曹淑瑛[1]2004年在《超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型与控制技术》文中提出超磁致伸缩致动器具有应变大、推进力大、快速响应、纳米分辨率等优点，在超精密定位、机器人、减震控制等领域有着广阔的应用前景。然而，超磁致伸缩致动器的外加磁场与输出位移及力存在着显着的磁滞非线性现象，这给其应用带来很大困难。本文选择了“超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型与控制技术”这一既具有科学价值又具有工程实际意义的课题，以期实现致动器的控制及使用。 本论文首先对超磁致伸缩材料及其应用现状作了介绍，集中对致动器的模型和控制技术作了全面深入的分析，对神经网络控制的现状和应用前景进行了概述。 随后，基于Jiles-Atherton磁化强度模型、二次畴转模型、非线性压磁方程和致动器结构动力学原理，建立了致动器的磁滞非线性动态模型。应用该模型对致动器的输出应变和力进行计算，计算结果与实验结果符合较好，验证了模型的正确性和实用性。 提出了混合编码遗传算法和信赖域算法相结合的两种混合遗传算法：HGA1和HGA2。就混合遗传算法的关键技术和实现过程做了详细的研究，并将其应用于致动器磁滞动态模型的参数辨识中。仿真和实验研究表明，HGA2性能明显优于HGA1，其能以较快的速度、非常大的概率求得辨识值，并具有一定的抗噪能力。 为了达到纳米分辨率，提出了基于TMS320C31 DSP的致动器位移闭环控制系统。对控制系统的硬件进行了研究，包括TMS320C31控制板，数控恒流源和位移数据采集通道。设计并编写了控制系统软件，实现了致动器系统的自动测试。 设计了一种单参数模糊自整定PID控制系统，并对该控制系统进行了仿真研究。在此基础上，应用单参数模糊自整定法对致动器系统的PID控制器参数进行了整定，编写了PID控制算法软件，实现了系统的微位移自动控制。数字仿真和实验结果证实了该单参数模糊自整定法的有效性和实用性。同时，实验结果和理论分析表明基于TMS320C31 DSP的致动器闭环控制系统具有稳定性好、抗干扰性高的特点，在40μm的量程范围内能达到40nm的分辨率。 由于内在的磁滞非线性，超磁致伸缩致动器总会在开环系统中引起定位误差，在复杂的跟踪问题中造成闭环系统不稳定。为了克服这个问题，根据致动器的磁滞非线性特性，设计了一个动态递归神经网络DRNN，并构造了一种“DRNN前馈+PID反馈”控制方案。仿真研究表明这种控制方案可以在很短的时问内，在线学习建立起致动器磁滞非线性逆模型，消除致动器磁滞非线性的影响，使系统输出较好地跟踪参考输入。
李永[2]2013年在《超磁致伸缩致动器驱动系统关键技术研究》文中指出超磁致伸缩材料具有应变大、输出力大、功率密度高、响应速度快和可靠性高等优点,基于超磁致伸缩材料研制的致动器在精密加工、精密定位、主动振动控制、机器人以及微型机电系统等领域显示出良好的应用前景。但是,超磁致伸缩材料本身所固有的磁滞回特性使得致动器存在强烈的非线性特性,这使得致动器难以精确控制,限制了超磁致伸缩致动器的发展和应用。如何解决超磁致伸缩致动器系统的非线性问题,进一步提高致动器系统的输出精度,已成为当前研究的热点。超磁致伸缩致动器驱动系统既是驱动超磁致伸缩材料完成伸缩动作的功率源,又是实时控制伸缩量大小的控制器,是超磁致伸缩致动器系统的核心,驱动系统的性能对致动器的系统输出具有重要影响。