專利名稱：一種壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電陶瓷驅(qū)動器的精密控制技術(shù)領(lǐng)域，具體是ー種壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的控制方法。
ニ背景技術(shù)：
數(shù)字共焦顯微技術(shù)是上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的ー種在生物光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)上，采用光學(xué)切片技術(shù)和圖像復(fù)原的方法獲得高分辨率序列生物顯微圖像的技木。該技術(shù)依賴于通過微小位移驅(qū)動元件驅(qū)動物鏡與載物臺的相對步進微位移，對生物細胞進行序列切片圖像采集。所以微小位移驅(qū)動元件的驅(qū)動好壞是采集圖像質(zhì)量的關(guān)鍵。目前，在實踐中采用的微小位移驅(qū)動元件有很多種，而壓電陶瓷驅(qū)動器以其體積小、推力大、精度和位移分辨率高、頻率響應(yīng)快、不發(fā)熱、不產(chǎn)生噪聲等特性，成為微定位控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣的驅(qū)動元件之一。但是，壓電陶瓷材料有非線性、遲滯、蠕變等固有特性，對于這樣ー個非線性、多變量因素、時變的復(fù)雜壓電陶瓷系統(tǒng)，為其建立精確的數(shù)學(xué)模型比較困難。因此，必須結(jié)合一定的控制算法才能實現(xiàn)對壓電陶瓷驅(qū)動器的精密控制。早期的壓電陶瓷控制方法多是比例積分微分PID控制和改進的比例積分微分PID閉環(huán)控制，但由于無法建立精確的模型以及參數(shù)整定粗糙所以誤差較大，超調(diào)量大，響應(yīng)速度慢。這都大大限制了壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器定位精度的進ー步提高。因此，如何改善壓電陶物鏡瓷驅(qū)動器控制方法的誤差較大，超調(diào)量大，響應(yīng)速度慢等缺陷成為我們實現(xiàn)超精密壓電陶瓷物鏡定位所需解決的重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的控制方法，它能夠改進現(xiàn)有壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制方法的不足，減小控制誤差和超調(diào)量，提高響應(yīng)速度，控制輸出平穩(wěn)且精確，使壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的快速、精確、穩(wěn)定控制成為可能。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)上述目的:一種壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的控制方法，包括如下步驟:( I)在離線狀態(tài)下，預(yù)先進行遺傳算法初始參數(shù)優(yōu)化，首先對比例積分微分PID控制器的三個初始參數(shù)Kptl、Kitl和Kdtl用10位ニ進制碼表示，按參數(shù)Kptl、Kitl和Kdtl串接的編碼順序組成個體，再以時間乘絕對誤差積分ITAE作為性能評價指標(biāo)來確定適應(yīng)度函數(shù)，然后設(shè)置遺傳算法中樣本個數(shù)Size=30，交叉概率Pc=0.80，變異概率Pm=0.10-[1:1: Size]*0.01/Size,經(jīng)100代進化，最終獲得優(yōu)化初始參數(shù)Kp(l、Ki0和Kdtl,并輸出到模糊控制器，(2)在在線控制狀態(tài)下，由當(dāng)前設(shè)定控制量r與壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的實際輸出量1，計算出控制誤差e和誤差變化率ec，輸出到模糊控制器和比例積分微分PID控制器中，進行在線反饋實時調(diào)整，模糊控制器以控制誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表對參數(shù)進行實時調(diào)整，輸出參數(shù)調(diào)整量A Kp、A Ki和A Kd到比例積分微分PID控制器，(3)比例積分微分PID控制器，根據(jù)控制誤差e和誤差變化率ec與參數(shù)調(diào)整量A Kp、A Ki和A Kd，通過數(shù)字増量式比例積分微分PID控制算法計算得到輸出控制量，控制壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器進行微步進定位，(4)毎次精確定位結(jié)束后，按控制需求，重復(fù)步驟(2)和(3)進行下一次定位控制，直至達到控制需求，驅(qū)動器控制結(jié)束。所述遺傳算法初始參數(shù)優(yōu)化為離線狀態(tài)下完成，不參與在線調(diào)整。所述模糊控制器為兩輸入三輸出的結(jié)構(gòu)形式，以系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec作為輸入語言變量，以A Kp、A Ki和A Kd作為輸出語言變量，并將它們分為7個論域為[-3，3]的模糊子集，隸屬函數(shù)均采用三角形、非均勻分級法及全交迭形式。