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超聲波電機(jī)控制技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030593511
- 條形碼：9787030593511 ; 978-7-03-059351-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類(lèi)：>
超聲波電機(jī)控制技術(shù) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書(shū)是作者課題組近年研究工作的總結(jié)，闡述了超聲波電機(jī)控制技術(shù)及具體裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，反映了超聲波電機(jī)控制領(lǐng)域的近期新進(jìn)展。內(nèi)容豐富，深入淺出，主要包括超聲波電機(jī)改進(jìn)PID控制技術(shù)、黃金分割自適應(yīng)控制技術(shù)、模型參考自適應(yīng)控制技術(shù)等。針對(duì)超聲波電機(jī)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求，書(shū)中給出了多種在線計(jì)算量小的超聲波電機(jī)新型控制策略及詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，分析了超聲波電機(jī)系統(tǒng)的控制非線性問(wèn)題，論述了適合于控制應(yīng)用的超聲波電機(jī)控制系統(tǒng)建模方法。
超聲波電機(jī)控制技術(shù) 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展 2
1.1.1 超聲波電機(jī)系統(tǒng)建模的研究 3
1.1.2 超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制策略 5
1.2 本書(shū)的內(nèi)容安排 7
參考文獻(xiàn) 8
第2章 超聲波電機(jī)系統(tǒng)的辨識(shí)建模 11
2.1 超聲波電機(jī)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)辨識(shí)建模 12
2.1.1 數(shù)據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 12
2.1.2 基于階躍響應(yīng)的超聲波電機(jī)模型辨識(shí) 13
2.2 超聲波電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制Hammerstein辨識(shí)建模 19
2.2.1 非線性Hammerstein模型 20
2.2.2 粒子群優(yōu)化算法 21
2.2.3 基于粒子群優(yōu)化的超聲波電機(jī)非線性Hammerstein辨識(shí)建模 24
2.3 超聲波電機(jī)系統(tǒng)的位置控制Hammerstein辨識(shí)建模 33
2.3.1 超聲波電機(jī)Hammerstein位置控制模型的結(jié)構(gòu) 34
2.3.2 超聲波電機(jī)Hammerstein位置控制模型的辨識(shí) 35
2.3.3 菌群覓食優(yōu)化算法參數(shù)值的確定 40
2.3.4 超聲波電機(jī)系統(tǒng)位置控制模型階次的確定 42
參考文獻(xiàn) 45
第3章 超聲波電機(jī)改進(jìn)PID控制策略 46
3.1 超聲波電機(jī)常規(guī)PID轉(zhuǎn)速控制性能 46
3.1.1 超聲波電機(jī)固定參數(shù)PID控制方法仿真研究 47
3.1.2 超聲波電機(jī)固定參數(shù)PID控制性能的實(shí)驗(yàn)研究 52
3.1.3 基于曲線擬合的變參數(shù)PID控制器 57
3.2 超聲波電機(jī)的簡(jiǎn)單專(zhuān)家PID速度控制 58
3.2.1 專(zhuān)家規(guī)則的設(shè)計(jì) 58
3.2.2 專(zhuān)家規(guī)則的實(shí)驗(yàn)研究 62
3.2.3 簡(jiǎn)單專(zhuān)家PID控制器的性能測(cè)試 69
3.3 超聲波電機(jī)單輸入Takagi-Sugeno模糊轉(zhuǎn)速控制 72
3.3.1 單輸入T-S模糊轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì) 73
3.3.2 與傳統(tǒng)模糊控制器的計(jì)算量對(duì)比 75
3.3.3 單輸入T-S模糊轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn) 75
參考文獻(xiàn) 76
第4章 基于特征模型的超聲波電機(jī)自適應(yīng)控制策略 77
4.1 超聲波電機(jī)的特征模型建模 78
4.1.1 超聲波電機(jī)的特征模型 78
4.1.2 固定參數(shù)模型的辨識(shí)建模 84
4.1.3 超聲波電機(jī)的特征建模 87
4.1.4 以轉(zhuǎn)速誤差為輸出的特征建模 92
4.2 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速的黃金分割控制 98
4.2.1 超聲波電機(jī)線性黃金分割控制策略 98
4.2.2 線性黃金分割控制的仿真研究 99
4.2.3 超聲波電機(jī)線性黃金分割控制的實(shí)驗(yàn)研究 109
4.2.4 超聲波電機(jī)非線性黃金分割自適應(yīng)控制策略 118
4.2.5 非線性黃金分割自適應(yīng)控制的仿真研究 119
