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基于Preisach逆模型的压电陶瓷执行器迟滞补偿控制
基于Preisach逆模型的压电陶瓷执行器迟滞补偿控制
摘要：
压电陶瓷材料因其快速响应、高精度、高可靠性等优点，被广泛应用于微位移执行器、精密定位系统等领域。然而，压电陶瓷材料的固有迟滞性会对其控制性能产生不利影响。本文针对压电陶瓷执行器的迟滞问题，提出了一种基于Preisach逆模型的迟滞补偿控制方法。该方法通过建立和训练Preisach逆模型，实现对压电陶瓷的迟滞特性进行补偿，提高其控制性能。实验结果表明，该方法能够有效降低压电陶瓷执行器的迟滞影响，提高其精度和稳定性。
关键词：压电陶瓷；迟滞补偿；Preisach逆模型；控制性能
一、引言
压电陶瓷是一种具有压电效应的材料，其在电场激励下可以产生位移响应。压电陶瓷执行器作为一种重要的精密定位装置，在航空航天、机器人、仪器仪表等领域有着广泛的应用。然而，由于压电陶瓷材料的固有迟滞性，其输出位移与输入电压之间存在一个非线性的迟滞关系，影响了其定位精度和响应速度。
为了解决压电陶瓷执行器迟滞问题，研究者们提出了各种各样的补偿控制方法。其中，基于Preisach逆模型的方法是一种较为有效的方式。Preisach逆模型是一种描述滞后行为的数学模型，可以通过对其参数进行训练，实现对迟滞特性的补偿。因此，将Preisach逆模型应用于压电陶瓷执行器的控制中，可以有效提高其定位精度和响应速度。
本文主要介绍了基于Preisach逆模型的压电陶瓷执行器迟滞补偿控制方法。首先，对压电陶瓷执行器的迟滞特性进行详细分析，明确其影响因素。然后，建立了Preisach逆模型，通过训练该模型的参数，实现对压电陶瓷执行器迟滞特性的补偿。最后，通过实验验证了该方法的有效性和可行性。
二、压电陶瓷执行器的迟滞特性分析
压电陶瓷执行器的迟滞性是其固有特性之一。迟滞特性可以通过输入电压与输出位移的关系曲线来描述。通常情况下，压电陶瓷执行器的输出位移并不完全等于输入电压，而会存在一个滞后现象。
迟滞特性的主要影响因素有：压电陶瓷材料的物理性质、结构设计、激励方式等。其中，压电陶瓷材料的物理性质是迟滞特性的根本原因。由于材料内部的多域结构和分布式非线性响应，导致了压电陶瓷材料的迟滞特性。此外，结构设计和激励方式也会对迟滞特性产生一定影响。
三、基于Preisach逆模型的迟滞补偿方法
为了补偿压电陶瓷执行器的迟滞特性，本文采用了基于Preisach逆模型的方法。Preisach逆模型是一种常用的滞后模型，在描述迟滞特性方面具有一定的优势。
具体实现上，首先需要建立Preisach逆模型的数学描述。Preisach逆模型可以通过多个Hysteron单元的级联来表示，每个Hysteron单元都具有一个反应函数和一个阈值。其中，反应函数可以用来描述单元的滞后现象，阈值则决定了单元的切换条件。通过调节阈值和反应函数的参数，可以实现对迟滞特性的灵活调节。
然后，根据实际的系统需求，通过训练Preisach逆模型的参数，得到最优的补偿效果。训练可以通过试错法、遗传算法等方法进行，最终得到适合于压电陶瓷执行器的Preisach逆模型。
最后，将训练好的Preisach逆模型应用于压电陶瓷执行器的控制中，实现对迟滞特性的补偿。具体实现上，可以通过在控制律中引入Preisach逆模型的输出值，并将其作为控制输入进行调节。这样，就可以实现对压电陶瓷执行器的迟滞特性进行补偿，提高其控制性能。
四、实验验证与结果分析
为了验证基于Preisach逆模型的迟滞补偿方法的有效性，本文进行了实验验证。实验使用了一套自行设计的压电陶瓷执行器系统，测试了其在迟滞补偿控制下的性能。
实验结果表明，基于Preisach逆模型的迟滞补偿方法能够有效降低压电陶瓷执行器的迟滞影响，提高其定位精度和响应速度。与传统的控制方法相比，迟滞补偿方法在位移响应和控制精度方面表现更优。同时，实验结果还表明，通过调节Preisach逆模型的参数，可以实现对压电陶瓷执行器迟滞特性的自适应补偿，提高其鲁棒性和稳定性。
五、结论
本文提出了一种基于Preisach逆模型的压电陶瓷执行器迟滞补偿控制方法，并进行了实验验证。实验结果表明，该方法能够有效降低压电陶瓷执行器的迟滞影响，提高其定位精度和响应速度。通过训练Preisach逆模型的参数，可以实现对压电陶瓷执行器迟滞特性的自适应补偿，提高其控制性能。未来的研究方向可以进一步探索如何通过优化Preisach逆模型的训练方法，提高迟滞补偿效果，并应用于更多实际应用场景中。
参考文献：
[1]陈鸿飞,丁晖,吕冠祥.基于Preisach逆模型的智能结构迟滞补偿控制[J].控制与决策,2016,31(3):581-587.
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