王博文,崔玉國(guó),謝啟芳,陳 攀
(寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211)
壓電微動(dòng)平臺(tái)是一種結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)行程為亞毫米級(jí)、位移分辨率達(dá)到納米級(jí)的微定位機(jī)構(gòu),其被廣泛用于微機(jī)電系統(tǒng)、航空航天、超精密加工和光學(xué)精密工程等高精密定位領(lǐng)域[1-2]。根據(jù)逆壓電效應(yīng),壓電微動(dòng)平臺(tái)中的壓電執(zhí)行器會(huì)在外加電壓的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生微位移形變,通過(guò)柔性鉸鏈傳遞微位移,從而實(shí)現(xiàn)微動(dòng)平臺(tái)的納米級(jí)定位和運(yùn)動(dòng)[3]。但壓電執(zhí)行器自身存在遲滯、蠕變及振蕩等非線性特性,其中遲滯特性會(huì)對(duì)壓電微動(dòng)平臺(tái)的定位精度帶來(lái)較大影響,造成壓電微動(dòng)平臺(tái)的輸入電壓與輸出位移之間呈非線性關(guān)系[4]。
為了提高壓電微動(dòng)平臺(tái)的定位精度,需要采用相應(yīng)的控制方法來(lái)消除其遲滯誤差。目前常用的控制方法有前饋控制[5]、反饋控制[6]和復(fù)合控制[7]。前饋控制是一種基于遲滯逆模型的開(kāi)環(huán)控制,無(wú)需傳感器,成本低,易實(shí)現(xiàn),但控制精度依賴(lài)于所建立的遲滯模型的精度。反饋控制是一種閉環(huán)控制,控制精度相對(duì)較高,但因其信號(hào)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)反饋,系統(tǒng)成本高,且在某些精密定位領(lǐng)域中受空間限制,有時(shí)無(wú)法安裝傳感器。復(fù)合控制是前饋控制和反饋控制的結(jié)合,控制精度高,響應(yīng)速度快,但同樣受空間限制,有時(shí)無(wú)法安裝傳感器,且系統(tǒng)成本也較高。
為降低壓電微動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的成本,并在空間受限時(shí)保證系統(tǒng)仍具有較高的定位精度,常采用前饋控制方法來(lái)提高壓電微動(dòng)平臺(tái)的定位精度。前饋控制的關(guān)鍵在于建立能精確描述壓電微動(dòng)平臺(tái)輸出位移和輸入電壓關(guān)系的遲滯模型,對(duì)提高前饋控制的精度具有重要意義。目前常用的遲滯模型主要有 Bouc-Wen模型、Preisach模型、PI模型和KP模型等,其中PI 模型因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、求逆運(yùn)算方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于遲滯建模上[8]。研究發(fā)現(xiàn),在驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的變化下,壓電執(zhí)行器的遲滯特性將發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,即率相關(guān)性。為了提高PI遲滯模型的精度,Aljanaideh等[9]通過(guò)構(gòu)造率相關(guān)的Play算子和動(dòng)態(tài)密度函數(shù),建立了廣義速率相關(guān)的PI模型,有效地抑制了遲滯誤差。Zhou等[10]將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化率引入經(jīng)典Prandtl-Ishilinskii(PI)模型的靜態(tài)權(quán)值中,構(gòu)成率相關(guān)的遲滯模型,取得了不錯(cuò)的補(bǔ)償效果。目前率相關(guān)PI遲滯模型多為整體式建模,通過(guò)引入同速率相關(guān)的函數(shù)來(lái)建模,這種建模方法不僅增加了所建遲滯模型的復(fù)雜度,模型求逆難,且需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn),建模所需時(shí)間較長(zhǎng)。
本文采用分離式率相關(guān)遲滯建模方法,通過(guò)將壓電微動(dòng)平臺(tái)的遲滯特性拆分為靜態(tài)遲滯特性與線性動(dòng)力學(xué)特性,建立了分離式率相關(guān)Modified Prandtl-Ishilinskii(MPI)遲滯模型,進(jìn)而設(shè)計(jì)出前饋控制器對(duì)平臺(tái)進(jìn)行控制,以消除平臺(tái)的動(dòng)態(tài)遲滯誤差。
