文摘
由于固有的迟滞特性的智能材料,piezo-driven机械手的定位精度一直下降。尤其是multi-degrees-of-freedom(参数)兼容的机械手由multismart致动器驱动,参数之间的cross-coupled滞后等兼容平台的定位精度明显下降。摘要磁滞特性识别和耦合的磁滞补偿piezo-driven XY操纵者的调查。建立piezo-driven操纵者的磁滞特性,提出了修改Bouc-Wen模型和遗传算法采用粒子群优化(GA-PSO)识别模型的参数。改善的输出表现操纵者,XY显微操纵器的解耦控制器设计和驱动电压使用估计耦合位移进行了修改。实验验证,修改Bouc-Wen模型有效特色呈现滞后过程的能力,和最大预测误差是0.19μm和0.16μ分别在两个方向。耦合的磁滞位移之前和之后实现的解耦控制器X方向从0.56降低μ米至0.15μm,耦合效应减少了73.2%,而在Y方向,耦合效应也下降了72.9%。
1。介绍
精密定位机械手在先进制造领域是一个重要的技术,被广泛应用于航空航天、武器、半导体制造、医学显微镜(1- - - - - -3]。压电致动器(压电陶瓷致动器),smart-material-based致动器,以快速响应的特点,低功耗,高定位分辨率(4),因此,通常采用在机械手定位精度高(5,6]。然而,非线性特征存在于压电致动器(7)引起的迟滞和蠕变减少相应的柔性机械手的定位精度。特别是对于参数的操纵者,多个压电致动器之间的相互干扰导致耦合的滞后效应,这也进一步退化的机械手的定位精度,甚至导致系统偏离平衡态。因此,为了补偿耦合的磁滞效应,解耦控制器(8]piezo-driven兼容平台的设计通常是使用所确定的磁滞模型改进的输出表现平台。
许多模型被用于压电致动器的非线性。来描述压电陶瓷执行器的磁滞特性建立,王et al。9)开发了一个改善Preisach模型,结果表明,派生模型保持偏见与真正的磁滞曲线。为了研究依赖率特性的影响,梁(10)提出了一种改进的Prandtl-Ishlinskii(π)模型更新反冲运营商根据输入率,这有效地提高了模型的精度。另一个常用的模型是Bouc-Wen模型(11- - - - - -13),描述的大部分磁滞特性只有几个模型参数的变化。在[14),一个不对称项集成到经典模型,形成一个修改Bouc-Wen模型具有不对称滞描述能力。王等人。15]开发了非对称Bouc-Wen模型,实验结果表明,该模型可以有效地描述不对称滞回曲线减少跟踪误差相比古典Bouc-Wen模型。GA-PSO基于智能算法的逆补偿控制压电致动器使用修改后的Bouc-Wen模型进行(16]。此外,模型参数识别也是关键问题提高造型能力滞后,这将进一步提高机械手的逆补偿精度。因此,GA-PSO算法全局搜索能力强和高效率于本研究采用识别模型参数。Zhang et al。17)采用GA方法确定该模型的参数的锂离子电池,和仿真数据与实验数据一致。这样的智能算法也被广泛应用于许多其他机械系统(18,19]。否则,实验前的数值模拟算法也显著(20.- - - - - -22]。
磁滞耦合效应指的是几个智能执行器的磁滞特性之间的相互干扰在不同的方向。以解耦XY piezo-driven柔性机械臂为例,理想情况下,这个平台的两个方向正交,理论上没有相互影响的两个方向。然而,由于生产和设计错误,分离的机械结构很难实现完全解耦特性。因此,磁滞耦合效应引起的描述在多个自由度,机械手的主要定位精度大大降低,特别是在nanolevel定位精度。另一个重要原因是提出解耦XY兼容操纵者通常是与特定的机械结构设计实现独立的自由度,如对称平行四杆机构,使机械手不属于完整的解耦机制等系列机制。如今,一些解耦控制器开发了基于非线性耦合模型(23- - - - - -25]。