超声波电机高效率非线性Hammerstein控制方法

The primary problems in the study of ultrasonic motor are, low output power, short working time, low efficiency during operation, and low control precision. Aiming at the problems of low control precision and low efficiency during operation, fundamental research will be performed on the servo control strategy of ultrasonic motor. Based on the study on nonlinear characterics of ultrasonic motor system, MISO Hammerstein nonlinear model will be established using identification and chaos particle swarm optimization. Converse model of the nonlinear part in Hammerstein model will be constructed to countervail the nonlinear characteristics online. To control the linear part in Hammerstein model, self-tuning nonlinear generalized predictive control strategy will be designed. The strategy, which combines online identification and optimized self-tuning method, is also used to compensate the leaving nonlinear characteristic after nonlinear compensation using converse model. Along with design of the servo control strategy, the efficiency optimum control using fuzzy logic will also be designed to increase the operation.efficiency of ultrasonic motor system. To compensate the disturbance caused by the efficiency optimization, feed-forward control of speed and position will be adopted.

目前超声波电机研究存在的主要问题是：电机输出机械功率小、运行寿命短，运行效率低，控制精度不高。针对“控制精度不高”、“运行效率低”两个问题，进行超声波电机伺服控制策略的基础性研究。探求超声波电机系统非线性机理，设计混沌-粒子群优化算法，与实验辨识相结合，建立超声波电机的多输入Hammerstein 非线性模型；构造该模型中非线性环节的逆，实现主要非线性特性的在线对消；设计适用于超声波电机的多步预测自校正伺服控制策略，结合在线辨识和优化机制，实现对Hammerstein 模型中线性环节的有效控制，并补偿由于非线性对消不完全而遗留下来的弱非线性、慢时变特性。同时，利用富余控制自由度，设计模糊变步长的超声波电机系统效率优化控制方法，实现系统全局效率优化控制，提升系统运行效率；设计前馈控制以补偿由效率优化带来的大幅度扰动，实现多变量协调控制，保证效率优化前提下的伺服控制效果。

针对超声波电机伺服控制系统“运行效率低”的问题，提出了基于模糊逻辑的超声波电机系统效率优化控制方法，在实现伺服闭环控制的前提下，调节电机驱动电压幅值以提高电机系统效率。为实现效率优化而人为加入的电压幅值调节过程，作为一种扰动影响伺服控制效果；提出三种前馈控制方法，补偿由效率优化带来的大幅度扰动，实现多变量协调控制，保证效率优化情况下的伺服控制效果。. 针对超声波电机伺服控制系统“控制精度不高”的问题，提出了超声波电机非线性Hammerstein模型的优化-辨识建模方法，建立了适合转速、位置伺服控制应用的超声波电机Hammerstein模型，以及效率优化控制条件下的非线性Hammerstein模型，为超声波电机非线性控制策略的设计奠定了基础。所建模型结构简单，能较好地描述超声波电机的非线性动态特征。. 基于所建非线性模型，提出超声波电机的非线性自适应转速、位置伺服控制策略。通过引入模型中非线性部分的逆以抵消非线性部分的作用，使广义超声波电机模型呈现出线性系统的特征。提出超声波电机直接多步预测自校正伺服控制策略，实验结果表明控制效果良好，具有较强的鲁棒性。