外文翻译--对压电执行器的有效跟踪控制 中文

1、 毕业设计(论文)外文资料翻译系部： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 学 号： (用外文写)外文出处： clemson university 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语： 该同学，结合毕业设计课题查找相关资料，完成翻译。译文语句通顺，专业词汇准确，编排符合规范和毕业设计相关要求。翻译质量优。 签名： 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文对压电执行器的有效跟踪控制m. salah, m. mcintyre, d. dawson, j.wagner克莱姆森，克莱姆森大学电气与机械工程学院编号：29634e-mail:

2、摘要：本文阐述的是，为了使压电驱动器更好的工作，而对一种以迟滞模型为基础的非线性鲁棒控制方法进行了改进。该改进利用李雅普诺夫为基础的稳定性分析，以确保理想的位移轨迹是准确地跟踪。模拟结果被提出并加以讨论以证明有效控制策略的可行性。1 引言以压电陶瓷（pzta）为基础的系统正在越来越明确的成为一种非常重要的精确定位的技术，无论是在科学和工业上，都得到了广泛的关注。这些器件能完成高精度驱动任务。由于其高刚度，响应速度快，分辨率极大等特点，他们往往利用在机构的驱动系统中19，并可以用来作为传感器或执行器等系统。pzta的优点14包括： 1）无磨损，2）高效率

3、，3）几乎是无限小的定位能力，4）超快速扩张，还有5）有能力提供大驱动力量。这些微定位元素在许多重要的应用发挥了巨大作用，如扫描隧道显微镜31，扫描探针显微镜9, 23，激光应用29，及液压伺服控制系统5等等。尽管pzta在微型定位系统中有不可取代的优点，但是，由于它们由铁电体和陶瓷材料组成，驱动器的定位反应会表现出一种强大的歇斯底里的活动。具体地说，一个应用电压是典型的启动pzta的输入控制信号，但是万一该输入控制电压是比较大的情况下，pzta会出现大量的失真，这是由于装置中固有的滞后现象。这种效应可能会在反馈控制等方面降低系统的稳定性26。由于这一非线性行为，我们可以想象在使用pzta进行

4、精确跟踪控制时的困难。因此，在非线性控制策略中，都需要使用pzta的微型定位与跟踪系统。过去pzta研究集中于建立精确的动态驱动模型3，18，30，而其他的研究都集中在发展主动控制策略，用于精密定位和跟踪应用系统13，14，19，25，27。在第12篇参考文献中，作者们对于建立pzta的动力学模型问题提供了一个简明的文献综述。由于pzta低能的非线性性质，最近的著作侧重于开发新模型来替代它，以避免其内部的迟滞现象。在第30篇文献中，作者将非线性弹簧单元引入迟滞模型，并利用了麦克斯韦滑动构造，而16的作者将其用于支持向量回归的非线性模型和神经网络。17和22的作者发现，如果控制输入是电荷，而不是

5、外加电压，用电压来实现对pzta的线性补偿是可以实现的。 furutani等人的10通过将电荷反馈与逆传递函数补偿相结合，能改进pzta的控制策略。 vautier和moheimani的26表明，采用一种电荷控制，pzta的非线性效果的影响能被有效地降低，另外他们还提供了实验数据，证明使用电荷控制的效率。此外，main等的21同时呈献了电压和电荷控制的实验数据，这些数据表明，在相同条件下，电荷控制相比电压控制有更好的线性和更低的迟滞性。在第20篇文献中，作者提出了一种新的数学模型来描述复杂的滞后性，它基于一个新的参数，即pzta的转折电压。在论文中，作者们能够利用这个参数，以遏制固有的滞后性，

6、以符合pzta的1%充分跨度范围。shieh等人的24制定了一个建立在鲁格里模型的功能基础上的参数化滞迟摩擦函数，以描述pzta的迟滞特性。因此，这些研究人员能够设计出一种拥有参数自适应算法的合适的位移跟踪控制。在3中，bashash和jalili提出了扰动估计技术，以补偿结构非线性和未建模pzta的动力学。在著作中， 3 的作者们通过对由含有电容式位置传感器的pzta的纳米级的驱动实验，验证了上述提出的模型。其他的研究在文献中，重点发展为精确控制pzta的智能控制计划。一些这样的设计都是基于逆迟滞模型，其被假设为预先验证的，所以前馈技术可以被利用在控制的设计中2,18。其他的，如4,6,13