其中,混合控制方法使用补偿滞后两个不同自由度之间的互动,同时跟踪参考轨迹是由王、唐。26]。在[27),舞台上的力-位移关系进行了分析使用运动控制数学模型,并分析模型的位移和交叉耦合误差XY-directions派生。此外,Habineza et al。28)开发了一种基于微分几何的非线性控制器解耦理论控制涡流阻尼器,建议的方法是验证有能力实现水平和垂直方向的运动。在这项研究中,减少耦合的磁滞效应引起的,采用前馈解耦控制器使用逆Bouc-Wen识别模型,这种方法特性,低成本的优点,没有改变最初的结构平台。自耦合piezo-driven操纵者的滞后效应是一个复杂的非线性现象,它是一个具有挑战性的工作与multiactuators设计解耦控制器。因此,模型识别和柔性机械手的解耦控制器的设计与参数需要进一步研究。
论文的其余部分安排如下:一种改进的非对称Bouc-Wen模型中滞后描述能力开发的部分2。然后,在节3PSO算法,提出一种改进遗传算法优化的建立。使用确认Bouc-Wen模型解耦控制方法已经研究减少滞后效应耦合的XY piezo-driven机械手的部分4。然后,进行实验,并讨论的结果部分5。最后,部分6给出了论文的结论。
2。修改后的非对称Bouc-Wen模型
Bouc-Wen模型拥有能力和相对较少的参数建立复杂的磁滞特性。它可以识别基于位移的滞回模型实验获得的数据。图1显示了磁滞模型建立的Bouc-Wen模型,并给出相应的表达式如下(29日]: 具体定义的参数可以在[16]。
传统Bouc-Wen表达式通常描述了一个对称的磁滞回线,如图1(一),在实践中,压电致动器通常展品不对称滞回特性。因此,传统的Bouc-Wen表达需要修改描述不对称滞后的特点。因此,通过引入一个不对称项方程(1)和(2),方程的新表达式(2)所示如下:
结合方程(1)和(3),一个独立的磁滞曲线的描述可以简化如下: 在哪里是磁滞模型, , , ,和可以通过实验确定的数据,然后呢是不对称的滞后项补充道。观察图1,变量的变化 ,滞回曲线的形状改变了不同的非对称曲线。
3所示。智能GA-PSO方法
磁滞模型建立时,所有模型的参数初始值需要进一步确定基于实验数据。摘要GA-PSO方法有遗传算法的优点和采用算法实现参数识别。粒子群优化算法可以解决大量的非线性和不连续的问题,被广泛应用于科学和工程。遗传算法是一种全局优化算法使用有效的遗传优化的原则。结合PSO和GA算法的优点,GA-PSO算法采用本文有更快的收敛速度和全局搜索能力。的过程采用GA-PSO算法如图2。
通常,Bouc-Wen模型的精确解是未知的,以及是否确定参数是全局最优解或不需要估计。因此,唯一的标准来判断是否确认结果是合适的模型之间的重合程度结果和测试数据。给出了适应度函数如下: 具体定义的参数方程(5)可以在我们先前的研究16]。
4所示。XY压电定位平台的解耦控制
之前设计解耦控制器,用于减少滞后效应的线性化方法独立方向首先不考虑耦合效应是必需的。据王等人,Habineza et al。11,28),采用前馈补偿控制方法,磁滞补偿控制器为一个独立的方向发展。结合公式(4),其逆模型表达式 在哪里是参考位移输入,所需的驱动电压,逆模型吗X方向。补偿原则是如图3。
为了实现磁滞补偿控制X- - -Y方向,结合前馈补偿控制原理、前馈补偿控制器如图4在仿真软件设计。控制器分为四个领域:信号输入,迟滞逆模型参数,滞后和前馈控制。
(一)
(b)
(c)
(d)
理想状态的定位平台,如图5,X方向和Y应该正交方向解耦的XY机械手和没有耦合效应。然而,受到压电致动器的磁滞、平行结构、装配错误的执行机构,滞后之间的耦合影响X- - -Y方向被发现存在。
