的輸出響應(yīng)，并采樣記錄輸入與輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)測試第i個(gè) 自由度時(shí)，將其它N-1個(gè)自由度的輸入置零或保持恒定，僅改變第i個(gè)自由度的輸入，用數(shù)據(jù) 采集設(shè)備記錄下第i個(gè)自由度的輸入與輸出。
[0056] (2)根據(jù)上一步驟的測試結(jié)果，分別建立每個(gè)自由度的數(shù)學(xué)模型，出，出，出，-_，拖。 由于高精密的定位平臺多采用磁致伸縮材料、壓電陶瓷等智能材料作為驅(qū)動器件，其輸入 與輸出會表現(xiàn)遲滯非線性的特征，所以第i個(gè)自由度的數(shù)學(xué)模型出可以用基于現(xiàn)象的遲滯 模型，而不用考慮遲滯的成因，如Preisach模型、Prandtl-Ishlinskii模型等。
[0057] (3)分別測試耦合效應(yīng)對每個(gè)自由度輸出的影響，并通過采樣記錄輸入與輸出數(shù) 據(jù)。當(dāng)測試第i個(gè)自由度的輸出時(shí)，將第i個(gè)自由度的輸入置零或保持恒定，依次改變其它N-1個(gè)自由度的輸入，并用數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄下第i個(gè)自由度的輸出與其它N-1個(gè)自由度的輸 入。
[0058] (4)根據(jù)測試結(jié)果，分別建立每個(gè)自由度的耦合數(shù)學(xué)模型，61，62，&，-_心。由于高 精密的定位平臺多采用智能材料作為驅(qū)動器件，其輸入與輸出的遲滯特性也會影響到耦合 效應(yīng)，所以耦合數(shù)學(xué)模型Gi也可以用基于基于現(xiàn)象的遲滯模型，而不用考慮耦合的形成機(jī) 理。
[0059] (5)基于上述步驟的模型設(shè)計(jì)解耦控制器作用在多自由度精密定位平臺上如圖2 所示。在實(shí)時(shí)控制過程中，當(dāng)輸入發(fā)生變化后，根據(jù)耦合數(shù)學(xué)模型分別計(jì)算出每個(gè)自由度上 耦合效應(yīng)引起的位移變化量Ayi，Ay2, ，…，Ay N，然后用每個(gè)自由度數(shù)學(xué)模型的逆模 型ΗΓ1，ftT1，H3'…，Hf1，依次計(jì)算出每個(gè)自由度修改后的輸入值 V1，v2，V1，…，VN，并分別作 用在平臺每個(gè)自由度的輸入上，使得修改輸入值引起的輸出變化與耦合效應(yīng)引起的輸出變 化相抵消。
[0060] 為了進(jìn)一步描述本發(fā)明，以下用壓電驅(qū)動的二自由度精密定位平臺解耦控制實(shí)驗(yàn) 為例，描述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0061 ] 實(shí)施例
[0062] 壓電驅(qū)動的二自由度精密定位平臺的輸入是電壓，輸出是位移。理想狀況下，兩個(gè) 自由度的運(yùn)動方向相互正交，而由于結(jié)構(gòu)本身與加工精度的影響，兩個(gè)自由度之間存在著 相互干涉的耦合效應(yīng)。解耦控制方法的步驟如下：
[0063] (1)保持第2個(gè)自由度的輸入電壓不變，在第1個(gè)自由度施加的輸入電壓如圖3所 示，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄第1個(gè)自由度的輸入電壓與輸出位移值。
[0064] (2)保持第1個(gè)自由度的輸入電壓不變，在第2個(gè)自由度施加的輸入電壓如圖3所 示，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄第2個(gè)自由度的輸入電壓與輸出位移值。
[0065] (3)根據(jù)以上兩步記錄的數(shù)據(jù)，采用Prandtl-Ishlinskii模型辨識參數(shù)，分別建立 第1個(gè)自由度與第2個(gè)自由度的數(shù)學(xué)模型出與出，并求出其逆模型ΗΓ1與ΚΓ1。
[0066] (4)保持第1個(gè)自由度的輸入電壓不變，在第2個(gè)自由度施加的輸入電壓如圖3所 示。耦合效應(yīng)引起的第1個(gè)自由度位移變化如圖4控制前曲線所示。通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄 第2個(gè)自由度的輸入電壓與第1個(gè)自由度的輸出位移值。