4.2.6 超聲波電機(jī)非線性黃金分割控制的實(shí)驗(yàn)研究 125
4.3 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速的全系數(shù)自適應(yīng)控制 136
4.3.1 超聲波電機(jī)全系數(shù)自適應(yīng)控制策略 136
4.3.2 全系數(shù)自適應(yīng)控制的仿真研究 138
4.3.3 超聲波電機(jī)全系數(shù)自適應(yīng)控制的實(shí)驗(yàn)研究 140
參考文獻(xiàn) 150
第5章 超聲波電機(jī)模型參考自適應(yīng)控制策略 152
5.1 超聲波電機(jī)MIT模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制策略 152
5.1.1 超聲波電機(jī)MIT模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制 153
5.1.2 基于Lyapunov穩(wěn)定性的超聲波電機(jī)MIT轉(zhuǎn)速控制 163
5.1.3 超聲波電機(jī)改進(jìn)MIT模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制 167
5.1.4 基于Lyapunov穩(wěn)定性的超聲波電機(jī)改進(jìn)MIT轉(zhuǎn)速控制 178
5.2 基于超穩(wěn)定理論的超聲波電機(jī)模型參考自適應(yīng)控制 183
5.2.1 基于超穩(wěn)定理論的超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略 183
5.2.2 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略的具體設(shè)計(jì) 189
5.2.3 模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制策略的仿真研究 190
5.2.4 采用濾波導(dǎo)數(shù)的超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略 198
參考文獻(xiàn) 204
第6章 超聲波電機(jī)迭代學(xué)習(xí)控制策略 205
6.1 迭代學(xué)習(xí)控制的思路與基本算法 206
6.2 超聲波電機(jī)P型迭代學(xué)習(xí)控制 208
6.2.1 學(xué)習(xí)增益KP的確定 208
6.2.2 實(shí)驗(yàn)分析 210
6.3 超聲波電機(jī)PI型迭代學(xué)習(xí)控制 219
6.4 超聲波電機(jī)PD和PID型迭代學(xué)習(xí)控制 225
6.4.1 超聲波電機(jī)PD型迭代學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)速控制 225
6.4.2 超聲波電機(jī)PID型迭代學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)速控制 228
6.5 超聲波電機(jī)非線性正割迭代學(xué)習(xí)控制 231
參考文獻(xiàn) 234
前言
第1章 緒論 1
1.1 超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展 2
1.1.1 超聲波電機(jī)系統(tǒng)建模的研究 3
1.1.2 超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制策略 5
1.2 本書(shū)的內(nèi)容安排 7
參考文獻(xiàn) 8
第2章 超聲波電機(jī)系統(tǒng)的辨識(shí)建模 11
2.1 超聲波電機(jī)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)辨識(shí)建模 12
2.1.1 數(shù)據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 12
2.1.2 基于階躍響應(yīng)的超聲波電機(jī)模型辨識(shí) 13
2.2 超聲波電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制Hammerstein辨識(shí)建模 19
2.2.1 非線性Hammerstein模型 20
2.2.2 粒子群優(yōu)化算法 21
2.2.3 基于粒子群優(yōu)化的超聲波電機(jī)非線性Hammerstein辨識(shí)建模 24
2.3 超聲波電機(jī)系統(tǒng)的位置控制Hammerstein辨識(shí)建模 33
2.3.1 超聲波電機(jī)Hammerstein位置控制模型的結(jié)構(gòu) 34
2.3.2 超聲波電機(jī)Hammerstein位置控制模型的辨識(shí) 35
2.3.3 菌群覓食優(yōu)化算法參數(shù)值的確定 40
2.3.4 超聲波電機(jī)系統(tǒng)位置控制模型階次的確定 42
參考文獻(xiàn) 45
第3章 超聲波電機(jī)改進(jìn)PID控制策略 46
3.1 超聲波電機(jī)常規(guī)PID轉(zhuǎn)速控制性能 46
3.1.1 超聲波電機(jī)固定參數(shù)PID控制方法仿真研究 47
3.1.2 超聲波電機(jī)固定參數(shù)PID控制性能的實(shí)驗(yàn)研究 52
3.1.3 基于曲線擬合的變參數(shù)PID控制器 57
3.2 超聲波電機(jī)的簡(jiǎn)單專(zhuān)家PID速度控制 58
3.2.1 專(zhuān)家規(guī)則的設(shè)計(jì) 58
3.2.2 專(zhuān)家規(guī)則的實(shí)驗(yàn)研究 62
