压电陶瓷执行器迟滞非线性模型研究

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随着微电子机械系统技术的迅猛发展,微纳米驱动材料的研究及应用受到了越来越多的关注与重视。压电陶瓷是一种能将机械能和电能互相转换的新型功能型陶瓷材料,它具有体积小、反应快、精度高和驱动力大等优点,目前已经被广泛应用于高科技领域。然而压电陶瓷材料也存在一些亟需解决的问题,例如存在迟滞非线性,目前国内外很多学者都在研究如何降低迟滞对压电陶瓷执行器的不良影响并提高其输出位移精度。本文首先简单介绍了压电陶瓷材料的应用现状和基本原理,然后简述了压电陶瓷迟滞现象产生的宏观和微观原因,接着介绍了压电陶瓷迟滞问题的国内外研究现状,总结了常见的几种建立迟滞模型的方法。为实现对压电陶瓷执行器的精确控制,本文首先采用改进的PI模型建立其迟滞模型,采用了极大似然法和Elman神经网络对所建立的迟滞模型的参数进行辨识,仿真实验结果表明改进的PI模型能较为精确地描述压电陶瓷执行器的迟滞特性,仿真结果的最大误差为0.48μm。然后采用了BP神经网络方法建立迟滞模型,仿真结果的最大误差为0.35μm。采用BP神经网络建立了迟滞逆模型,并利用所建立的迟滞逆模型作为前馈控制器对压电陶瓷执行器进行前馈开环控制仿真实验,实验取得了较好的控制效果。为进一步提高压电陶瓷执行器输出位移精度,本文采用了逆模型前馈PID反馈控制、改进的单神经元自适应PID控制和专家模糊智能控制三种复合控制方法对迟滞非线性模型进行Matlab仿真实验,实验结果表明这三种方法都能有效提高压电陶瓷执行器的位移精度,显著地使原来的非线性输入输出关系变成线性关系,其中改进的单神经元自适应控制方法的控制效果最好,最大误差为0.37μm。
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