基于此,本文深入分析了超磁致伸缩致动器驱动系统的研究现状,指出了驱动系统在功率驱动、系统建模和控制策略等方面存在的不足,在深入研究超磁致伸缩致动器功率驱动、系统建模及非线性控制的基础上,将功率驱动技术、非线性动态模型的建立及其线性化、高阶模型的降阶以及系统辨识应用于超磁致伸缩致动器驱动装置,研制了一套超磁致伸缩致动器驱动系统。并采用广义预测控制策略实现了对系统输出的精确跟踪,提高了致动器宽范围输入下的控制精度。主要研究内容如下：1、分析了超磁致伸缩致动器的工作原理,在考虑超磁致伸缩致动器电-磁-机耦合特性的基础上基于分层建模原理建立了超磁致伸缩致动器非线性动态模型：采用多项式拟合超磁致伸缩材料的磁化强度与电流的非线性关系,建立了磁滞模型,该模型区别于以往Preisach模型、Jile-AthetOn模型或自由能迟滞模型,使非线性曲线更加平滑、减少噪声影响、减小运算时间,以达到快速、实时控制的目的；对含有非线性弹性材料一—超磁致伸缩材料的致动器机构采用带耗散力的拉格朗日方程对该机构的Terfenol-D棒和广义负载进行动力学特性分析,建立超磁致伸缩致动器的结构动力学模型。2、分析了磁致伸缩致动器非线性动态模型,获得了各个子模块间的关系,在此基础上对该非线性模型进行了线性化并采用平衡实现理论对该高阶线性模型进行降阶：根据分层建模原理依据各子模块的特性将模块重新排序,采用纯时滞环节代替磁化滞回模块的非线性环节,结合功率驱动模块、线圈磁场模块、磁场驱动模块和结构动力学模块组成线性环节,实现磁致伸缩致动器非线性模型到线性模型的转换；利用平衡实现理论对磁致伸缩致动器系统线性模型进行降阶研究,提出了磁致伸缩致动器系统线性模型平衡实现算法,分析了平衡截断和平衡残差两种降阶方法的各降阶系统的误差,说明了磁致伸缩致动器系统模型降为二阶模型的合理性。3、根据超磁致伸缩致动器驱动系统广义预测控制的需求,对超磁致伸缩致动器驱动系统模型的参数进行在线辨识研究：确定了超磁致伸缩致动器驱动系统中功率驱动器、致动器机械结构以及致动器磁滞非线性等影响因素的参数作为辨识对象,提出了基于遗忘因子递推最小二乘法的超磁致伸缩致动器系统参数的在线辨识策略,建立了超磁致伸缩致动器系统的离散辨识参数模型,并依据遗忘因子递推最小二乘法理论对超磁致伸缩致动器系统进行在线参数辨识。4、针对超磁致伸缩致动器驱动系统的精确控制问题,采用了广义预测控制策略对超磁致伸缩致动器系统进行跟踪控制：研究了广义预测控制理论中多步预测、滚动优化和反馈校正的控制策略,应用Diophantine方程推导了广义预测控制的最优输出预测,通过求解其目标函数得到了广义预测控制的控制律,并分析了广义预测控制算法参数的选择策略；仿真分析了不同设定信号下,设定值与输出值的仿真曲线、误差曲线及控制电压曲线,验证了基于广义预测控制算法的超磁致伸缩致动器控制器设计的合理性。5、研制了超磁致伸缩致动器驱动系统原型机,详细介绍超磁致伸缩致动器驱动系统的设计开发和性能测试过程,验证了本文提出的超磁致伸缩致动器驱动系统的可行性和有效性：(1)利用傅里叶级数理论分析了半桥斩波逆变电路输出电压谐波的频谱分布,比较了LC滤波器和LCCR滤波器的特性,指出LC滤波器存在的不足,提出采用LCCR滤波器的方案,推导了带感性负载条件下的LCCR滤波器参数设计公式；(2)基于半桥斩波逆变电路设计了超磁致伸缩致动器功率驱动器,采用I2控制方法,提高了系统的稳定性和响应速度；设计了超磁致伸缩致动器驱动系统的硬件平台,开发了超磁致伸缩致动器非线性系统广义预测控制算法库,并设计了控制器端图形化用户应用程序用于超磁致伸缩致动器驱动系统的控制和调试。实验验证了所设计的超磁致伸缩致动器驱动系统装置的可行性和有效性。本研究的成功实施为超磁致伸缩致动器非线性控制提供了一条新的有效的途径,为解决超磁致伸缩致动器精密控制中存在的关键技术问题提供了一个解决方案。
