3658 小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

3658 小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì),功率,直流,伺服系統(tǒng),控制電路,設(shè)計(jì) 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯系　　部： 機(jī)械工程系 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 姓 名： 武曉華 學(xué) 號(hào)： 05010237 外文出處： Clemson University 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：該同學(xué)，結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)課題查找相關(guān)資料，完成翻譯。譯文語(yǔ)句通順，專(zhuān)業(yè)詞匯準(zhǔn)確，編排符合規(guī)范和畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)要求。翻譯質(zhì)量?jī)?yōu)。簽名： 年 月 日(用外文寫(xiě))注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。附件 1：外文資料翻譯譯文對(duì)壓電執(zhí)行器的有效跟蹤控制M. Salah, M. McIntyre, D. Dawson, J.Wagner克萊姆森，克萊姆森大學(xué)電氣與機(jī)械工程學(xué)院編號(hào)：29634E-mail: msalah@ces.clemson.edu摘要：本文闡述的是，為了使壓電驅(qū)動(dòng)器更好的工作，而對(duì)一種以遲滯模型為基礎(chǔ)的非線(xiàn)性魯棒控制方法進(jìn)行了改進(jìn)。該改進(jìn)利用李雅普諾夫?yàn)榛A(chǔ)的穩(wěn)定性分析，以確保理想的位移軌跡是準(zhǔn)確地跟蹤。模擬結(jié)果被提出并加以討論以證明有效控制策略的可行性。1 引言以壓電陶瓷（PZTA）為基礎(chǔ)的系統(tǒng)正在越來(lái)越明確的成為一種非常重要的精確定位的技術(shù)，無(wú)論是在科學(xué)和工業(yè)上，都得到了廣泛的關(guān)注。這些器件能完成高精度驅(qū)動(dòng)任務(wù)。由于其高剛度，響應(yīng)速度快，分辨率極大等特點(diǎn)，他們往往利用在機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中 [19]，并可以用來(lái)作為傳感器或執(zhí)行器等系統(tǒng)。PZTA 的優(yōu)點(diǎn)[14]包括： 1）無(wú)磨損，2）高效率，3）幾乎是無(wú)限小的定位能力，4）超快速擴(kuò)張，還有 5）有能力提供大驅(qū)動(dòng)力量。這些微定位元素在許多重要的應(yīng)用發(fā)揮了巨大作用，如掃描隧道顯微鏡 [31]，掃描探針顯微鏡 [9], [23]，激光應(yīng)用 [29]，及液壓伺服控制系統(tǒng) [5]等等。盡管 PZTA 在微型定位系統(tǒng)中有不可取代的優(yōu)點(diǎn)，但是，由于它們由鐵電體和陶瓷材料組成，驅(qū)動(dòng)器的定位反應(yīng)會(huì)表現(xiàn)出一種強(qiáng)大的歇斯底里的活動(dòng)。具體地說(shuō)，一個(gè)應(yīng)用電壓是典型的啟動(dòng) PZTA 的輸入控制信號(hào)，但是萬(wàn)一該輸入控制電壓是比較大的情況下，PZTA 會(huì)出現(xiàn)大量的失真，這是由于裝置中固有的滯后現(xiàn)象。這種效應(yīng)可能會(huì)在反饋控制等方面降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [26]。由于這一非線(xiàn)性行為，我們可以想象在使用 PZTA 進(jìn)行精確跟蹤控制時(shí)的困難。因此，在非線(xiàn)性控制策略中，都需要使用 PZTA 的微型定位與跟蹤系統(tǒng)。過(guò)去 PZTA 研究集中于建立精確的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)模型 [3]，[18]，[30] ，而其他的研究都集中在發(fā)展主動(dòng)控制策略，用于精密定位和跟蹤應(yīng)用系統(tǒng) [13]，[14]，[19]，[25]，[27] 。在第[12]篇參考文獻(xiàn)中，作者們對(duì)于建立 PZTA 的動(dòng)力學(xué)模型問(wèn)題提供了一個(gè)簡(jiǎn)明的文獻(xiàn)綜述。由于 PZTA 低能的非線(xiàn)性性質(zhì)，最近的著作側(cè)重于開(kāi)發(fā)新模型來(lái)替代它，以避免其內(nèi)部的遲滯現(xiàn)象。在第 [30]篇文獻(xiàn)中，作者將非線(xiàn)性彈簧單元引入遲滯模型，并利用了麥克斯韋滑動(dòng)構(gòu)造，而 [16]的作者將其用于支持向量回歸的非線(xiàn)性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 [17]和 [22]的作者發(fā)現(xiàn)，如果控制輸入是電荷，而不是外加電壓，用電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) PZTA 的線(xiàn)性補(bǔ)償是可以實(shí)現(xiàn)的。 