所述微步進定位為納米級，步進為lOOnm，精度為0.1%，單步響應(yīng)時間為0.7s。所述驅(qū)動器為以壓電陶瓷材料制成的致動器，驅(qū)動對象為光學(xué)顯微鏡物鏡。本發(fā)明方法的突出效果在于:在離線狀態(tài)下，預(yù)先進行遺傳算法初始參數(shù)優(yōu)化，不占用在線調(diào)整時間，優(yōu)化后初始參數(shù)使得控制的過程中輸出超調(diào)量幾乎為零，且在線調(diào)整時間及調(diào)整次數(shù)減小，縮短驅(qū)動器單次定位時間，提高了響應(yīng)速度。在線控制中模糊控制器選取兩輸入三輸出形式，兼顧了復(fù)雜度和精度，使得壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器具有良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能，在一定程度上消除了數(shù)字増量式比例積分微分PID控制算法的靜態(tài)誤差，加上數(shù)字増量式比例積分微分PID控制算法計算量小易于實現(xiàn)的優(yōu)點使得在線調(diào)整快速而驅(qū)動器位移輸出平穩(wěn)且精確。在實驗中設(shè)定壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的輸出定位位移為IOOnm時,輸出穩(wěn)定時間為
0.07s,響應(yīng)速度快，控制驅(qū)動器的定位位移穩(wěn)定在0.1OOum處，精度為0.1%。
四

圖1為整個壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制方法的控制結(jié)構(gòu)方框圖，其將PID控制器的初始參數(shù)分離出來置于離線狀態(tài)下進行全局優(yōu)化。圖2為在線調(diào)整PID控制器初始參數(shù)控制方法的控制結(jié)構(gòu)方框圖，其將PID控制器的初始參數(shù)置于在線控制中進行調(diào)整。圖3為整個壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制系統(tǒng)總體框圖，其中虛線框內(nèi)為本發(fā)明所述的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制方法所處部分。圖4為本發(fā)明控制方法中壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的時間-位移響應(yīng)曲線。
五具體實施例方式以下通過附圖和實例對本發(fā)明所述的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的控制方法作進ー步的詳細描述。如圖1所示，本發(fā)明所述的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的控制方法，包括如下步驟:( I)在離線狀態(tài)下，預(yù)先進行遺傳算法初始參數(shù)優(yōu)化，首先對比例積分微分PID控制器的三個初始參數(shù)Kptl、Kitl和Kdtl用10位ニ進制碼表示，按參數(shù)Kptl、Kitl和Kdtl串接的編碼順序組成個體，再以時間乘絕對誤差積分ITAE作為性能評價指標(biāo)來確定適應(yīng)度函數(shù)，然后設(shè)置遺傳算法中樣本個數(shù)Size=30，交叉概率Pc=0.80，變異概率Pm=0.10-[1:1: Size]*0.01/Size,經(jīng)100代進化，最終獲得優(yōu)化初始參數(shù)Kp(l、Ki0和Kdtl,并輸出到模糊控制器，(2)在在線控制狀態(tài)下，由當(dāng)前設(shè)定控制量r與壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的實際輸出量y，計算出控制誤差e和誤差變化率ec，輸出到模糊控制器和比例積分微分PID控制器中，進行在線反饋實時調(diào)整，模糊控制器以控制誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表對參數(shù)進行實時調(diào)整，輸出參數(shù)調(diào)整量A Kp、A Ki和A Kd到比例積分微分PID控制器，(3)比例積分微分PID控制器，根據(jù)控制誤差e和誤差變化率ec與參數(shù)調(diào)整量A Kp、A Ki和A Kd，通過數(shù)字増量式比例積分微分PID控制算法計算得到輸出控制量，控制壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器進行微步進定位，(4)毎次精確定位結(jié)束后，按控制需求，重復(fù)步驟(2)和(3)進行下一次定位控制，直至達到控制需求，驅(qū)動器控制結(jié)束。如圖2所示，在線調(diào)整比例積分微分PID控制器初始參數(shù)控制方法中，將初始參數(shù)調(diào)整調(diào)整器置于在線實時控制中，在控制過程中結(jié)合模糊控制器和比例積分微分PID控制器對初始參數(shù)進行在線優(yōu)化調(diào)整，以使壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器能達到預(yù)期的控制效果。