3.2.3 簡(jiǎn)單專(zhuān)家PID控制器的性能測(cè)試 69
3.3 超聲波電機(jī)單輸入Takagi-Sugeno模糊轉(zhuǎn)速控制 72
3.3.1 單輸入T-S模糊轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì) 73
3.3.2 與傳統(tǒng)模糊控制器的計(jì)算量對(duì)比 75
3.3.3 單輸入T-S模糊轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn) 75
參考文獻(xiàn) 76
第4章 基于特征模型的超聲波電機(jī)自適應(yīng)控制策略 77
4.1 超聲波電機(jī)的特征模型建模 78
4.1.1 超聲波電機(jī)的特征模型 78
4.1.2 固定參數(shù)模型的辨識(shí)建模 84
4.1.3 超聲波電機(jī)的特征建模 87
4.1.4 以轉(zhuǎn)速誤差為輸出的特征建模 92
4.2 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速的黃金分割控制 98
4.2.1 超聲波電機(jī)線性黃金分割控制策略 98
4.2.2 線性黃金分割控制的仿真研究 99
4.2.3 超聲波電機(jī)線性黃金分割控制的實(shí)驗(yàn)研究 109
4.2.4 超聲波電機(jī)非線性黃金分割自適應(yīng)控制策略 118
4.2.5 非線性黃金分割自適應(yīng)控制的仿真研究 119
4.2.6 超聲波電機(jī)非線性黃金分割控制的實(shí)驗(yàn)研究 125
4.3 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速的全系數(shù)自適應(yīng)控制 136
4.3.1 超聲波電機(jī)全系數(shù)自適應(yīng)控制策略 136
4.3.2 全系數(shù)自適應(yīng)控制的仿真研究 138
4.3.3 超聲波電機(jī)全系數(shù)自適應(yīng)控制的實(shí)驗(yàn)研究 140
參考文獻(xiàn) 150
第5章 超聲波電機(jī)模型參考自適應(yīng)控制策略 152
5.1 超聲波電機(jī)MIT模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制策略 152
5.1.1 超聲波電機(jī)MIT模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制 153
5.1.2 基于Lyapunov穩(wěn)定性的超聲波電機(jī)MIT轉(zhuǎn)速控制 163
5.1.3 超聲波電機(jī)改進(jìn)MIT模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制 167
5.1.4 基于Lyapunov穩(wěn)定性的超聲波電機(jī)改進(jìn)MIT轉(zhuǎn)速控制 178
5.2 基于超穩(wěn)定理論的超聲波電機(jī)模型參考自適應(yīng)控制 183
5.2.1 基于超穩(wěn)定理論的超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略 183
5.2.2 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略的具體設(shè)計(jì) 189
5.2.3 模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制策略的仿真研究 190
5.2.4 采用濾波導(dǎo)數(shù)的超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略 198
參考文獻(xiàn) 204
第6章 超聲波電機(jī)迭代學(xué)習(xí)控制策略 205
6.1 迭代學(xué)習(xí)控制的思路與基本算法 206
6.2 超聲波電機(jī)P型迭代學(xué)習(xí)控制 208
6.2.1 學(xué)習(xí)增益KP的確定 208
6.2.2 實(shí)驗(yàn)分析 210
6.3 超聲波電機(jī)PI型迭代學(xué)習(xí)控制 219
6.4 超聲波電機(jī)PD和PID型迭代學(xué)習(xí)控制 225
6.4.1 超聲波電機(jī)PD型迭代學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)速控制 225
6.4.2 超聲波電機(jī)PID型迭代學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)速控制 228
6.5 超聲波電機(jī)非線性正割迭代學(xué)習(xí)控制 231
參考文獻(xiàn) 234
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超聲波電機(jī)控制技術(shù) 節(jié)選