当一个正弦信号的振幅5 V和2赫兹的频率应用的Y方向和信号为0 V中应用X方向分别输出的位移X方向应该是零,如果所有的条件都理想。然而,耦合位移的X测量方向引起的耦合影响,如图6(一)。图6 (b)显示测量的磁滞曲线Y方向。它可以观察到在图6(一)的输出位移X方向也是一个滞后曲线,进一步验证之间的耦合的磁滞特性X- - -Y方向。类似的结果可以通过交换获得激动的电压。图6 (c)介绍了输出位移的Y方向,当一个正弦信号的振幅5 V和应用于2赫兹的频率X方向和应用于输入电压0 VY分别方向。滞后的耦合输出特性也被观察到。图6 (d)介绍了测量磁滞曲线X方向。这些结果进一步验证这一事实,piezo-driven机械手参数,输出在一个方向上位移不仅影响驱动执行器的磁滞还遭受了其他执行机构的耦合的滞后效应。
(一)
(b)
(c)
(d)
基于非对称Bouc-Wen模型提出了一种可以展示平台的耦合过程,设计解耦控制器进一步减少独立的磁滞和耦合XY平台的滞后效应。解耦控制的基本原理是计算的位移X方向的激励引起的Y方向,然后,滞后效应的耦合引起的位移补偿通过应用一个相反的驱动电压X方向。输入电压和输出位移之间的关系被定义如下: 在哪里和代表的驱动电压X- - -Y方向,和代表输出位移的平台X- - -Y方向,分别是这个平台的迟滞数学模型。
机械手的控制方法在两个方向都是相同的。当只考虑输出位移X方向,耦合模型X方向应该满足以下关系: 在哪里是一个磁滞模型之间的输入电压和输出位移在X方向和代表模型之间的输入电压产生影响Y方向和位移X方向造成的解耦效果。
基于解耦控制原理和公式(8),解耦控制模型 在哪里逆模型的滞后吗X方向,是驱动电压补偿的耦合效应X方向,是一个耦合位移X方向造成的电压应用于Y方向。
我们结合公式(9)和前馈补偿公式(6),取代了驱动电压在X方向和耦合补偿控制电压在公式(9与参考位移)和 :
根据前馈控制原理,可以通过结合公式(6):
根据公式(9),所需的耦合位移补偿参考是
的解耦控制器Y与派生的方向是相同的X方向,模型的解耦控制Y方向可以得到:
解耦控制器的工作原理的二维压电定位平台可以通过公式(11)和(14),如图6。尽管补偿电压的计算从独立驱动方向的滞后效应的解耦控制器X方向也计算了补偿位移电压造成的Y方向通过耦合模型。可以计算补偿位移的逆压电致动器的磁滞模型X方向。然后,补偿电压的计算耦合位移结合原控制电压形成最终的驱动电压X方向。
根据上述解耦控制原理,结合前馈控制的设计方法,图的解耦控制器7成立于仿真软件,如图8。的解耦控制器Y方向是一样的设计X方向。
(一)
(b)
(c)
5。实验验证
5.1。实验装置
为了验证解耦控制器的性能,测试系统设计基于XY200S压电定位表(哈尔滨核心明天有限公司)。中风的平台X方向是144.37μ米,和中风Y方向是149.27μm。整个平台是固定在一个隔离的平台来减少环境振动。的输出XY piezo-driven平台是使用激光干涉仪测试。实验设置如图9。
5.2。没有磁滞联轴器逆补偿控制
首先,独立的前馈逆补偿控制实验平台的输出在一个方向上不考虑磁滞耦合的影响。的输入电压Y方向设置为0 V,一个正弦信号的频率2赫兹和10 V级的应用X方向,然后输出的位移测量X方向。GA-PSO是用来确定的磁滞模型X方向基于实验数据,和逆解耦前馈补偿控制器使用基于公式(6)来验证补偿能力。实验方法Y派生的方向是一样的X方向;的输入电压X方向设置为0 V,一个正弦信号的频率2赫兹和10 V级的应用Y方向,然后输出位移的收集Y方向。的磁滞模型的参数识别结果X- - -Y方向如表所示1。
数据10 ()和10 (b)显示确定非对称Bouc-Wen模型之间的比较和实验采集的位移X方向。图10 (c)表明之间的位移误差跟踪识别模型和实际获得的数据,跟踪误差范围是−0.19μ米至0.11μ米的X方向,验证了模型的预测精度。
