专利名称：一种压电陶瓷物镜驱动器的控制方法
技术领域：
本发明涉及压电陶瓷驱动器的精密控制技术领域，具体是ー种压电陶瓷物镜驱动器的控制方法。
ニ背景技术：
数字共焦显微技术是上世纪90年代出现的ー种在生物光学显微镜的基础上，采用光学切片技术和图像复原的方法获得高分辨率序列生物显微图像的技木。该技术依赖于通过微小位移驱动元件驱动物镜与载物台的相对步进微位移，对生物细胞进行序列切片图像采集。所以微小位移驱动元件的驱动好坏是采集图像质量的关键。目前，在实践中采用的微小位移驱动元件有很多种，而压电陶瓷驱动器以其体积小、推力大、精度和位移分辨率高、频率响应快、不发热、不产生噪声等特性，成为微定位控制领域应用最广的驱动元件之一。但是，压电陶瓷材料有非线性、迟滞、蠕变等固有特性，对于这样ー个非线性、多变量因素、时变的复杂压电陶瓷系统，为其建立精确的数学模型比较困难。因此，必须结合一定的控制算法才能实现对压电陶瓷驱动器的精密控制。早期的压电陶瓷控制方法多是比例积分微分PID控制和改进的比例积分微分PID闭环控制，但由于无法建立精确的模型以及參数整定粗糙所以误差较大，超调量大，响应速度慢。这都大大限制了压电陶瓷物镜驱动器定位精度的进ー步提高。因此，如何改善压电陶物镜瓷驱动器控制方法的误差较大，超调量大，响应速度慢等缺陷成为我们实现超精密压电陶瓷物镜定位所需解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电陶瓷物镜驱动器的控制方法，它能够改进现有压电陶瓷物镜驱动器控制方法的不足，减小控制误差和超调量，提高响应速度，控制输出平稳且精确，使压电陶瓷物镜驱动器的快速、精确、稳定控制成为可能。本发明通过以下技术方案实现上述目的:一种压电陶瓷物镜驱动器的控制方法，包括如下步骤:( I)在离线状态下，预先进行遗传算法初始參数优化，首先对比例积分微分PID控制器的三个初始參数Kptl、Kitl和Kdtl用10位ニ进制码表示，按參数Kptl、Kitl和Kdtl串接的编码顺序组成个体，再以时间乘绝对误差积分ITAE作为性能评价指标来确定适应度函数，然后设置遗传算法中样本个数Size=30，交叉概率Pc=0.80，变异概率Pm=0.10-[1:1: Size]*0.01/Size,经100代进化，最终获得优化初始參数Kp(l、Ki0和Kdtl,并输出到模糊控制器，(2)在在线控制状态下，由当前设定控制量r与压电陶瓷物镜驱动器的实际输出量1，计算出控制误差e和误差变化率ec，输出到模糊控制器和比例积分微分PID控制器中，进行在线反馈实时调整，模糊控制器以控制误差e和误差变化率ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表对參数进行实时调整，输出參数调整量A Kp、A Ki和A Kd到比例积分微分PID控制器，(3)比例积分微分PID控制器，根据控制误差e和误差变化率ec与參数调整量A Kp、A Ki和A Kd，通过数字増量式比例积分微分PID控制算法计算得到输出控制量，控制压电陶瓷物镜驱动器进行微步进定位，(4)毎次精确定位结束后，按控制需求，重复步骤(2)和(3)进行下一次定位控制，直至达到控制需求，驱动器控制结束。所述遗传算法初始參数优化为离线状态下完成，不參与在线调整。所述模糊控制器为两输入三输出的结构形式，以系统误差e和误差变化率ec作为输入语言变量，以A Kp、A Ki和A Kd作为输出语言变量，并将它们分为7个论域为[-3，3]的模糊子集，隶属函数均采用三角形、非均匀分级法及全交迭形式。所述微步进定位为纳米级，步进为lOOnm，精度为0.1%，单步响应时间为0.7s。所述驱动器为以压电陶瓷材料制成的致动器，驱动对象为光学显微镜物镜。本发明方法的突出效果在于:在离线状态下，预先进行遗传算法初始參数优化，不占用在线调整时间，优化后初始參数使得控制的过程中输出超调量几乎为零，且在线调整时间及调整次数减小，缩短驱动器单次定位时间，提高了响应速度。在线控制中模糊控制器选取两输入三输出形式，兼顾了复杂度和精度，使得压电陶瓷物镜驱动器具有良好的动态性能和静态性能，在一定程度上消除了数字増量式比例积分微分PID控制算法的静态误差，加上数字増量式比例积分微分PID控制算法计算量小易于实现的优点使得在线调整快速而驱动器位移输出平稳且精确。在实验中设定压电陶瓷物镜驱动器的输出定位位移为IOOnm时,输出稳定时间为