第1章 緒論 為了滿足現(xiàn)代自動(dòng)化設(shè)備對(duì)運(yùn)動(dòng)控制裝置提出的諸多新要求，如短、小、輕、薄、無(wú)電磁干擾、低噪聲等，自20世紀(jì)80年代起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始致力于超聲波電機(jī)（ultrasonic motor，USM）這種新型微特電機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)工作。超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，從而把電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲波振動(dòng)，并通過(guò)摩擦傳動(dòng)的方式轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。在各類(lèi)超聲波電機(jī)中，兩相行波超聲波電機(jī)應(yīng)用*為廣泛。本書(shū)所述研究工作均以此類(lèi)電機(jī)為研究對(duì)象，下文所述超聲波電機(jī)均指兩相行波超聲波電機(jī)。 應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對(duì)行波超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制性能提出了越來(lái)越高的要求。但由于超聲波電機(jī)基于逆壓電效應(yīng)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，以及定子、轉(zhuǎn)子間的機(jī)械能摩擦傳遞過(guò)程，其控制非線性及內(nèi)部多變量耦合較電磁電機(jī)復(fù)雜，因此不易實(shí)現(xiàn)良好控制。電機(jī)本體固有的非線性，是制約超聲波電機(jī)控制性能的關(guān)鍵因素。從控制的角度來(lái)看，其非線性主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是不同驅(qū)動(dòng)參數(shù)（電壓幅值、頻率、相位差）情況下的電機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性存在差異；二是固定驅(qū)動(dòng)參數(shù)運(yùn)行情況下，由于能量損耗引起電機(jī)溫度升高，電機(jī)定子壓電材料特性及定子、轉(zhuǎn)子間摩擦狀況發(fā)生變化，導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部機(jī)電能量轉(zhuǎn)換及傳遞特性發(fā)生變化；三是驅(qū)動(dòng)電路可控變量與電機(jī)端電壓實(shí)際表現(xiàn)之間的非線性。 對(duì)超聲波電機(jī)的控制動(dòng)作都是通過(guò)調(diào)節(jié)外加驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上述非線性體現(xiàn)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓上，還表現(xiàn)出以下兩個(gè)方面的特征：一方面，電機(jī)兩相特性不一致使得兩相驅(qū)動(dòng)電壓幅值差異較大，導(dǎo)致定子表面各質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生畸變；另一方面，驅(qū)動(dòng)電壓幅值存在波動(dòng)現(xiàn)象。驅(qū)動(dòng)電壓幅值波動(dòng)主要源于以下原因：一是電機(jī)定子每相壓電陶瓷片各個(gè)分區(qū)的材料特性不完全一致；二是電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子接觸表面各點(diǎn)接觸狀態(tài)有差異；三是電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，各部位發(fā)熱導(dǎo)致的溫度變化不均勻等。這些電機(jī)特性差異使得電機(jī)每相等效電參數(shù)發(fā)生時(shí)變，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓幅值波動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電壓的這些非線性表征，直接影響電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度和響應(yīng)速度。 如何克服超聲波電機(jī)系統(tǒng)固有的非線性及時(shí)變特征，得到符合應(yīng)用期望的轉(zhuǎn)速控制性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，是超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制研究面臨的核心問(wèn)題。近年來(lái)，研究者不斷探求新的控制策略與實(shí)現(xiàn)形式，控制算法漸趨復(fù)雜化。許多復(fù)雜的控制策略，先后被提出并用于超聲波電機(jī)。這些控制策略的算法復(fù)雜，不僅增加了系統(tǒng)復(fù)雜度、降低了系統(tǒng)可靠性，而且在線計(jì)算量大，其實(shí)現(xiàn)需要更高檔的DSP芯片甚至臺(tái)式計(jì)算機(jī)，增加了系統(tǒng)成本，不利于超聲波電機(jī)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。 面對(duì)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求，在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，探求相對(duì)簡(jiǎn)單、在線計(jì)算量小的超聲波電機(jī)控制策略，以降低系統(tǒng)復(fù)雜度，從而降低成本并提高系統(tǒng)可靠性，已成為當(dāng)前超聲波電機(jī)控制策略研究的又一熱點(diǎn)。 1.1 超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展 關(guān)于超聲波電機(jī)的研究，早期主要集中于材料特性、材料制備加工工藝、運(yùn)動(dòng)機(jī)理及機(jī)械結(jié)構(gòu)，目前則集中于新的電機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制策略、應(yīng)用技術(shù)三方面。