[0067] (5)保持第2個(gè)自由度的輸入電壓不變，在第1個(gè)自由度施加的輸入電壓如圖3所 示。耦合效應(yīng)引起的第2個(gè)自由度位移變化如圖5控制前曲線所示。通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄 第1個(gè)自由度的輸入電壓與第2個(gè)自由度的輸出位移值。
[0068] (6)根據(jù)以上兩步記錄的數(shù)據(jù)，采用Prandtl-Ishlinskii模型辨識參數(shù)，分別建立 第2個(gè)自由度的輸入與第1個(gè)自由度的輸出位移的耦合數(shù)學(xué)模型61、第1個(gè)自由度的輸入電 壓與第2個(gè)自由度的輸出位移耦合數(shù)學(xué)模型G2;
[0069] (7)基于上述步驟的模型^、^、^'^^而而設(shè)計(jì)解耦控制器作用在多自由度精 密定位平臺上如圖6所示。在實(shí)時(shí)控制過程中，當(dāng)?shù)?個(gè)自由度輸入電壓發(fā)生變化，耦合數(shù)學(xué) 模型 Gl計(jì)算出耦合效應(yīng)引起的第1個(gè)自由度位移變化量Ayi，然后用逆模型ΗΓ1計(jì)算出修改 后的輸入值 V1，作用在第1個(gè)自由度上。當(dāng)?shù)?個(gè)自由度輸入電壓發(fā)生變化，耦合數(shù)學(xué)模型62 計(jì)算出耦合效應(yīng)引起的第2個(gè)自由度位移變化量Ay2,然后用逆模型ΚΓ1計(jì)算出修改后的輸 入值v 2,作用在第2個(gè)自由度上。
[0070] 綜上所述，本發(fā)明的多自由度精密定位平臺的解耦控制方法，可以直接應(yīng)用于已 有的多自由度精密定位平臺，無需重新設(shè)計(jì)或制造新的設(shè)備，只需要升級相應(yīng)的控制器算 法，就能夠用于多自由度精密定位平臺的解親。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多自由度精密定位平臺的解耦控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、對于N個(gè)自由度的精密定位平臺，單獨(dú)測試每個(gè)自由度的輸出響應(yīng)，并采樣記錄 輸入與輸出數(shù)據(jù)； 步驟2、根據(jù)測試結(jié)果，分別建立每個(gè)自由度的數(shù)學(xué)模型出(1 = 1，2,3,…，N); 步驟3、分別測試耦合效應(yīng)對每個(gè)自由度輸出的影響，并通過采樣記錄輸入與輸出數(shù) 據(jù)； 步驟4、根據(jù)步驟3的測試結(jié)果，分別建立每個(gè)自由度的耦合數(shù)學(xué)模型641 = 1,2,3,…， N)； 步驟5、在實(shí)時(shí)控制中，當(dāng)輸入發(fā)生變化后，根據(jù)耦合數(shù)學(xué)模型仏分別確定每個(gè)自由度上 親合效應(yīng)引起的輸出變化量Ayi, Ay2, Ay3，···，AyN; 步驟6、根據(jù)上述輸出變化量與每個(gè)自由度數(shù)學(xué)模型Hi，依次確定每個(gè)自由度修改后的 輸入值VI，V2，VI，…，VN，并分別作用在平臺每個(gè)自由度上，使得修改輸入值引起的輸出變化 與耦合效應(yīng)引起的輸出變化相抵消，完成控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度精密定位平臺的解耦控制方法，其特征在于，步驟1 中精密定位平臺的自由度N大于等于2。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度精密定位平臺的解耦控制方法，其特征在于，步驟1 中的精密定位平臺輸出為無耦全效應(yīng)輸出與耦合效應(yīng)引起輸出的疊加，其中第i個(gè)自由度 的輸出yi(t)表達(dá)式為： yi(t) =Hi[Xi(t)]+Gi[^ci(t)，X2(t)，…，Xi-l(t)，Xi+i(t)，…，XN(t)] 其中，Xi(t)是第i個(gè)自由度的輸入，Hi[Xi(t)]是第i個(gè)自由度的無耦合效應(yīng)的輸出，Gi [Xl(t)，X2(t)，…，Xi-l(t)，Xi+l(t)，…，XN(t)]是親合效應(yīng)引起的第i個(gè)自由度輸出； 采用解耦控制后，第i個(gè)自由度的輸出表達(dá)式為 yi(t)=Hi[Vi(t)]+Gi[xi(t)，X2(t)，···，xi-i(t)，xi+i(t)，···，XN(t)] 其中，Vi(t)是第i個(gè)自由度修改后的輸入值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度精密定位平臺的解耦控制方法，其特征在于，步驟2 中每個(gè)自由度數(shù)學(xué)模型Hi( i = 1，2，3，…，N)的實(shí)現(xiàn)方式包括Preisach模型、？