專利名稱：一種壓電陶瓷定位的復(fù)合控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微細(xì)工程中的納米定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種壓電陶瓷定位的復(fù)合控制方法。
背景技術(shù)：
由于精密工程和微細(xì)工程的迅速發(fā)展，納米級(jí)定位技術(shù)已成為微機(jī)電系統(tǒng)，超精密加工，微電子技術(shù)，光電工程和生物技術(shù)等學(xué)科的關(guān)鍵技術(shù)?；趬弘娞沾傻亩ㄎ幌到y(tǒng)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。壓電陶瓷具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷的定位技術(shù)是在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?，再通過反饋系統(tǒng)到計(jì)算機(jī)，根據(jù)控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。由于壓電陶瓷具有分辨率高，響應(yīng)速度快，能耗低，不受磁場(chǎng)干擾，產(chǎn)生推力大等優(yōu)點(diǎn)，被選用驅(qū)動(dòng)元件，進(jìn)行高精度定位。壓電陶瓷自身存在的遲滯和蠕變，很大程度上影響了微位移定位的精度。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)消除壓電陶瓷本身的遲滯和蠕變建立了一些模型，提出了一些控制算法，但是定位精度不是很高?，F(xiàn)有的壓電陶瓷定位控制算法有PID控制，前饋控制，模糊控制，自適應(yīng)控制，自學(xué)習(xí)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，以及某幾種結(jié)合起來的復(fù)合控制等，這些算法都能有效地提高定位精度，但是在非線性，穩(wěn)定性，抗干擾等方面還存在不足。利用對(duì)壓電陶瓷的遲滯特性建模的方法進(jìn)行定位控制，例如現(xiàn)象宏觀模型，Pre i sach模型，疇壁模型，微機(jī)械模型，統(tǒng)計(jì)物理分析，均勻分布能量關(guān)系等模型，能夠得到較好的定位精度。但這些模型的共同缺點(diǎn)是模型復(fù)雜，參數(shù)多且不易確定、模型對(duì)參數(shù)敏感、運(yùn)算量大。光學(xué)設(shè)備(如光刻機(jī))中的光學(xué)器件往往利用壓電陶瓷進(jìn)行微位移的驅(qū)動(dòng)與定位，對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而達(dá)到所要求的定位精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種壓電陶瓷定位的復(fù)合控制方法，在達(dá)到較高定位精度的同時(shí)，能夠更好的增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，消除遲滯和蠕變，減小紋波，使響應(yīng)上升時(shí)間縮短。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案為一種壓電陶瓷定位的復(fù)合控制方法，該方法的步驟如下步驟(I)獲得壓電陶瓷的位移偏差量e (kT)，首先給定壓電陶瓷理想位移Xi (kT)，壓電陶瓷實(shí)際位移X(kT)是閉環(huán)系統(tǒng)反饋的位移量，比較給定位移Xi (kT)和實(shí)際位移X (kT)，從而得到位移偏差量e (kT)；步驟(2)設(shè)定一個(gè)閾值δ，此閾值可以通過采樣多組數(shù)據(jù)，然后選取臨界值來實(shí)現(xiàn)；步驟(3)當(dāng)δ < = e (kT)時(shí),停止積分,此時(shí)選用F1D和前饋控制的組合,從而避免超調(diào)，又使壓電陶瓷定位系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度；當(dāng)S > e (kT) I時(shí)，選用PID和前饋控制的組合，保證控制精度；步驟(4)、當(dāng)選定復(fù)合控制方法后，進(jìn)行模糊控制的在線控制參數(shù)自整定，將整定后的控制參數(shù)通過PID或ro控制器，變?yōu)榭刂菩盘?hào)Au(kT)；步驟(5)、將控 制信號(hào)Au(kT)與前饋控制器給出基本控制電壓ud(kT)進(jìn)行疊加，便得到壓電陶瓷控制輸出u(kT)。優(yōu)選的，所述的前饋控制采用建立Preisach模型的方式實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的，所述的進(jìn)行模糊控制的在線控制參數(shù)自整定具體為模糊控制器在線對(duì)PID三個(gè)參數(shù)Kp，Ki, Kd進(jìn)行修改，位移偏差量e(kT)與位移偏差變化率Ae(kT)作為模糊控制器的輸入，修正參數(shù)Akp，Aki, Akd為輸出量。本發(fā)明的原理在于本發(fā)明在壓電陶瓷定位的整個(gè)過程中采用不同的控制組合方式，設(shè)定一個(gè)閾值S，根據(jù)位移偏差量e(kT)與閾值δ的大小關(guān)系有選擇性的使用前饋控制與PID控制的復(fù)合控制，或者使用前饋控制與ro控制的復(fù)合控制。根據(jù)閾值δ和偏移量e(kT)的大小關(guān)系來確定控制的方式。當(dāng)δ < e (kT)時(shí)，停止積分，此時(shí)選用ro和前饋控制的組合，這樣可以避免超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度；當(dāng)δ > e (kT) I時(shí)，選用PID和前饋控制的組合，可以保證控制精度。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，需要建立數(shù)學(xué)模型，本文采用傳統(tǒng)的Preisach模型來描述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的遲滯和非線性，用模糊控制在線對(duì)PID或H)的參數(shù)進(jìn)行自整定，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，使其具有模糊控制的靈活性，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上，提出一種基于Preisach模型的有選擇性的前饋控制與PID或H)的復(fù)合控制算法，引入了模糊控制在線對(duì)PID參數(shù)自整定的方法，將其構(gòu)成整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以更好的提高定位精度，避免超調(diào)，使得響應(yīng)上升時(shí)間縮短，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抗干擾性。