7、,14等，应用了反馈线性化，以补偿迟滞动态，然后实施跟踪控制器。wu和 zou 在28中介绍了基于反转的迭代控制方法，以弥补在高速、大范围的追踪中滞后和振动的动态变化。神经网络和模糊控制也被使用于对pzta迟滞非线性的建模和控制pzta的微观运动14，27。在19中，作者提出了一个精确定位跟踪的有效控制策略。要实施这些管制法，只需要一个估计系统参数的知识和相应的约束，以及包括扰乱的滞后效应的上下限。在25中， stepanenko等人推出并实施了一个近似的函数，并由模糊逻辑技术补偿迟滞非线性。在这篇文献中，pzta的位移被紧密的跟踪控制以获得期望的轨迹。一种非线性有效控制策略在pzta的电荷反

8、馈和迟滞模型的部分知识基础上被改进。电荷控制消除pzta滞后性影响的办法，并提供在上的更好的有效控制1 。通过对嵌入在pzta电路中的电容的电压测量，该电荷测量方法得到了确认。以李雅普诺夫为基础的分析，证明了精确跟踪能被利用于改进该控制策略。模拟结果呈献出来，都表明了主动控制办法是切实可行的。本文的组织结构如下：在第2条中，基于科尔曼-赫吉敦的迟滞模型随压电执行机构以及所需的对系统的假设一起被呈献。在第3条中，非线性有效控制计划方案被改进，而与稳定性分析验证压电理想位移能够被有效的跟踪。在第4条中，模拟结果被给出以证明有效控制策略。最后，第5节是结束语。2 pzta系统模型2.1 pzta的伸

9、长动力学图1输入电压导致pzta伸长示意图如图1所示，拥有单一伸长轴的pzta，可以动态地描述为： （1）式中，m r 表示pzta的质量，l r表示没被激活前pzta的长度，fp (t) r表示由于pzta伸长产生的力， 表示作用在pzta上的垂直力，表示位移、速度和加速度，分别是pzta伸长的有效参数。pzta的等效电路模型如图2所示：图2pzta的等效电路模型在这幅示意图中，v(t) r 表示输入的控制电压，表示通过pzta的电流，因为。另外，是一个串联电容器，它方便了通过测量穿过的电压而实现对的测量，因为。在图二中，h显示电路元件在电压和感应电荷q(t)之间的固有的滞后倾向，一个随后的

10、部分将更进一步确定滞后模型。参数是pzta的内部电容，是通过的电流，而是穿过电容的电压。最后，tem指示的电路元件代表后来确定的伸长模型，而是与伸长有关的常数19。另外，表示流过支路的电流。2.2 迟滞模型我们定义一个非线性的迟滞模型，用它来描述输入电压与驱动电荷之间的关系。对于这篇文章来说，一个基于杜赫姆的滞后模型可以被定义作为 8： (2)式中，是一个后来确定的信号。 变量被定义作为：式中，是在时刻的驱动电荷，是在时刻的输入电压，是一个常数，而是与输入电压有关的偏导数，参数，以及有以下性质7：性质1：函数是分段光滑，单调递增，而且是奇函数。性质2：函数分段连续，而且是偶函数。性质3：函数是

11、已知的，而、而且是可逆的，例如，。性质4：的与有关的偏导数不为零，因此，其中，是常量。性质5：函数有一个有限的上限，式中，性质6：函数的范围由下式限制： （5）式中，是一个常量（证明请参阅附录一）。2.3 伸长模型我们用两个线性关系来模仿pzta的伸长运动。其中一个模仿了驱动伸长轴位移的电荷的作用，并由下式给出： (6)另一个关系将由伸长运动产生的力描述成一个有电压表示的函数19，并由下式给出： (7)在式（6）和（7）中，是pzta固有的伸长常量。2.4 动态模型与假设为方便以后的控制目的，一个动力学的，与伸长轴位移y(t)相关的表达方式应该被给出，并且应该由作用在pzta的驱动电荷q(t)来表示函数。有了这样一个动力学模型的工作的有点是很明显的，因为它少了迟滞的限制，关于这点我们已经在以前讨论过了10，21，26。由图二中我们可以看出，驱动电荷可以明显地被表达为： (8)从上式可以看出，式（1）的表达可以