在電機(jī)結(jié)構(gòu)研究方面，先后提出了行波型、駐波型、直線及模態(tài)耦合型、蘭杰文振子等不同結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)，其應(yīng)用技術(shù)研究目前已經(jīng)涉及航空航天、半導(dǎo)體工業(yè)、汽車(chē)、家用電器等眾多領(lǐng)域。由于超聲波電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合的多樣性和復(fù)雜性，以及其結(jié)構(gòu)與外形設(shè)計(jì)的靈活性，其結(jié)構(gòu)方面的研究工作仍將隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展而不斷深入展開(kāi)。 兩相行波超聲波電機(jī)的運(yùn)行離不開(kāi)合適的驅(qū)動(dòng)電路。其原因有兩點(diǎn)：一是兩相行波超聲波電機(jī)必須工作在超聲頻域，根據(jù)各種電機(jī)不同的結(jié)構(gòu)形式，要求驅(qū)動(dòng)器能夠輸出頻率在20～100kHz的高頻電壓，且必須提供超聲頻段內(nèi)兩相具有一定相位差的同頻、等幅的正弦交流驅(qū)動(dòng)電壓，電壓峰峰值要求在幾十伏特到上千伏特之間；二是壓電材料具有容性負(fù)載的特點(diǎn)，不同于傳統(tǒng)電機(jī)的感性或阻性特性，為了提高驅(qū)動(dòng)電路效率，實(shí)現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換，使超聲波電機(jī)獲得足夠的功率，在驅(qū)動(dòng)電源和電機(jī)之間必須加上匹配電路，以改善驅(qū)動(dòng)電壓波形、減小高頻諧波分量，避免激發(fā)出定子的非工作模態(tài)。因此，傳統(tǒng)電磁式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)超聲波電機(jī)并不適用，必須為其設(shè)計(jì)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路。 驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)是否合理與超聲波電機(jī)的運(yùn)行性能和更大范圍的推廣應(yīng)用息息相關(guān)。目前，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)大都采用全控型電力電子器件、PWM高頻逆變電路等現(xiàn)代電力電子技術(shù)手段。使用較多的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有推挽、半橋、H橋等，與主電路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的不同PWM方法則被用來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的幅值、頻率及相位差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置的控制。可以看出，在超聲波電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，基于PWM技術(shù)的主電路是控制前向通道中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其輸入輸出線性度與調(diào)節(jié)精度直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。由此可以說(shuō)，現(xiàn)代電力電子技術(shù)是超聲波電機(jī)高性能控制的基礎(chǔ)。 由于超聲波電機(jī)具有特殊的本體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理，故超聲波電機(jī)的控制不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)。超聲波電機(jī)的輸出特性會(huì)隨著環(huán)境溫度、摩擦損耗、預(yù)壓力、驅(qū)動(dòng)激勵(lì)頻率等因素的變化而呈現(xiàn)出嚴(yán)重的非線性與分散性，且不易建立精確數(shù)學(xué)模型。為了實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)的高性能運(yùn)行，必須獲取相關(guān)反饋信號(hào)并進(jìn)行閉環(huán)控制。所以超聲波電機(jī)通常不能像傳統(tǒng)電磁電機(jī)那樣開(kāi)環(huán)工作，轉(zhuǎn)速和/或位置的閉環(huán)控制是發(fā)揮和提高超聲波電機(jī)運(yùn)行性能的必要環(huán)節(jié)。 對(duì)兩相行波超聲波電機(jī)進(jìn)行控制，就是改變電機(jī)內(nèi)部行波的波幅、速度和定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，相應(yīng)的控制變量為電機(jī)兩相驅(qū)動(dòng)電壓的幅值、頻率、相位差。若電機(jī)端電壓過(guò)低，壓電元件難以起振；過(guò)高則會(huì)超過(guò)電機(jī)允許的電壓極限，損壞電機(jī)；而且在一定的電壓調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，電壓幅值的改變對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速影響較小，在需要大范圍調(diào)速的應(yīng)用中較少使用，可用于轉(zhuǎn)速在小范圍內(nèi)的高精度調(diào)節(jié)。