該控制方式，需要對初始參數(shù)進行多次優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整次數(shù)多，所消耗時間長且精度不高。實施例1如圖3所示，壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)、比例積分微分PID控制器、A/D與D/A轉(zhuǎn)換、驅(qū)動電源、壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器和微位移傳感器等部分組成。所述的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制方法處于比例積分微分PID控制器部分。所述的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制方法在壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制系統(tǒng)，具體實施如下:在單片機系統(tǒng)中設(shè)定控制系統(tǒng)的輸出定位位移值，將其作為本發(fā)明方法中的比例積分微分PID控制器的輸入，比例積分微分PID控制器的輸出連接D/A轉(zhuǎn)換器輸入，將控制量由數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，D/A轉(zhuǎn)換器輸出連接驅(qū)動電源輸入，進ー步將控制量轉(zhuǎn)換成可直接控制壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的相對應(yīng)電壓量，驅(qū)動電源輸出電壓0-150V連接壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器，對壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器進行O-1OOum驅(qū)動定位，利用微位移傳感器對壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器進步微位移測量，采集壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的實時位移，再利用信號轉(zhuǎn)換器，將位移量轉(zhuǎn)換成電壓量，信號轉(zhuǎn)換器輸出連接A/D轉(zhuǎn)換器輸入，將電壓量轉(zhuǎn)換成單片機可處理的相對應(yīng)數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換器輸出連接單片機系統(tǒng)輸入，利用反饋回來的位移值與設(shè)定的輸出定位位移值之間的誤差量對驅(qū)動器位移進行實時控制調(diào)整，重新調(diào)整輸出定位位移。在離線狀態(tài)下，預(yù)先進行遺傳算法初始參數(shù)優(yōu)化，得到優(yōu)化初始參數(shù)配置于比例積分微分PID控制器中。微位移傳感器實時輸出數(shù)據(jù)，單片機系統(tǒng)周期性控制A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換并讀回該數(shù)據(jù)，根據(jù)初始控制量和當(dāng)前讀回實際輸出量，計算出控制誤差e和誤差變化率ec，輸出到比例積分微分PID控制器中，進行在線反饋實時調(diào)整輸出控制量，控制壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器進行微步進定位，依此循環(huán)，直至達到控制要求。如圖4所示，該圖為利用本發(fā)明控制方法所得到的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器時間-位移響應(yīng)輸出曲線圖。由壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器對光學(xué)顯微鏡物鏡從Oum驅(qū)動定位到0.1um處進行實驗所獲得。從圖中可以看出，壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的輸出穩(wěn)定且精確，穩(wěn)定時間為0.07s，響應(yīng)速度快，實驗持續(xù)到0.5s，控制驅(qū)動器的定位位移穩(wěn)定在0.1OOum處，精度為0.1%。并且控制過程中輸出不需進行多次振蕩調(diào)整，直接驅(qū)動物鏡逐漸逼近目標(biāo)位移，幾乎無超調(diào)量，實現(xiàn)快速精確地控制壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器。
本發(fā)明提供的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制方法在離線狀態(tài)下預(yù)先采用遺傳算法初始參數(shù)優(yōu)化對比例積分微分PID控制器的初始參數(shù)進行全局優(yōu)化，并將經(jīng)優(yōu)化后的優(yōu)化初始參數(shù)配置于模糊控制器中，再通過比例積分微分PID控制器對控制器參數(shù)進行在線實時調(diào)整，對壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器進行在線反饋實時控制，控制驅(qū)動器進行微步進定位。整個過程可實現(xiàn)對壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器精密控制，超調(diào)量小，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，滿足壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器驅(qū)動的需要。