(一)
(b)
(c)
数据(11日)和11 (b)显示不对称Bouc-Wen滞回模型的比较Y方向与实验采集位移后,确定了模型参数。图11 (c)介绍了位移误差模型和实际获得的数据之间的追踪,和跟踪误差范围Y方向是计算−0.09μ米至0.16μm。
(一)
(b)
(c)
根据结果数据10和11,识别模型可以有效地描述中的磁滞非线性X- - -Y方向。然后,在表的参数识别结果1分别被替换的前馈补偿控制器如图4前馈补偿控制实验。在前馈补偿控制,补偿结果,如图12和13、获得和滞后现象在两个方向上的压电定位平台明显改善。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
前馈控制的最大线性误差被定义为基于Bouc-Wen滞模型 在哪里在一个方向上的位移输出前馈补偿控制和d是理想的朝一个方向位移。
被定义为非线性计算公式 在哪里最大输出位移输出在一个方向的前馈补偿控制。
当引用的振幅位移输入的X方向是1.25μm和正弦信号2赫兹,最大线性误差X方向是计算为0.10μm,非线性是8%;参考位移时2μm和频率是2赫兹,最大线性误差Y方向是0.11μm和非线性为5.5%。
5.3。磁滞解耦控制
的解耦控制X方向为例,建立了耦合模型使用提出修改Bouc-Wen GA-PSO模型与参数识别的方法。耦合模型是估计的抵消了Y方向。耦合电压的应用X方向来实现解耦控制的目的X方向。
解耦控制的关键是建立一个耦合模型。根据耦合位移数据图5,采用GA-PSO算法识别的耦合模型X- - -Y通过修改Bouc-Wen模型方向。表2显示了参数的耦合模型X- - -Y方向,即和在公式(8)和(11)。结合前馈补偿控制器,设计解耦控制器X方向设计仿真软件,如图(13日)和的解耦控制器设计方法Y方向是一样的设计过程X方向。
脱钩实验进行验证有效性。在Y方向,一个正弦信号的振幅2μm和一套2赫兹的频率作为输入信号。当输入的X方向是0 V,振幅耦合位移的X方向是0.56μ米前的解耦控制,位移误差减少到0.15μ米后的解耦控制,如图14。的耦合效应X方向是减少了73.2%。图15显示了一个正弦信号的振幅2μm和2赫兹的频率X方向。当输入的Y方向是0 ,位移前后的解耦控制Y方向测量。的振幅耦合位移Y方向是0.48μm在解耦控制,位移误差下降到0.13μ在解耦控制。的耦合效应Y方向是下降了72.9%。由于实验装置的限制,解耦的一个特例进行了实验验证该方法的有效性。
6。结论
本文改进Bouc-Wen模型中描述的能力XY显微操纵器的磁滞特性进行了研究。逆磁滞模型是为了开发设计解耦控制器的XY显微操纵器,和基于GA-PSO算法确定了模型参数。实验表明,该Bouc-Wen可以有效地跟踪滞后特性。这个平台的磁滞耦合效应降低了有效的应用程序设计解耦控制器。耦合位移振幅X方向从0.56下降μ米至0.15μ米,耦合效应实验期间降低了73.2%。耦合位移振幅Y方向从0.48下降μ米至0.13μ米,耦合效应降低了72.9%。结果验证,提出了识别和解耦控制方法拥有能够抵消piezo-driven操纵者的滞后效应的耦合参数,和定位精度的参数piezo-driven机械手可以提高不改变机械手的初始结构。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金支持下批准号。61973207,51875363,和51605271,上海新星项目批准号下下20 qa1403900,上海市自然科学基金批准号19 zr1474000,机械结构力学与控制国家重点实验室(南京航空航天大学,批准号反水雷舰- e - 0320 - g01)。