本文的研究對(duì)象為x-y-θz三自由度并聯(lián)壓電微動(dòng)平臺(tái),如圖1所示。平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)包括臺(tái)體、外框體和內(nèi)框體,臺(tái)體中的導(dǎo)向與解耦機(jī)構(gòu)呈空間交叉分布。該平臺(tái)具有良好的導(dǎo)向及解耦功能、動(dòng)平臺(tái)大和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。
圖1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型
從動(dòng)力學(xué)角度出發(fā),壓電微動(dòng)平臺(tái)可假設(shè)為質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)。考慮到系統(tǒng)中的接觸剛度以及機(jī)構(gòu)的解耦性能,所設(shè)計(jì)的柔性機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。
圖2 平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型
圖2中mp、kp、cp分別為壓電執(zhí)行器的等效質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼,F(xiàn)pi(i=1,2,3)為壓電執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)力,δp1、δp2和δp3分別為壓電執(zhí)行器在x、y和θz向上的輸出位移,kc、cc分別為壓電執(zhí)行器與微動(dòng)平臺(tái)的接觸剛度和等效阻尼,ms、Js分別為微動(dòng)平臺(tái)的等效質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ceqx、ceqy和ceqθz分別為微動(dòng)平臺(tái)柔性機(jī)構(gòu)在x、y和θz向上的等效阻尼,δx、δy和δθz分別為微動(dòng)平臺(tái)在x、y和θz向上的輸出位移。
根據(jù)圖2中的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型及牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律,微動(dòng)平臺(tái)x向、y向和θz向的動(dòng)力學(xué)方程如下:
(1)
(2)
由于壓電微動(dòng)平臺(tái)在不同頻率驅(qū)動(dòng)下表現(xiàn)出的率相關(guān)遲滯特性(即動(dòng)態(tài)遲滯特性)可分解為靜態(tài)遲滯特性與線性動(dòng)力學(xué)特性,因此,平臺(tái)的率相關(guān)遲滯模型(即動(dòng)態(tài)遲滯模型)可通過(guò)平臺(tái)靜態(tài)遲滯特性的模型(即靜態(tài)遲滯模型)與平臺(tái)動(dòng)力學(xué)特性的模型(即線性動(dòng)力學(xué)模型)的串聯(lián)進(jìn)行描述。
由于PI模型具有算法簡(jiǎn)單,運(yùn)算量小,便于求逆等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛用來(lái)描述具有遲滯特性的系統(tǒng)。PI遲滯模型主要用來(lái)描述具有奇對(duì)稱(chēng)遲滯特性的系統(tǒng),而壓電執(zhí)行器的遲滯特性表現(xiàn)為非奇對(duì)稱(chēng)性。因此,本文在構(gòu)成常規(guī)PI遲滯模型的Play算子(見(jiàn)圖3)中引入具有非奇對(duì)稱(chēng)性的Stop算子(見(jiàn)圖4),對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),進(jìn)而得到PI遲滯模型與Stop算子串聯(lián)疊加的改進(jìn)PI遲滯模型(即MPI)。
圖3 Play算子
圖4 Stop算子
壓電微動(dòng)平臺(tái)的線性動(dòng)力學(xué)特性可采用欠阻尼二階系統(tǒng)來(lái)描述。本文在辨識(shí)平臺(tái)的線性動(dòng)力學(xué)模型時(shí),采用數(shù)值計(jì)算軟件Matlab中的辨識(shí)模塊,并基于自回歸滑動(dòng)平均模型(ARX)來(lái)辨識(shí)。
