AFM系统中展开ꎬ通过高速测试较大范围的标准样品验证该方法的有效性ꎮ参考文献:[1]㊀范伟ꎬ林瑜阳ꎬ李钟慎.压电陶瓷驱动器的迟滞特性[J].光学精密工程ꎬ2016ꎬ24(5):1112-1117.[2]LiuCheꎬGuoYanling.ModelingandPositioningofaPZTPrecisionDriveSystem[J].Sensors(BaselꎬSwitzerland)ꎬ2017ꎬ17(11):2577.[3]WangYꎬWanJꎬHuXꎬetal.ARateAdaptiveControlMethodforImprovingtheImagingSpeedofAtomicForceMicroscopy[J].Ul 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式中Hs为迟滞饱和强度,E(t)为电场强度,α 、a、k和 为参数模型, =sgn(dE/dt)。
J-A 模型在 对压电陶瓷 叠堆执行器 的迟滞现象 建模中取得 了一定的应 用,但是建 立 J-A 模型 过程复杂, 参数辨识较 为困难,因 此其应用还 并不广泛。
Dehem Model
Duhem模型的最大优点是具有明确的函数表达式,为建立其逆函数提供了便利。


fut
式子可简化为
f (t) , , utdd fut S (t)
左图是它的几何描述
广义非线性Priesach模型放宽了经典Priesach模型对一致特性的限制条件,在压 电陶瓷不满足一致特性的情况下,该模型仍能保证较高的建模精度。
小 结 Conclusion
基本特性 Basic characteristics
三、温度特性
压电陶瓷随着温度 的变化而伸长。 压电/电致伸缩陶瓷 的输出位移随着温度 的增加而减少,压电 陶瓷的减少幅度较小, 电致伸缩陶瓷减少幅 度较大。
四、迟滞特性
压电陶瓷的迟滞一般 在14%左右
应用与难点 Application and difficulties
Dehem的数学表达式可写为:
dw dv f v w dv gv
dt dt
dt
其中α是常数,v是迟滞输入,w是迟滞输 出,f,g定义为分段连续函数。通过选取 不同的 f (ν )和 g (ν )函数,Duhem 模型 可以描述一系列智能材料
的迟滞现象,例如磁流变阻尼器和压电陶 瓷叠堆执行器。
当然,极坐标模型,多项式模型等实用,精确度也较高的模型也有待学习。
总 结 Conclusion
本文主要是在学习压电陶瓷基本特性的基础 之上,了解并认识迟滞特性对压电陶瓷应用带来 的影响,发现对迟滞特性精确建模的必要性。
进而探究Preisach模型、广义Preisach模型、 PI模型等唯象数学模型,Maxwell模型、J-A模型、 Duhem模型等机理物理模型的基本构造,特点和 应用的优劣,为下一步深入研究具体模型的使用 和改进打下坚实基础。
为输出位移对时间的一阶和二阶导数; u 为驱动电压, 为驱动电压对时间的 一阶导数;h为迟滞位移; 为迟滞位 移对时间的一阶导数。
其 他 Others
Dahl Model
Dahl 模型是 Dahl 在1968 年提出来的一 种摩擦模型,可以用来 描述迟滞现象。但是 Dahl 模型用来描述压 电陶瓷叠堆执行器迟滞 时参数辨识较为困难, 模拟精度也不高,因此 还需要进一步进行研究。
考虑到其对环境的影响,从20世纪60年代起国内外的科研人员就开始 了对铌酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电陶瓷的研究。 现今压电材料的研究热点主要的在弛豫铁电单晶体、高居里温度压电 陶瓷、压电复合材料、三元及多元系固溶体、无铅压电陶瓷这五个方 面。
11Li
一、位移特性
基本特性 Basic characteristics
Bouc-Wen迟滞算子可写为: 式中 y 为系统的输入;z 为系统的迟滞, A、 β 和γ 为模型的参数;n为模型的阶数。
该模型将压电陶瓷叠堆执行器等效 成一个单自由度的质量-弹簧-阻尼系 统,如图左,其数学表达式为
式中m 、c和k分别为压电陶瓷叠堆执 行器的质量、阻尼和刚度;x为压电陶 瓷叠堆执行器的输出位移; 和 分别
总的来说
目前, Preisach模 型及其各种改进 模型仍然是应用 最广泛的一类迟 滞模型。
Prandtl-Ishlinskii Model
Prandtl-Ishlinskii (P-I)模型是由 Krasnosel’skii 和 Pokrivskii 于 20 世纪 70 年代建立的。
P-I迟滞算子可以写为:
Generalized Priesach Model
在经典Preisach模型的基础之上,Mayergoyz提出了广义非线性Preisach模型。
广义Preisach模型的一般表达式为
ห้องสมุดไป่ตู้ f
t
, ,u t Ru t