權(quán)利要求
1.一種壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的控制方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: (1)在離線狀態(tài)下，預(yù)先進行遺傳算法初始參數(shù)優(yōu)化，首先對比例積分微分PID控制器的三個初始參數(shù)Kptl、Kitl和Kdtl用10位二進制碼表示，按參數(shù)Kptl、Kitl和Kdtl串接的編碼順序組成個體，再以時間乘絕對誤差積分ITAE作為性能評價指標(biāo)來確定適應(yīng)度函數(shù)，然后設(shè)置遺傳算法中樣本個數(shù)Size=30,交叉概率Pc=0.80,變異概率Pm=0.10-[1:1: Size] *0.01/Size,經(jīng)100代進化，最終獲得優(yōu)化初始參數(shù)Kp(l、Ki0和Kdtl,并輸出到模糊控制器， (2)在在線控制狀態(tài)下，由當(dāng)前設(shè)定控制量r與壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的實際輸出量1，計算出控制誤差e和誤差變化率ec，輸出到模糊控制器和比例積分微分PID控制器中，進行在線反饋實時調(diào)整，模糊控制器以控制誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表對參數(shù)進行實時調(diào)整，輸出參數(shù)調(diào)整量Λ Κρ、Λ Ki和Λ Kd到比例積分微分PID控制器， (3)比例積分微分PID控制器，根據(jù)控制誤差e和誤差變化率ec與參數(shù)調(diào)整量ΛΚρ、Δ Ki和Λ Kd，通過數(shù)字增量式比例積分微分PID控制算法計算得到輸出控制量，控制壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器進行微步進定位， (4 )每次精確定位結(jié)束后，按控制需求，重復(fù)步驟(2 )和(3 )進行下一次定位控制，直至達到控制需求，驅(qū)動器控制結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制方法，其特征在于，所述遺傳算法初始參數(shù)優(yōu)化為離線狀態(tài)下完成，不參與在線調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制方法，其特征在于，所述模糊控制器為兩輸入三輸出的結(jié)構(gòu)形式，以系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec作為輸入語言變量，以Λ Κρ、Δ Ki和Λ Kd作為輸出語言變量，并將它們分為7個論域為[-3，3]的模糊子集，隸屬函數(shù)均采用三角形、非均勻分級法及全交迭形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制方法，其特征在于，所述微步進定位為納米級，步進為lOOnm，精度為0.1%，單步響應(yīng)時間為0.7s。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器控制方法，其特征在于，所述驅(qū)動器為以壓電陶瓷材料制成的致動器，驅(qū)動對象為光學(xué)顯微鏡物鏡。
全文摘要
一種壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器的控制方法，包括如下步驟將比例積分微分PID控制器初始參數(shù)的優(yōu)化從在線調(diào)整中分離出來，經(jīng)優(yōu)化后的初始參數(shù)配置于在線控制算法中，對壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器進行快速精確控制。在離線狀態(tài)下，預(yù)先采用遺傳算法完成比例積分微分PID控制器初始參數(shù)的全局優(yōu)化，并將經(jīng)優(yōu)化后獲取的優(yōu)化初始參數(shù)配置于在線模糊比例積分微分PID控制中，進行在線反饋實時控制，控制壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器進行微步進定位。該控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)對壓電陶瓷物鏡驅(qū)動器高精度控制，輸出超調(diào)量小，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快。
文檔編號G05B13/02GK103116276SQ20131006716
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者陳華, 董釗明, 林廣升, 聶雄 申請人:廣西大學(xué)