0.07s,响应速度快，控制驱动器的定位位移稳定在0.1OOum处，精度为0.1%。
四
图1为整个压电陶瓷物镜驱动器控制方法的控制结构方框图，其将PID控制器的初始參数分离出来置于离线状态下进行全局优化。图2为在线调整PID控制器初始參数控制方法的控制结构方框图，其将PID控制器的初始參数置于在线控制中进行调整。图3为整个压电陶瓷物镜驱动器控制系统总体框图，其中虚线框内为本发明所述的压电陶瓷物镜驱动器控制方法所处部分。图4为本发明控制方法中压电陶瓷物镜驱动器的时间-位移响应曲线。
五具体实施例方式以下通过附图和实例对本发明所述的压电陶瓷物镜驱动器的控制方法作进ー步的详细描述。如图1所示，本发明所述的压电陶瓷物镜驱动器的控制方法，包括如下步骤:( I)在离线状态下，预先进行遗传算法初始參数优化，首先对比例积分微分PID控制器的三个初始參数Kptl、Kitl和Kdtl用10位ニ进制码表示，按參数Kptl、Kitl和Kdtl串接的编码顺序组成个体，再以时间乘绝对误差积分ITAE作为性能评价指标来确定适应度函数，然后设置遗传算法中样本个数Size=30，交叉概率Pc=0.80，变异概率Pm=0.10-[1:1: Size]*0.01/Size,经100代进化，最终获得优化初始參数Kp(l、Ki0和Kdtl,并输出到模糊控制器，(2)在在线控制状态下，由当前设定控制量r与压电陶瓷物镜驱动器的实际输出量y，计算出控制误差e和误差变化率ec，输出到模糊控制器和比例积分微分PID控制器中，进行在线反馈实时调整，模糊控制器以控制误差e和误差变化率ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表对參数进行实时调整，输出參数调整量A Kp、A Ki和A Kd到比例积分微分PID控制器，(3)比例积分微分PID控制器，根据控制误差e和误差变化率ec与參数调整量A Kp、A Ki和A Kd，通过数字増量式比例积分微分PID控制算法计算得到输出控制量，控制压电陶瓷物镜驱动器进行微步进定位，(4)毎次精确定位结束后，按控制需求，重复步骤(2)和(3)进行下一次定位控制，直至达到控制需求，驱动器控制结束。如图2所示，在线调整比例积分微分PID控制器初始參数控制方法中，将初始參数调整调整器置于在线实时控制中，在控制过程中结合模糊控制器和比例积分微分PID控制器对初始參数进行在线优化调整，以使压电陶瓷物镜驱动器能达到预期的控制效果。该控制方式，需要对初始參数进行多次优化调整，调整次数多，所消耗时间长且精度不高。实施例1如图3所示，压电陶瓷物镜驱动器控制系统主要由单片机系统、比例积分微分PID控制器、A/D与D/A转换、驱动电源、压电陶瓷物镜驱动器和微位移传感器等部分組成。所述的压电陶瓷物镜驱动器控制方法处于比例积分微分PID控制器部分。所述的压电陶瓷物镜驱动器控制方法在压电陶瓷物镜驱动器控制系统，具体实施如下:在单片机系统中设定控制系统的输出定位位移值，将其作为本发明方法中的比例积分微分PID控制器的输入，比例积分微分PID控制器的输出连接D/A转换器输入，将控制量由数字量转换成模拟量，D/A转换器输出连接驱动电源输入，进ー步将控制量转换成可直接控制压电陶瓷物镜驱动器的相对应电压量，驱动电源输出电压0-150V连接压电陶瓷物镜驱动器，对压电陶瓷物镜驱动器进行O-1OOum驱动定位，利用微位移传感器对压电陶瓷物镜驱动器进步微位移測量，采集压电陶瓷物镜驱动器的实时位移，再利用信号转换器，将位移量转换成电压量，信号转换器输出连接A/D转换器输入，将电压量转换成单片机可处理的相对应数字量，A/D转换器输出连接单片机系统输入，利用反馈回来的位移值与设定的输出定位位移值之间的误差量对驱动器位移进行实时控制调整，重新调整输出定位位移。在离线状态下，预先进行遗传算法初始參数优化，得到优化初始參数配置于比例积分微分PID控制器中。微位移传感器实时输出数据，单片机系统周期性控制A/D转换器转换并读回该数据，根据初始控制量和当前读回实际输出量，计算出控制误差e和误差变化率ec，输出到比例积分微分PID控制器中，进行在线反馈实时调整输出控制量，控制压电陶瓷物镜驱动器进行微步进定位，依此循环，直至达到控制要求。如图4所示，该图为利用本发明控制方法所得到的压电陶瓷物镜驱动器时间-位移响应输出曲线图。由压电陶瓷物镜驱动器对光学显微镜物镜从Oum驱动定位到0.1um处进行实验所获得。从图中可以看出，压电陶瓷物镜驱动器的输出稳定且精确，稳定时间为0.07s，响应速度快，实验持续到0.5s，控制驱动器的定位位移稳定在0.1OOum处，精度为0.1%。并且控制过程中输出不需进行多次振荡调整，直接驱动物镜逐渐逼近目标位移，几乎无超调量，实现快速精确地控制压电陶瓷物镜驱动器。