圖I為本發(fā)明的一種壓電陶瓷定位的復(fù)合控制方法的整個(gè)閉環(huán)控制流程圖；圖2為本發(fā)明基于Preisach模型的前饋控制與PID或H)控制相結(jié)合的復(fù)合控制流程圖；圖3為本發(fā)明模糊控制的自整定PID控制器結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例具體說明本發(fā)明。參考圖I所示的一種壓電陶瓷定位的復(fù)合控制方法的整個(gè)閉環(huán)控制流程圖。步驟(I)獲得壓電陶瓷的位移偏差量e (kT)，首先給定壓電陶瓷理想位移Xi (kT)，壓電陶瓷實(shí)際位移X(kT)是閉環(huán)系統(tǒng)反饋的位移量，比較給定位移Xi (kT)和實(shí)際位移X (kT)，從而得到位移偏差量e (kT)；步驟(2)設(shè)定一個(gè)閾值δ，此閾值可以通過采樣多組數(shù)據(jù)，然后選取臨界值來實(shí)現(xiàn)；步驟⑶當(dāng)δ <= e(kT) |時(shí)，停止積分，此時(shí)選用PD和前饋控制的組合，從而避免超調(diào)，又使壓電陶瓷定位系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度；當(dāng)S > e (kT) I時(shí)，選用PID和前饋控制的組合，保證控制精度；步驟(4)當(dāng)選定復(fù)合控制方法后，進(jìn)行模糊控制的在線控制參數(shù)自整定，將整定后的控制參數(shù)通過PID或ro控制器，變?yōu)榭刂菩盘?hào)Au(kT)；步驟(5)將控制信號(hào)Au(kT)與前饋控制器給出基本控制電壓Ud(kT)進(jìn)行疊加，便得到壓電陶瓷控制輸出u(kT)。在這個(gè)過程中，前饋控制可以采用本領(lǐng)域常用的前饋控制方式，也可以建立Preisach模型,具體如下Preisach模型的計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.一種壓電陶瓷定位的復(fù)合控制方法，其特征是該方法的步驟如下 步驟(I)獲得壓電陶瓷的位移偏差量e(kT)，首先給定壓電陶瓷理想位移Xi(kT)，壓電陶瓷實(shí)際位移X(kT)是閉環(huán)系統(tǒng)反饋的位移量，比較給定位移Xi (kT)和實(shí)際位移X(kT)，從而得到位移偏差量e(kT)； 步驟(2)設(shè)定一個(gè)閾值δ，此閾值可以通過采樣多組數(shù)據(jù)，然后選取臨界值來實(shí)現(xiàn)；步驟(3)當(dāng)δ <= e(kT) I時(shí)，停止積分，此時(shí)選用PD和前饋控制的組合，從而避免超調(diào)，又使壓電陶瓷定位系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度；當(dāng)S > e (kT) I時(shí)，選用PID和前饋控制的組合，保證控制精度； 步驟(4)當(dāng)選定復(fù)合控制方法后，進(jìn)行模糊控制的在線控制參數(shù)自整定，將整定后的控制參數(shù)通過PID或H)控制器，變?yōu)榭刂菩盘?hào)Au(kT)； 步驟(5)將控制信號(hào)Au(W)與前饋控制器給出基本控制電壓ud(kT)進(jìn)行疊加，便得到壓電陶瓷控制輸出u(kT)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種壓電陶瓷定位的復(fù)合控制方法，其特征是所述的前饋控制采用建立Preisach模型的方式實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種壓電陶瓷定位的復(fù)合控制方法，其特征是所述的進(jìn)行模糊控制的在線控制參數(shù)自整定具體為模糊控制器在線對(duì)PID三個(gè)參數(shù)Kp，Ki, Kd進(jìn)行修改，位移偏差量e(kT)與位移偏差變化率Ae(kT)作為模糊控制器的輸入，修正參數(shù)ΛΚρ，ΔKi, ΔKd為輸出量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種壓電陶瓷定位的復(fù)合控制方法，該方法在整個(gè)過程中采用不同的控制組合方式，設(shè)定一個(gè)閾值δ，根據(jù)位移偏差量e(kT)與閾值δ的大小關(guān)系有選擇性的使用前饋控制與PID控制的復(fù)合控制，或者使用前饋控制與PD控制的復(fù)合控制。該方法需要建立數(shù)學(xué)模型，本文采用傳統(tǒng)的Preisach模型來描述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的遲滯和非線性，用模糊控制在線對(duì)PID或PD的參數(shù)進(jìn)行自整定，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，使其具有模糊控制的靈活性，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明第一次運(yùn)用這種有選擇性的控制方式組合，有效提高了壓電陶瓷的定位精度，提高了穩(wěn)定性和抗干擾能力，縮短了響應(yīng)上升時(shí)間，同時(shí)也有效的消除了遲滯和蠕變。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102621889SQ201210083158
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者嚴(yán)偉, 唐小萍, 胡博, 胡志成, 胡松 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所