具有迟滞非线性特性的压电陶瓷作动器的建模与控制

摘要

压电陶瓷作动器作为智能材料的一种，具有压电效应好、分辨率高、反应速度快以及成本低等特点，在精密仪器、微位移和微控制等领域得到了广泛的应用。压电陶瓷作动器本身所具有的迟滞非线性特性是一种强非线性，且这种迟滞非线性又是率相关的，这些都严重影响了控制精度，甚至导致控制系统发生震荡，制约着它的应用。本文首先建立压电陶瓷作动器的Hammerstein模型，然后深入研究了压电陶瓷作动器的跟踪控制问题，主要包括以下几个方面的内容。
　　第一个部分在分析总结了国内外对于压电陶瓷作动器建模的基础上，分析各种模型的优缺点和应用范围，深入学习了Hammerstein模型理论。基于现有的压电陶瓷作动器实物和相对应的实验平台，采集压电陶瓷作动器输入输出数据，经过系统参数辨识建立了Hammerstein模型，且和压电作动器实物相比模型的相对误差很小，从实验上验证了建模方法的准确性与可行性。
　　第二个部分首先是使用工业上最常用的PID控制器对系统进行控制，然后通过分析结果可以知道可能是由于参数调节不准确或者是PID控制器本身的局限性这两个原因导致控制效果不好。然后引入神经网络PID控制器实现参数的在线调节，然而跟踪控制效果依然不好。从而可以分析得出，由于PID控制器本身的局限性导致对迟滞非线性系统跟踪控制效果不好。因此在系统中加入了前馈环节，通过前馈逆补偿消除模型的迟滞非线性部分，即引入前馈逆补偿+PID控制实现对压电陶瓷作动器的跟踪控制，然后进行实验验证。
　　第三个部分引入了自抗扰控制器，首先是将压电陶瓷作动器的模型等效为一个二阶系统，然后利用这个二阶系统设计出自抗扰控制器，对压电陶瓷作动器进行跟踪控制。最后的仿真和实验结果都表明自抗扰控制器可以比较好的跟踪控制压电陶瓷作动器，最后比较了前馈逆补偿+PID控制器和自抗扰控制器各自的优缺点和适用范围，它们各自有自己的特点，一个是控制精度高，一个是应用简单适合工业应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 迟滞非线性

1．3 压电陶瓷材料及压电陶瓷作动器

1．4 迟滞非线性系统的建模与控制研究现状

1．4．1 迟滞非线性建模

1．4．2 物理模型

1．4．3 唯象模型

1．4．4 迟滞非线性系统基于计算智能建模

1．4．5 迟滞非线性系统的控制

1．5 快速控制原型法

1．6 研究目标及内容

1．7 论文组织结构

第2章 压电陶瓷作动器的建模

2．1 引言

2．2 Hammerstein模型

2．2．1 PI模型

2．2．2 MPI模型

2．2．3 ARX模型

2．3 Hammerstein模型的实现

2．3．1 实验系统简介

2．3．2 模型参数辨识

2．3．3 模型效果分析

2．4 本章小结

第3章 基于Hammerstein模型的跟踪控制

3．1 引言

3．2 控制方案设计

3．2．1 PID控制

3．2．2 BP神经网络PID控制

3．2．3 前馈逆补偿+PID控制

3．3 基于dSPACE平台的实验系统设计

3．3．1 压电陶瓷作动器的跟踪控制实验

3．3．2 实验结果分析与讨论

3．4 本章小结

第4章 压电陶瓷作动器的自抗扰控制

4．1 引言

4．2 自抗扰控制器设计

4．3 压电陶瓷作动器自抗扰控制的仿真和实验

4．4 前馈逆补偿+PID控制器和自抗扰控制器的比较

4．5 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献