Modellierung und Steuerung von Aktoren auf der Grundlage intelligenter Materialien und deren Anwendungen

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Ultrapräzisionsgeräten aufgrund der rasanten Entwicklung in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Optik, Telekommunikation usw. immer weiter gestiegen. Eine praktische Lösung zur Erreichung von Ultrapräzisionsgeräten ist die Integration von Piezoaktoren und -sensoren in die Struktur und die Entwicklung einer Methodik zur Kontrolle der Genauigkeit des Geräts. Piezomaterialien gehören zu einer Klasse so genannter intelligenter Materialien, die in der Lage sind, ihre physikalischen Eigenschaften, z. B. ihre Form, als Reaktion auf einen von außen angelegten Reiz zu ändern. Im Vergleich zu herkömmlichen Elektromotoren haben die auf intelligenten Materialien basierenden Aktoren den Vorteil, dass sie leicht, geräuscharm, stromsparend und sehr zuverlässig sind. Daher werden sie häufig in Anwendungen für Mikro-/Nano-Roboter, Mikromanipulation und Mikro-/Nano-Positioniersysteme eingesetzt. Ihre Eigenschaften (Nichtlinearität, schlecht gedämpfte Vibrationen usw.) erfordern jedoch den Einsatz fortschrittlicher Steuerungstechniken. Zusätzlich zu diesen Eigenschaften macht die Besonderheit der Arbeit im Mikro-/Nanomaßstab ihre Steuerung noch schwieriger.

Die aktuelle Forschungsarbeit befasst sich mit der Steuerung mehrerer piezoelektrischer Aktoren (PEAs) in einem Fabry-Perot-Spektrometer (FPS). Das FPS kann multispektrale Abbildungen für die Forschung im Bereich der Atmosphärenforschung und der planetarischen Mineralogie liefern, z. B. für die Messung des O2-A-Bandes der Erde, von Aerosol, Oberflächenalbedo und Druck. Das entwickelte FPS verwendet drei PEAs zur spektralen Abstimmung des gewünschten optischen Signaltransmissionsgrads durch Auswahl des Spaltabstands eines abstimmbaren optischen Filters. Die PEAs müssen in Nanometerschritten mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.

Eine Herausforderung, an der wir derzeit an der OVGU arbeiten, ist die Implementierung des inversen Kompensators für das Preisach-Modell im F-P-System. Wenn das Preisach-Modell zur Beschreibung des Hysterese-Effekts verwendet wird, sind mindestens mehr als 10K elementare Relais-Operatoren erforderlich. Der inverse Kompensator wird auf der Grundlage des Modells aufgebaut, das ebenfalls mehr als 10K Relaisoperatoren benötigt. Daher kommt es bei der Implementierung des inversen Kompensators zu Problemen. Um dieses Problem zu lösen, haben wir den Ansatz der Modellordnungsreduktion angewandt, um die Anzahl der Relaisoperatoren im Preisach-Modell zu verringern. In unserer aktuellen Arbeit haben wir erfolgreich 200 Relaisoperatoren verwendet, um den Hystereseeffekt zu beschreiben und gleichzeitig die Modellgenauigkeit zu erhalten. Diese Arbeit wurde in IEEE Transactions on Industrial Electronics veröffentlicht (Impact factor: 7.168). Der nächste Schritt wird die Anwendung des vorgeschlagenen Ansatzes sein, um den inversen Kompensator für die drei PEAs im F-P-System zu konstruieren.

Modeling and control of smart materials-based actuators and their applications

In recent years, as a result of rapid development in the fields of aerospace, optics, telecommunication, etc., demands for ultraprecision devices have been ever-increasing. A practical solution to achieve ultraprecision devices is to integrate piezo actuators and sensors  into the structure and to develope a methodology for control the accuracy of the device. Piezo materials belong to a class of so called smart materials that are capable of changing their physical properties, such as the shape, in response to an externally applied stimulus. In comparison with traditional electric motors, the smart material-based actuators have the advantages of lightness, low noise levels, low power requirements and high reliability. Therefore, they are widely used in applications of micro/nano-robots, micro-manipulation and micro/nano positioning stage. However, their characteristics (nonlinearities, badly damped vibrations, etc.) require the use of advanced control techniques. In addition to these characteristics, the particularity of working at the micro/nano-scale makes their  control even more challenging.

The current research work is control of multiple piezoelectric actuators (PEAs) in Fabry-Perot spectrometer (FPS).  The FPS can provide multispectral mappings for research on atmospheric science and planetary mineralogy, such as measuring the Earth’s O2-A band, aerosol, surface albedo, and pressure. The developed FPS uses three PEAs to provide spectral tuning of the desired optical signal transmittance by selecting the gap spacing of a tuneable optical filter. The PEAs are required to be controlled at nanometer steps with high accuracy.

One challenge we are currently working on at OVGU is the implementation of the inverse compensator for the Preisach model in F-P system. If the Preisach model is utilized to describe the hysteresis effect, it requires at least more than 10K elementary relay operators. The inverse compensator is built based on the model, which also needs more than 10K relay operators. Therefore, it causes the implementation problem when implementing the inverse compensator. To overcome this problem, we applied the model order reduction approach to reduce the number of  the relay operators in the Preisach model. In our current work, we have successfully used 200 relay operators to describe the hysteresis effect and at the same time to preserve the model accuracy. This work has been published in IEEE Transactions on Industrial Electronics (Impact factor: 7.168).  The next step will be applying the proposed approach to construct the inverse compensator for the three PEAs in the F-P system.