振动控制中压电作动器非线性的补偿方法研究 A compensation method for nonlinearity of piezoelectric actuators in vibration control.pdfVIP

振动与冲击 第29卷第11期 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK 振动控制中压电作动器非线性的补偿方法研究 胡芳1’2，张志谊1，华宏星1 (1．上海交通大学振动冲击噪声研究所，上海200240；2．武汉理工大学材料学院，武汉430070) 摘 要：在周期振动的自适应控制中，压电作动器的非线性特性会产生高次谐波，激发高阶模态振动。为抑制压 电作动器的高次谐波激励，同时结合自适应振动控制的特点，提出一种新的作动器非线性补偿方法。该方法将作动器的 非线性与结构的动态特性部分融合，用正交多项式从输入输出信号中拟合静态非线性及其逆变换，计算过程简单，数值稳 定性高。在控制通道中，通过逆变换对控制信号进行预处理，使得补偿后的输入输出具有线性系统的特征，而输入输出之 间的相位差完全由自适应算法进行补偿。实验结果表明，所给出的补偿方法能够抑制高次谐波，并改善了振动控制效果。 关键词：压电作动器；振动控制；非线性；辨识；正交多项式 中图分类号：TB381 文献标识码：A 在振动控制中采用主动控制方法可以弥补被动控 通过反向传播(BP)算法得到，动态迟滞需要使用 制方法在低频段的缺陷，改善控制效果。在主动控制 方法中，作动器是实现振动控制的重要元件，它的特性 多的迟滞非线性模型¨5．16J，模型本身可变参数较多，需 决定了控制系统的复杂性、控制方法和性能。目前在 要通过实验手段辨识。这些模型的一个共同特点是将 振动控制中常用的作动器有电磁作动器、液压／气动作 迟滞与非线性在一个模型中描述，然后针对完整的模 动器、智能材料作动器等。其中压电材料作动器具有 型再考虑控制方法，如逆模型补偿、PID、自适应控制等 体积小、作用力大、效率高等优点，在高精度定位控制、 方法。由于迟滞是率相关的，完整的模型必须有对应 结构减振降噪等方面得到了较多应用‘1。5J。 的动态参数，给准确建模带来困难，同时一个复杂的数 在实际系统的振动控制中，由于激励源的振动以周 学建模过程和动力学模型并不利于实时控制，因此，合 期或准周期振动为主，被控结构的振动通常表现为周期 理的建模非常重要m1。 性振动，这就要求作动器根据结构的周期性振动产生相 控制方法对模型的依赖性是不同的，自适应方法 应的周期性作用力，以抑制被控结构的振动。因此，作动 由于在线调整控制器参数，在一定程度上能够补偿控 器的输入输出特陛直接影响到被控结构。对于非线性较 制通道的建模误差。实际上，基于LMS算法的自适应 强的作动器，如压电作动器、磁致伸缩作动器，在正弦信 对消方法对周期振动控制非常有效，而且在一定条件 号激励下会产生高次谐波输出，直接作用于结构，引起结 下也可以抑制作动器非线性导致的高次谐波¨8|，特别 构的高频振动和声辐射，反而恶化振动控制效果。为此， 是在控制中，使用跟踪滤波能够实现振动分量的选择 针对作动器的非线性输入输出特性，人们提出了许多模 性抑制¨9|。采用逆模型控制时，控制通道的迟滞非线 型，用以描述作动器的非线性和迟滞现象，并将其用于系 性被逆模型部分或完全补偿，使得补偿后的控制通道 统的动态特性补偿，改善作动器的控制性能。 几乎等价于一个线性系统，此时再使用自适应控制方 描述作动器非线性和迟滞现象的常见模型包括 法，控制性能能够得到保证ⅢJ。 Preisach模型、Krasnosel’skii-Pokrovskii(KP)模型、