本发明提供的压电陶瓷物镜驱动器控制方法在离线状态下预先采用遗传算法初始參数优化对比例积分微分PID控制器的初始參数进行全局优化，并将经优化后的优化初始參数配置于模糊控制器中，再通过比例积分微分PID控制器对控制器參数进行在线实时调整，对压电陶瓷物镜驱动器进行在线反馈实时控制，控制驱动器进行微步进定位。整个过程可实现对压电陶瓷物镜驱动器精密控制，超调量小，稳定性好，响应速度快，满足压电陶瓷物镜驱动器驱动的需要。
权利要求
1.一种压电陶瓷物镜驱动器的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: (1)在离线状态下，预先进行遗传算法初始参数优化，首先对比例积分微分PID控制器的三个初始参数Kptl、Kitl和Kdtl用10位二进制码表示，按参数Kptl、Kitl和Kdtl串接的编码顺序组成个体，再以时间乘绝对误差积分ITAE作为性能评价指标来确定适应度函数，然后设置遗传算法中样本个数Size=30,交叉概率Pc=0.80,变异概率Pm=0.10-[1:1: Size] *0.01/Size,经100代进化，最终获得优化初始参数Kp(l、Ki0和Kdtl,并输出到模糊控制器， (2)在在线控制状态下，由当前设定控制量r与压电陶瓷物镜驱动器的实际输出量1，计算出控制误差e和误差变化率ec，输出到模糊控制器和比例积分微分PID控制器中，进行在线反馈实时调整，模糊控制器以控制误差e和误差变化率ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表对参数进行实时调整，输出参数调整量Λ Κρ、Λ Ki和Λ Kd到比例积分微分PID控制器， (3)比例积分微分PID控制器，根据控制误差e和误差变化率ec与参数调整量ΛΚρ、Δ Ki和Λ Kd，通过数字增量式比例积分微分PID控制算法计算得到输出控制量，控制压电陶瓷物镜驱动器进行微步进定位， (4 )每次精确定位结束后，按控制需求，重复步骤(2 )和(3 )进行下一次定位控制，直至达到控制需求，驱动器控制结束。
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷物镜驱动器控制方法，其特征在于，所述遗传算法初始参数优化为离线状态下完成，不参与在线调整。
3.根据权利要求1所述的压电陶瓷物镜驱动器控制方法，其特征在于，所述模糊控制器为两输入三输出的结构形式，以系统误差e和误差变化率ec作为输入语言变量，以Λ Κρ、Δ Ki和Λ Kd作为输出语言变量，并将它们分为7个论域为[-3，3]的模糊子集，隶属函数均采用三角形、非均匀分级法及全交迭形式。
4.根据权利要求1所述的压电陶瓷物镜驱动器控制方法，其特征在于，所述微步进定位为纳米级，步进为lOOnm，精度为0.1%，单步响应时间为0.7s。
5.根据权利要求1所述的压电陶瓷物镜驱动器控制方法，其特征在于，所述驱动器为以压电陶瓷材料制成的致动器，驱动对象为光学显微镜物镜。
全文摘要
一种压电陶瓷物镜驱动器的控制方法，包括如下步骤将比例积分微分PID控制器初始参数的优化从在线调整中分离出来，经优化后的初始参数配置于在线控制算法中，对压电陶瓷物镜驱动器进行快速精确控制。在离线状态下，预先采用遗传算法完成比例积分微分PID控制器初始参数的全局优化，并将经优化后获取的优化初始参数配置于在线模糊比例积分微分PID控制中，进行在线反馈实时控制，控制压电陶瓷物镜驱动器进行微步进定位。该控制方法能够实现对压电陶瓷物镜驱动器高精度控制，输出超调量小，稳定性好，响应速度快。
文档编号G05B13/02GK103116276SQ20131006716
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月4日 优先权日2013年3月4日
发明者陈华, 董钊明, 林广升, 聂雄 申请人:广西大学