孙英[3]2007年在《超磁致伸缩致动器的神经网络控制与动态模型及实验研究》文中进行了进一步梳理超磁致伸缩致动器具有应变大、推进力大、快速响应、纳米分辨率等优点,在超精密定位、机器人、减振控制等领域有着广阔的应用前景。然而,超磁致伸缩致动器的外加磁场与输出位移存在着显着的磁滞非线性现象,这给其应用带来很大困难。本文选择了“超磁致伸缩致动器的神经网络控制与动态模型及实验研究”这一既具有科学价值又具有工程实际意义的课题,以期实现致动器的精密控制及广泛使用。本文的主要工作如下:1.将RBF神经网络、DRNN神经网络和模糊RBF神经网络应用于超磁致伸缩致动器的动力学特性辨识中,比较仿真结果可以看到,模糊RBF神经网络的辨识能力较强,辨识效果较好,调整参数较少。2.在不同频率、不同幅值输入信号下,超磁致伸缩致动器的磁滞非线性非常不同,为此构建了在线磁滞补偿控制器,采用反馈误差法神经网络监督控制对超磁致伸缩致动器磁滞非线性进行补偿。在该方法中分别采用了DRNN、RBF和模糊RBF叁种神经网络作控制器,仿真结果显示,采用DRNN神经网络时补偿性能较好。3.构建了带有非线性预测模型神经网络自适应PID控制,利用辨识效果较好的模糊RBF神经网络对被控对象进行非线性模型预测,利用BP神经网络对PID控制器的参数进行整定优化,将参数优化的PID作为反馈控制器,来补偿神经网络的映射误差并抑制扰动,以提高位移控制性能。由仿真结果可以看到,带有非线性预测模型的前馈补偿PID控制消除了致动器磁滞非线性的影响,控制效果较好。所提控制策略不需要知道超磁致伸缩致动器的数学模型,能实时跟随超磁致伸缩致动器动态特性的变化,对参考输入的变化具有很强的适应性,易于工程实现。4.通过分析致动器的Terfenol-D棒、弹簧和输出顶杆的机械阻抗,基于压磁方程和振动理论,建立了致动器的动态线性模型,计算了致动器输出位移随时间的变化关系。驱动磁场频率在0-200Hz范围内,计算结果可以较好地描述致动器在有偏置磁场和无偏置磁场条件下的输出位移特性。驱动磁场频率在200-2200Hz范围内,建立的动态模型可以基本描述致动器在无偏置磁场条件下驱动磁场不同频率时输出位移随时间的变化关系。所建立的模型对于超磁致伸缩致动器的设计、优化与控制具有较大的指导作用。5.利用所研制的致动器,在有偏置磁场和无偏置磁场情况下,对致动器的动态输出位移特性进行了实验研究。研究发现驱动磁场频率在200Hz以下时,在相同的电流幅值时,致动器的输出位移幅值随着电流频率的增加而减小。当驱动磁场频率小于200Hz时,有偏置磁场时致动器的输出位移与输入电流之间无倍频现象,无偏置磁场时有倍频现象。当驱动磁场频率800Hz以上时,实验发现有偏置磁场和无偏置磁场对致动器的输出位移幅值影响较小,并且发现致动器的输出位移均存在倍频的新现象。通过实验,揭示了超磁致伸缩致动器在频率域的输入输出特性,为致动器的优化与应用奠定了基础。
董桉吉[4]2013年在《超磁致伸缩致动器的先进PID控制研究》文中进行了进一步梳理超磁致伸缩材料（GMM）具有输出力大、应变大、功率密度高、响应速度快和温度范围宽等突出优点，是制作微位移致动器的良好材料，利用GMM制作的超磁致伸缩致动器（GMA）在精密定位领域呈现出良好的应用前景。致动器系统的响应速度、精密定位以及抗干扰能力是重要的性能指标。传统的PID控制需要进行大量实验，而且较难能整定PID参数，对于复杂的致动器系统难以达到理想的控制效果。为了能有效地控制系统，提出了模糊自适应整定PID控制和基于RBF神经网络整定PID控制策略，并且对两种先进PID控制作了对比分析。