調(diào)頻控制通過(guò)改變兩相電壓激振頻率來(lái)控制定子的共振狀態(tài)。電機(jī)通常工作在其諧振頻率點(diǎn)附近，調(diào)頻調(diào)速具有響應(yīng)快、調(diào)速范圍大等特點(diǎn)。因?yàn)殡姍C(jī)兩相電壓的相位差與定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)行速度有一定的函數(shù)關(guān)系，所以通過(guò)改變兩相電壓之間的相位差也可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 對(duì)超聲波電機(jī)伺服定位和速度控制的研究始于20世紀(jì)90年代，Yuji、Senjyu、Lin等學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了較多的研究。隨著機(jī)理研究的深入及性能要求的逐步提高，近年來(lái)關(guān)于超聲波電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究越來(lái)越受到重視。由于超聲波電機(jī)的運(yùn)行包含壓電能量轉(zhuǎn)換、摩擦能量傳遞等過(guò)程，超聲波電機(jī)非線性及內(nèi)部多變量耦合較為嚴(yán)重，不易控制。眾多控制策略，如PID、自適應(yīng)、滑模變結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模型參考、逆模型、H∞等，都已被嘗試用于超聲波電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，改善了超聲波電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的諧振頻率點(diǎn)漂移、溫度補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，提高了速度穩(wěn)定性與跟蹤性能。但是，由于超聲波電機(jī)研究歷史不長(zhǎng)，對(duì)超聲波電機(jī)不同于電磁電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理及非線性特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足，超聲波電機(jī)的潛能未得到充分發(fā)揮，控制效果仍有較大的改進(jìn)余地。根據(jù)超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理及不同應(yīng)用場(chǎng)合的特定要求，研究合適的驅(qū)動(dòng)控制電路及適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕岣唠姍C(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度、重復(fù)精度、整體效率及可靠性，一直是超聲波電機(jī)研究的重點(diǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的模型是控制策略研究的基礎(chǔ)。因此，本節(jié)將從建模與控制策略?xún)煞矫嬖u(píng)述超聲波電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。 1.1.1 超聲波電機(jī)系統(tǒng)建模的研究 系統(tǒng)模型是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提條件。超聲波電機(jī)作為一種新型機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其能量轉(zhuǎn)換過(guò)程包括多個(gè)層次，首先是通過(guò)壓電陶瓷材料逆壓電效應(yīng)將高頻高壓電能轉(zhuǎn)換為定子表面質(zhì)點(diǎn)的波動(dòng)機(jī)械能，隨后這一質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)定轉(zhuǎn)子接觸表面的摩擦作用轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程及功能材料的非線性特性，使得超聲波電機(jī)具有較強(qiáng)非線性，內(nèi)部狀態(tài)變量耦合關(guān)系復(fù)雜，因此，超聲波電機(jī)的準(zhǔn)確理論建模難于實(shí)現(xiàn)。 從控制應(yīng)用的角度出發(fā)，為使所建立的超聲波電機(jī)系統(tǒng)模型更適合于控制應(yīng)用，需考慮理論精確建模之外的其他方法，目前主要有等效電路模型、平均值模型和辨識(shí)建模三類(lèi)。其中，等效電路模型已有較多研究，能夠用來(lái)較好地表述超聲波電機(jī)工作原理和靜態(tài)特性，但在動(dòng)態(tài)特性描述方面尚顯不足，等效電路參數(shù)的在線辨識(shí)是將該模型用于高性能控制的一種途徑。Maas等（1997，2000）提出的超聲波電機(jī)平均值模型，雖然未能確切描述能量的摩擦傳遞過(guò)程，但為研究者提供了可借鑒的思路。通過(guò)進(jìn)一步研究（龐華山等，2010）與融合，平均值模型有可能成為一類(lèi)有應(yīng)用前景的建模方法。 近幾年，超聲波電機(jī)的辨識(shí)建模方法逐漸興起，目前已成為超聲波電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制研究中采用的主要建模方法。