Furutani 等人的 [10]通過(guò)將電荷反饋與逆?zhèn)鬟f函數(shù)補(bǔ)償相結(jié)合，能改進(jìn) PZTA 的控制策略。 Vautier 和 Moheimani的 [26]表明，采用一種電荷控制，PZTA 的非線(xiàn)性效果的影響能被有效地降低，另外他們還提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明使用電荷控制的效率。此外，Main 等的 [21]同時(shí)呈獻(xiàn)了電壓和電荷控制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明，在相同條件下，電荷控制相比電壓控制有更好的線(xiàn)性和更低的遲滯性。在第 [20]篇文獻(xiàn)中，作者提出了一種新的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述復(fù)雜的滯后性，它基于一個(gè)新的參數(shù)，即 PZTA 的轉(zhuǎn)折電壓。在論文中，作者們能夠利用這個(gè)參數(shù)，以遏制固有的滯后性，以符合 PZTA 的±1%充分跨度范圍。Shieh 等人的 [24]制定了一個(gè)建立在魯格里模型的功能基礎(chǔ)上的參數(shù)化滯遲摩擦函數(shù)，以描述 PZTA 的遲滯特性。因此，這些研究人員能夠設(shè)計(jì)出一種擁有參數(shù)自適應(yīng)算法的合適的位移跟蹤控制。在 [3]中，Bashash 和 Jalili 提出了擾動(dòng)估計(jì)技術(shù)，以補(bǔ)償結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性和未建模 PZTA 的動(dòng)力學(xué)。在著作中， [3] 的作者們通過(guò)對(duì)由含有電容式位置傳感器的PZTA 的納米級(jí)的驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了上述提出的模型。其他的研究在文獻(xiàn)中，重點(diǎn)發(fā)展為精確控制 PZTA 的智能控制計(jì)劃。一些這樣的設(shè)計(jì)都是基于逆遲滯模型，其被假設(shè)為預(yù)先驗(yàn)證的，所以前饋技術(shù)可以被利用在控制的設(shè)計(jì)中 [2],[18]。其他的，如 [4],[6],[13],[14]等，應(yīng)用了反饋線(xiàn)性化，以補(bǔ)償遲滯動(dòng)態(tài)，然后實(shí)施跟蹤控制器。Wu 和 Zou 在 [28]中介紹了基于反轉(zhuǎn)的迭代控制方法，以彌補(bǔ)在高速、大范圍的追蹤中滯后和振動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制也被使用于對(duì) PZTA 遲滯非線(xiàn)性的建模和控制 PZTA 的微觀運(yùn)動(dòng) [14]，[27] 。在 [19]中，作者提出了一個(gè)精確定位跟蹤的有效控制策略。要實(shí)施這些管制法，只需要一個(gè)估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)的知識(shí)和相應(yīng)的約束，以及包括擾亂的滯后效應(yīng)的上下限。在 [25]中，Stepanenko 等人推出并實(shí)施了一個(gè)近似的函數(shù)，并由模糊邏輯技術(shù)補(bǔ)償遲滯非線(xiàn)性。在這篇文獻(xiàn)中，PZTA 的位移被緊密的跟蹤控制以獲得期望的軌跡。一種非線(xiàn)性有效控制策略在 PZTA 的電荷反饋和遲滯模型的部分知識(shí)基礎(chǔ)上被改進(jìn)。電荷控制消除 PZTA 滯后性影響的辦法，并提供在上的更好的有效控制 [1] 。通過(guò)對(duì)嵌入在 PZTA 電路中的電容的電壓測(cè)量，該電荷測(cè)量方法得到了確認(rèn)。以李雅普諾夫?yàn)榛A(chǔ)的分析，證明了精確跟蹤能被利用于改進(jìn)該控制策略。模擬結(jié)果呈獻(xiàn)出來(lái)，都表明了主動(dòng)控制辦法是切實(shí)可行的。本文的組織結(jié)構(gòu)如下：在第 2 條中，基于科爾曼-赫吉敦的遲滯模型隨壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及所需的對(duì)系統(tǒng)的假設(shè)一起被呈獻(xiàn)。在第 3 條中，非線(xiàn)性有效控制計(jì)劃方案被改進(jìn)，而與穩(wěn)定性分析驗(yàn)證壓電理想位移能夠被有效的跟蹤。在第 4 條中，模擬結(jié)果被給出以證明有效控制策略。最后，第 5 節(jié)是結(jié)束語(yǔ)。2 PZTA 系統(tǒng)模型2.1 PZTA 的伸長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)圖 1．輸入電壓導(dǎo)致 PZTA 伸長(zhǎng)示意圖如圖 1 所示，擁有單一伸長(zhǎng)軸的 PZTA，可以動(dòng)態(tài)地描述為：（1）pLFym???