基于Bouc-Wen模型的器迟滞非线性建模及控制研究.pdf

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘要

压电作动器作为一种智能作动器，具有响应快、分辨率高、体积较小、可靠

性高、驱动力大、发热量小、噪声低等优点，被广泛应用于主动隔振平台上。

但是由于压电作动器本身的迟滞非线性特征严重影响着压电作动器的驱动精度，

因此本文针对压电作动器的迟滞非线性特征进行动静态迟滞建模，并基于所建

立的迟滞模型展开压电作动器跟踪控制研究。具体研究内容如下：

进行压电作动器静态迟滞建模，设计了一种基于经典Bouc-Wen模型改进

的非对称增强型Bouc-Wen静态迟滞模型，用于解决经典Bouc-Wen模型只能描

述点对称迟滞曲线的问题。为验证所设计的增强型Bouc-Wen模型相比经典

Bouc-Wen模型描述迟滞曲线的能力更强，进行了压电作动器迟滞曲线测量实验，

并基于四组实验数据采用粒子群优化算法分别对经典Bouc-Wen模型和增强型

Bouc-Wen模型进行了参数辨识，对比了两种模型的建模误差，增强型Bouc-Wen

模型的误差明显较小，证实了增强型Bouc-Wen模型描述压电作动器静态迟滞

非线性的能力更强。

基于增强型Bouc-Wen静态迟滞模型展开了压电作动器线性化控制研究，

设计了一种前馈控制器，基于前馈控制器并结合所设计的PI控制器，设计了一

种前馈补偿-PI反馈的压电作动器复合控制方法，通过仿真证明了前馈控制器和

复合控制器的有效性，复合控制的效果要更好。为解决PI控制器参数试凑耗时

的问题，采用模糊PI控制方法，对模糊PI控制器进行了设计，实现了PI控制

器参数的自适应整定，而且控制效果相比PI控制要更好。

进行压电作动器动态迟滞建模，增强型Bouc-Wen静态迟滞模型同经典

Bouc-Wen模型一样对输入电压的频率不敏感，导致描述复合电压频率输入下的

压电作动器迟滞曲线误差较大，为解决这一问题，提出了两种动态迟滞模型建

立方法，分别为基于增强型Bouc-Wen静态迟滞模型改进的动态迟滞模型和基

于增强型Bouc-Wen静态迟滞模型的Hammerstein动态迟滞模型，前者将松弛

函数引入到模型参数中，后者在静态迟滞模型后串联一个动态线性环节，将两

种模型仿真曲线与实际动态迟滞曲线对比，证明了所设计的两种动态迟滞模型

均具有描述压电作动器动态迟滞特性的能力。

基于Hammerstein动态迟滞模型对压电作动器展开跟踪控制研究，设计了

一种考虑扰动的基于模型设计的控制系统。该控制系统包括一个状态观测器，

一个动态线性环节虚拟控制器和一个静态迟滞环节NMPC非线性模型预测控制

-I-

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器。通过建模仿真证明了控制系统的有效性和抗干扰能力。

关键词：压电作动器；Bouc-Wen模型；迟滞非线性；PI控制；跟踪控制

-II-

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Abstract

Asakindofintelligentactuator,piezoelectricactuatorhastheadvantagesoffast

response,highresolution,smallsize,highreliability,largedrivingforce,lowheat

generation,lownoise,etc.,andiswidelyusedinactivevibrationisolationplatforms.

However,sincethehysteresisnon