文獻(xiàn)中給出的辨識(shí)建模方法多種多樣，模型形式亦有差異。其中*為常見(jiàn)的是差分模型，如Senjyu等（1998）所用模型形式為 (1.1) 式中，y(k)為系統(tǒng)輸出；u(k)為輸入的控制量；w(k)為白噪聲信號(hào)；多項(xiàng)式A、B中的待定系數(shù)和由辨識(shí)獲得，模型階次根據(jù)應(yīng)用所需模型精度確定。 根據(jù)控制算法設(shè)計(jì)或仿真分析的不同需求，模型形式也可以是傳遞函數(shù)，如張新良等（2008）以電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入給定電壓作為輸入量，得到的模型為 (1.2) 式中，K、α為比例系數(shù)；Jr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；δ為阻尼力矩系數(shù)。 為了描述超聲波電機(jī)的時(shí)變特性，差分或傳遞函數(shù)模型中的模型參數(shù)可以表述為一個(gè)或多個(gè)電機(jī)狀態(tài)量的函數(shù)。例如，劉博等（2010）所用模型形式為 (1.3) 式中，a(f)、b(f)均為以電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率f為自變量的多項(xiàng)式函數(shù)。張新良等（2008）則采用如下形式： (1.4) 式中，Km(u)、Tm(u)s、τm(u)s用來(lái)表示模型參數(shù)隨電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入給定電壓u變化的關(guān)系。 針對(duì)超聲波電機(jī)系統(tǒng)不同控制需求，如何設(shè)計(jì)建模方法及建模過(guò)程以得到合適的模型，尤其是模型參數(shù)如何用來(lái)更準(zhǔn)確地表述時(shí)變特性，仍需要進(jìn)一步的細(xì)化研究。 1.1.2 超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制策略 如前所述，超聲波電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)出顯著的時(shí)變及非線性特性，這給超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)了不小的難度。按照超聲波電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，其控制的實(shí)質(zhì)在于改變定子表面行波的波幅、速度以及質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，相應(yīng)的可控輸入量為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的幅值、頻率和相位差。已有許多控制策略應(yīng)用于超聲波電機(jī)，下面分類(lèi)闡述比較典型的控制策略。 1. PID控制 用于超聲波電機(jī)的PID控制有固定參數(shù)PID和變參數(shù)PID控制兩類(lèi)。因?yàn)槌暡姍C(jī)的時(shí)變特性，固定參數(shù)PID控制難以取得好的控制效果，變參數(shù)PID則要好一些。神經(jīng)元PID控制（傅平等，2007）采用單個(gè)神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)PID控制，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)更新連接權(quán)重，實(shí)現(xiàn)了PID控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。賀紅林等（2009）利用遺傳算法在線優(yōu)化PI控制器參數(shù)，優(yōu)化過(guò)程以位置偏差*小為目標(biāo)，能夠在一定程度上補(bǔ)償超聲波電機(jī)的非線性及時(shí)變特性，但是遺傳算法的隨機(jī)特性及在線計(jì)算量與控制實(shí)時(shí)性、時(shí)變跟蹤能力之間的折中考慮會(huì)影響到優(yōu)化效果。 2. 自適應(yīng)控制 自適應(yīng)控制能通過(guò)不斷調(diào)整控制器參數(shù)來(lái)補(bǔ)償被控對(duì)象的特性變化，適用于超聲波電機(jī)這樣的時(shí)變對(duì)象。從實(shí)用角度講，自適應(yīng)控制可分為自校正、模型參考自適應(yīng)和非線性自適應(yīng)控制等幾類(lèi)。 1）自校正控制 李華峰等（2003）以驅(qū)動(dòng)電壓相位差作為控制量，使用包含在線參數(shù)辨識(shí)的*小方差自校正控制器來(lái)補(bǔ)償電機(jī)的時(shí)變特性。電機(jī)數(shù)學(xué)模型采用差分形式，控制原則是使代價(jià)函數(shù)J1*小： (1.5) 式中，y(k+d)和ym分別為實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置和期望的轉(zhuǎn)子位置；u(k)為輸入控制量（相位差）；λ為加權(quán)因子，用以限制輸入，使之不至過(guò)大，同時(shí)也改善系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性。李華峰等（2003）采用經(jīng)典的自校正算法進(jìn)行控制，控制計(jì)算所需的電機(jī)參數(shù)由*小二乘法在線辨識(shí)獲得，可實(shí)現(xiàn)對(duì)階躍信號(hào)的快速準(zhǔn)確響應(yīng)。 2）模型
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