式中，m ∈R 表示 PZTA 的質(zhì)量，L ∈R 表示沒(méi)被激活前 PZTA 的長(zhǎng)度，F(xiàn) p (t) ∈ R 表示由于 PZTA 伸長(zhǎng)產(chǎn)生的力， 表示作用在 PZTA 上的垂直力，??L??,表示位移、速度和加速度，分別是 PZTA 伸長(zhǎng)的有效參數(shù)。??Rtyt?)(,?PZTA 的等效電路模型如圖 2 所示：圖 2．PZTA 的等效電路模型在這幅示意圖中，V(t) ∈R 表示輸入的控制電壓， 表示通過(guò) PZTA 的Rtq?)(?電流，因?yàn)?。另外， 是一個(gè)串聯(lián)電容器，它方便了通過(guò)測(cè)量穿)(tqi????Cm過(guò) 的電壓 而實(shí)現(xiàn)對(duì) 的測(cè)量，因?yàn)?。在圖二中，H 顯示mCV?t)( mVC?電路元件在電壓 和感應(yīng)電荷 q(t)之間的固有的滯后傾向，一個(gè)隨后的部分Rth)(將更進(jìn)一步確定滯后模型。參數(shù) 是 PZTA 的內(nèi)部電容， 是通過(guò)??Cc Rtq?)(?的電流，而 是穿過(guò)電容的電壓。最后， Tem 指示的電路元件代表后來(lái)cCtVc)(確定的伸長(zhǎng)模型，而 是與伸長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)[19]。另外， 表示流過(guò)RTem tp)(?支路的電流。2.2 遲滯模型我們定義一個(gè)非線(xiàn)性的遲滯模型 ，用它來(lái)描述輸入電壓 與驅(qū)RVHh?)( )(tVh動(dòng)電荷 之間的關(guān)系。對(duì)于這篇文章來(lái)說(shuō)，一個(gè)基于杜赫姆的滯后模型可以被定)(tq義作為 [8]：(2))()()(hhhVdfVq???式中， 是一個(gè)后來(lái)確定的信號(hào)。 變量 被定義作為：RVfh?)(式中， 是在 時(shí)刻的驅(qū)動(dòng)電荷， 是在 時(shí)刻的輸入電壓，Rq?00t?RVh?00t?是一個(gè)常數(shù)，而 是 與輸入電壓 有關(guān)的偏導(dǎo)數(shù)，參數(shù)??Rf?)(?)(f )(h， 以及 有以下性質(zhì) [7]：)(hVd)(hfgh性質(zhì) 1：函數(shù) 是分段光滑，單調(diào)遞增，而且是奇函數(shù)。V性質(zhì) 2：函數(shù) 分段連續(xù)，而且是偶函數(shù)。)(h性質(zhì) 3：函數(shù) 是已知的，而、而且是可逆的，例如 ，f )(hVf?。)(1hhVf??性質(zhì) 4： 的與 有關(guān)的偏導(dǎo)數(shù)不為零，因此，)hf )(.,)(hhVfeit?，其中， 是常量。0)(????f ??R0性質(zhì) 5：函數(shù) 有一個(gè)有限的上限 ，式中，)(hVg )()(.,???gfei)()(hhVf??性質(zhì) 6：函數(shù) 的范圍由下式限制：)(hd（5）d??式中， 是一個(gè)常量（證明請(qǐng)參閱附錄一） 。??Rd?2.3 伸長(zhǎng)模型我們用兩個(gè)線(xiàn)性關(guān)系來(lái)模仿 PZTA 的伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。其中一個(gè)模仿了驅(qū)動(dòng)伸長(zhǎng)軸位移 的電荷 的作用，并由下式給出：)(ty)(tqp(6)yTqemp?另一個(gè)關(guān)系將由伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力 描述成一個(gè)有電壓 表示的函數(shù) [19]，)(tF)(tVc并由下式給出：(7)cempVT?在式（6）和（7）中， 是 PZTA 固有的伸長(zhǎng)常量。emT2.4 動(dòng)態(tài)模型與假設(shè)為方便以后的控制目的，一個(gè)動(dòng)力學(xué)的，與伸長(zhǎng)軸位移 y(t)相關(guān)的表達(dá)方式應(yīng)該被給出，并且應(yīng)該由作用在 PZTA 的驅(qū)動(dòng)電荷 q(t)來(lái)表示函數(shù)。有了這樣一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型的工作的有點(diǎn)是很明顯的，因?yàn)樗倭诉t滯的限制，關(guān)于這點(diǎn)我們已經(jīng)在以前討論過(guò)了 [10]，[21] ，[26] 。由圖二中我們可以看出，驅(qū)動(dòng)電荷可以明顯地被表達(dá)為：(8)pcqVCq??從上式可以看出，式（1）的表達(dá)可以改寫(xiě)為：(9)qTFymcemL?????????式中我們用到了式（6）和（7） ，變量 由下式定義：RyL?),(? （10）yCTFcemL????????2為了便于跟蹤控制的設(shè)計(jì)，我們給出以下三個(gè)假設(shè)：假設(shè) 1：我們假定 PZTA 的參數(shù)以及其他的參數(shù)如 m， 和 都是已知的，CemT而且隨時(shí)間變化維持常量。假設(shè) 2：假定 PZTA 有效點(diǎn)的速度 和位移量 y(t)都是可測(cè)的。)(ty?假設(shè) 3：假定力 以及一介導(dǎo)數(shù) 都是有界的， （),(yFL? ),yFL?，而 ）??yFeiL),(.,? ??tty(),(