u t

dd
NN Model
神经网络 (Neural Network, NN)善长于用隐式表 达知识,具有很强的 能够逼近非线性函数 的能力,因此可以用 来进行建模,描述迟 滞现象。 但Neural Network 模型需要大 量的训练数据,其应 用需要进一步研究。
LuGre Model
LuGre 摩擦模型由 Canudas 于 1995 年首 次提出,其采用刚鬓模 型精确地模拟了物体相 互接触时的各种摩擦。 LuGre 摩擦模型在压电 陶瓷叠堆执行器的迟滞 现象时存在着模拟精度 较低的缺点,其研究才 刚刚起步。
一种是基于机理的物理模型,从基本物理原理出发描述物理特 性,如Maxwell模型,Jiles-Atherton模型,Duhem模型。 一种是基于现象的数学模型,从数学的角度描述物理现象, 或者称唯象数学模型,如Priesach模型,Prandtl-Ishlinskii模 型。
Priesach Model
L QrE 2E 2S 0K
式中的ε不是常量,而是 与所加电压和加压史有 关,因而压电陶瓷位移 ΔL和电场强度E的关系 存在迟滞特性,左图为 正负电压下的位移-电压 曲线:
基本特性 Basic characteristics 二、出力位移特性
在空载的情况下压电陶瓷 的输出位移为最大输出位 移,在最大输出力的作用 下,压电陶瓷的输出位移 将为零,压电陶瓷的输出 力和位移的关系曲线如左
Duhem模型是输入信号导数的 函数,模型输出与输入信号的 速率相关,是一种动态模型, 符合实际智能材料中迟滞非线 性的动态特性,因此这个模型 能够更精确地描述迟滞非线性。 但是由于选取合适的f(v),g (v)具有较大的难度,Duhem 模型的应用受到了一定的限制。
Bouc-Wen Model
Bouc-Wen 迟滞算子是由 Bouc于 1967 年提出,并在 1976 年由 Wen完善的一个微分方程。
Maxwell model
Maxwell 模型将多个弹性滑块元件并联用于模拟迟滞现象。
Maxwell模型可以表示为如 左下,式中x为输出位移,F 为输出力,k为弹性刚度, f=μN为滑动摩擦力,xb 为 滑动初始位移 。
Maxwell模型采用输出力和 滑块位移模拟压电陶瓷的驱 动电压和响应位移,须增加 弹簧滑块的数目以提高模型 精度,能提高模拟压电陶瓷 迟滞曲线的精度,但由此导 致求解过程复杂、计算量大。
智能材料与先进车辆工程研究中心
关于压电陶瓷迟滞特性的建模
指导老师: 杨 帆
报 告 人: 彭 正
发 展 史 Developoment
1880年,法国物理学家居里兄弟在研究石英晶体时发现了压电现象。
1947年S.Robert发现了BaTiO3的强压电效应,这是压电材料发展史上 的一个飞跃。
1954年B.Jaffe等人发现了PZT(锆钛酸铅),它改变了对钛酸钡压电 陶瓷的依赖,它的出现在压电陶瓷的发展道路上是一个重要的转折点。
Jiles-Atherton (J-A) Model
J-A 模型是 Jiles 和 Atherton在 1984 年提出的用于模拟迟滞现象的模型。
此模型认为迟滞算子可以看成线性部分Han 和迟滞部分Hirr 的叠加,并可 以表示为
式中HE(t)为迟滞算子,c为模型参数且0<c<1.线性部分Han和迟滞部分分别 有以下定义:
一方面
Preisach模型概括 了一类迟滞非线性 特有的擦除特性和 一致特性,并且具 有精度高的优点, 因此它在迟滞非线 性领域备受关注。
另一方面
Preisach 模型难以 利用实测数据来直接 调整模型, 且在线实 现复杂。如果直接应 用经Priesach模型对 压电陶瓷进行建模, 会带来较大误差。
n
pxt bi pri xt i 1
式中bi 是大于零的可调权重系数; r
是基本迟滞单元
的阀值。Pr[x]
有如左图的特性。
Prandtl—Ishlinskii模型是对 Preisach模型的改进,它由多个PI 算子加权叠加组成,建模的计算量 较大且容易产生毛刺。因为存在积 分环节,因此该模型建模比较复杂,也 不容易理解。
压电陶瓷产品因其 响应快,体积小,功耗 低,精度高等一系列优 点,越来越受到研究人 员的重视。但实际应用 中,压电陶瓷表现出迟 滞,蠕变等非线性特性, 其中迟滞特性是影响定 位精度的主要因素。因 此,为了补偿压电陶瓷 的迟滞非线性,对迟滞 特性进行精确建模显得 尤为重要。
迟滞模型 Model
迟滞模型的研究主要分为 两个方向:
经典Preisach 模型首先被用来模拟磁效应,其源于德国科学家 Preisach 在 1935 年发表的论文。
经典Preisach模型的一般表达 式为:
f t , ˆutdd 式中f(t)为t时刻的迟滞输出; u(t)为t时刻的输入电压; γαβ[u(t)]为基本迟滞算子; μ(α,β)为Preisach函数,α,β 分别为其上升和下降阀值。
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