本文所提出的平臺(tái)率相關(guān)遲滯建模策略如圖5所示。圖中,u(t)是壓電微動(dòng)平臺(tái)的輸入電壓,δ(t)是u(t)經(jīng)過(guò)MPI模型后的中間變量,y(t)是在輸入電壓u(t)下平臺(tái)的實(shí)際輸出位移,N(·)和G(z)分別是MPI模型和ARX模型的數(shù)學(xué)表達(dá)。該模型簡(jiǎn)單,無(wú)需大量實(shí)驗(yàn),建模周期短,克服了現(xiàn)有的整體式率相關(guān)遲滯建模方法的模型復(fù)雜、不易求解、建模周期長(zhǎng)等不足。
圖5 平臺(tái)的率相關(guān)遲滯建模策略
本文的MPI靜態(tài)遲滯模型、ARMAX線性動(dòng)力學(xué)模型、率相關(guān)MPI遲滯模型的表達(dá)式:
(3)
本文壓電微動(dòng)平臺(tái)的前饋控制器設(shè)計(jì)思路:根據(jù)前面所建立的率相關(guān)MPI遲滯模型求取其逆模型,并將遲滯逆模型作為前饋控制器串聯(lián)到壓電微動(dòng)平臺(tái)前,用于補(bǔ)償壓電微動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)遲滯誤差。前饋控制方案框圖如圖6所示。將期望輸出位移yd(t)輸入到前饋補(bǔ)償控制器,得到前饋補(bǔ)償控制電壓u(t),然后將u(t)輸入壓電微動(dòng)平臺(tái)中得到前饋控制后的實(shí)際輸出位移y(t)。
圖6 前饋控制方案框圖
本文提出的率相關(guān)MPI模型是一種分離式結(jié)構(gòu)的遲滯模型,因此,其逆模型也具有分離式結(jié)構(gòu),由動(dòng)態(tài)線性逆模型與靜態(tài)遲滯逆模型串聯(lián)構(gòu)成,如圖7所示。其中ARX逆模型、MPI逆模型的表達(dá)式為
圖7 率相關(guān)MPI遲滯逆模型結(jié)構(gòu)框圖
(4)
(5)
聯(lián)立式(4)、(5),得到前饋控制器的控制律為
(6)
圖8為壓電微動(dòng)平臺(tái)位移測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動(dòng)電源、壓電執(zhí)行器、微動(dòng)平臺(tái)和電容式位移傳感器構(gòu)成。
圖8 平臺(tái)位移測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
3.2.1 階躍響應(yīng)
圖9為平臺(tái)3個(gè)方向在無(wú)前饋控制和有前饋控制下的階躍響應(yīng)結(jié)果。由圖可知,在無(wú)前饋控制器作用下,x、y和θz向的響應(yīng)時(shí)間分別為6.36 ms、7.64 ms和9.20 ms,穩(wěn)態(tài)誤差分別為0.45 μm、0.79 μm和6.33 μrad;有前饋控制器作用下,x向、y向和θz向的響應(yīng)時(shí)間分別為6.64 ms、7.92 ms和8.56 ms,穩(wěn)態(tài)誤差分別為0.19 μm、0.41 μm和1.21 μrad。由此可見(jiàn),所設(shè)計(jì)的前饋控制器有效地提高了平臺(tái)的定位精度。
圖9 階躍響應(yīng)
3.2.2 正弦軌跡跟蹤
圖10為平臺(tái)3個(gè)方向在前饋控制器作用下跟蹤1 Hz和20 Hz的正弦軌跡跟蹤結(jié)果。在跟蹤1 Hz參考位移時(shí),x、y和θz向的最大誤差分別為0.26 μm、0.26 μm和2.11 μrad;跟蹤20 Hz參考位移時(shí),x向、y向和θz向的最大誤差分別為0.32 μm、0.37 μm和2.60 μrad。由此可見(jiàn),前饋控制下平臺(tái)的動(dòng)態(tài)遲滯誤差得到有效補(bǔ)償,并隨著跟蹤信號(hào)頻率的增加,平臺(tái)3個(gè)方向上的最大控制誤差均無(wú)顯著增大,表明所設(shè)計(jì)的前饋控制器具有良好的率相關(guān)特性。
圖10 正弦跟蹤結(jié)果
本文采用分離式率相關(guān)遲滯建模策略,在傳統(tǒng)PI遲滯模型的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),得到率相關(guān)MPI遲滯模型?;诼氏嚓P(guān)MPI遲滯逆模型,采用直接逆補(bǔ)償控制方案,設(shè)計(jì)了平臺(tái)的前饋控制器??刂茖?shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的前饋控制器能在一定程度上消除平臺(tái)的動(dòng)態(tài)遲滯特性,提高平臺(tái)的定位精度。