以11(11:1-Ishl inski i 模型、Bouc-Wen 模型或 Maxwell 模型。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多自由度精密定位平臺的解耦控制方法，其特征在于，用 卩代183〇11模型實(shí)現(xiàn)的表達(dá)式為：其中，Xl是第i個(gè)自由度的輸入，m是不受耦合效應(yīng)影響時(shí)第i個(gè)自由度的輸出，&是權(quán) 值算子，μ (α，β)是權(quán)值函數(shù)，α、β是Pr e i sach平面的變量。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度精密定位平臺的解耦控制方法，其特征在于，步驟3 中分別測試耦合效應(yīng)對每個(gè)自由度輸出的影響時(shí)，當(dāng)測試第i個(gè)自由度的輸出時(shí)，將第i個(gè) 自由度的輸入置零或保持恒定，依次改變其它N-1個(gè)自由度的輸入，并用數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄 下第i個(gè)自由度的輸出與其它N-1個(gè)自由度的輸入。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度精密定位平臺的解耦控制方法，其特征在于，步驟4 中每個(gè)自由度的耦合數(shù)學(xué)模型Gi(i = 1，2，3，…，N)為Preisach模型的疊加，具體為：8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度精密定位平臺的解耦控制方法，其特征在于，步驟5 中根據(jù)耦合數(shù)學(xué)模型Gi分別計(jì)算出每個(gè)自由度上耦合效應(yīng)引起的輸出變化量A yi，Ay2, Δ y3，…，A yN具體為： Δ yi = Gi(xi ,X2 , ,Xi-l ,Xi+l, ,Xn) 〇9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度精密定位平臺的解耦控制方法，其特征在于，步驟6 中確定每個(gè)自由度修改后的輸入值VI，V2，V3，…，vN，所用公式為：其中ΗΓ1是Hi的逆模型，根據(jù)Hi的模型參數(shù)確定。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多自由度精密定位平臺的解耦控制方法，通過測試平臺的響應(yīng)，分別建立每個(gè)自由度的數(shù)學(xué)模型，與耦合數(shù)學(xué)模型。基于每個(gè)自由度的數(shù)學(xué)模型與耦合數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)解耦控制系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)控制中，當(dāng)輸入發(fā)生變化后，根據(jù)耦合數(shù)學(xué)模型分別計(jì)算出每個(gè)自由度上耦合效應(yīng)引起的位移變化量。再根據(jù)計(jì)算的位移變化量與每個(gè)自由度數(shù)學(xué)模型，依次計(jì)算出每個(gè)自由度修改后的輸入值，并分別作用在平臺每個(gè)自由度上，使得修改輸入值引起的輸出變化與耦合效應(yīng)引起的輸出變化相抵消。本發(fā)明可直接應(yīng)用于已有的多自由度精密定位平臺，無需重新設(shè)計(jì)或制造新的設(shè)備，只需要升級相應(yīng)的控制器算法，就能夠用于多自由度精密定位平臺的解耦，并用于提高定位精度。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號】CN105676644
【申請?zhí)枴緾N201610122596
【發(fā)明人】陳遠(yuǎn)晟, 裘進(jìn)浩, 羅富, 許友偉, 吳軍基
【申請人】南京理工大學(xué), 南京航空航天大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月4日