对超磁致伸缩致动器的智能控制研究是具有重要的现实与理论意义。论文较为详尽地对超磁致伸缩材料的发展状况及其优越性能、超磁致伸缩致动器的应用控制进行了介绍分析，经过对超磁致伸缩材料的磁滞模型进行比较、筛选，选用Jiles-Atherton模型作为致动器的磁滞性的描述，并根据致动器的工作原理对其进行物理模型抽象，建立了致动器的磁滞动态模型。由磁滞动态模型推导出了在低驱动磁场作用下的线性模型，并将其作为致动器系统的数学模型。设计了模糊自适应PID控制器，根据给定输入与实际输出的偏差和偏差变化率作为模糊控制的输入，经过模糊推理来在线整定PID叁个参数值；设计了基于RBF神经网络整定PID控制器，对RBF神经网络的参数进行试凑，整定PID控制器的叁个参数值；从响应速度、精密定位以及抗干扰能力等方面对两种整定PID控制方式进行了仿真实验，并且进行了对比分析。仿真结果表明，对于PID参数的整定，参数试凑整定法要比模糊规则推理效果好，RBF神经网络整定PID控制策略能较好地控制致动器系统。
王博文, 曹淑瑛, 黄文美, 孙英[5]2013年在《超磁致伸缩致动器的数学模型和控制技术》文中指出采用超磁致伸缩材料Terfenol-D可以研制出推进力大、量程大、纳米级分辨率的超磁致伸缩致动器,在超精密加工、精密定位、机器人以及微型机电系统等领域有着广阔的应用前景.本文对超磁致伸缩材料的磁化机理、超磁致伸缩致动器的非线性模型、控制技术及精密位移控制系统作了较为详细的评述,并指出了超磁致伸缩致动器的模型与控制技术的发展趋势.
王汉玉[6]2017年在《超磁致伸缩致动器热特性分析及热形变补偿方法研究》文中进行了进一步梳理超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)是一种新型磁控功能材料,可实现电磁能和机械能的双向转换。以GMM为核心元件的超磁致伸缩致动器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA),具有驱动位移精度高、响应快、结构简单等优异特性。在精密和超精密加工、主动振动控制、流体机械等工程领域具有广阔的应用前景。然而,由于GMM固有的磁滞特性、涡流特性引起的温度变化严重影响着GMA的输出精度,并降低其工作性能,限制了其在精密、超精密驱动设备领域的发展。本文以提高GMA工作精度、拓展其在精密与超精密加工领域的应用为研究目标,对GMM的涡流损耗特性、非线性本构行为以及GMA的温度特性、热补偿控制方法和非线性多场动态耦合本构模型展开了系统研究,研制了具有热补偿功能的GMA。针对时变磁场下GMM的涡流损耗问题,基于麦克斯韦电磁方程及涡流效应,建立了考虑涡流效应及径向磁场分布不均的GMM古典涡流损耗数学模;基于微观磁学理论、MO(Magnetic Object)概念研究了GMM超涡流损耗,并建立了考虑应力影响的超涡流损耗数学模型。利用热力学理论和能量守恒定律,建立在磁场、应力与温度共同耦合作用下,包含磁滞及涡流损失的GMM非线性本构耦合磁滞模型;再以动量定理为基础,建立了精密微位移GMA的非线性多场耦合动态模型研究。采用有限元分析法对GMA内部磁场及温度分布规律进行分析,研究GMA热变形补偿控制方法,设计了具有热补偿功能的GMA。搭建GMA性能测试系统,对其进行补偿结构、动静态下位移输出特性、温度特性、压力特性实验研究。实验结果表明,3A直流激励下连续工作120mins GMA的温度可达到87.4℃;动态激励下150Hz为GMA内部两种热源分界点;补偿结构在中低温(小于45℃)补偿效果较好;GMA的最佳预紧力为18MPa。静态激励下GMA的位移输出与激励电流间存在磁滞特性,激励电流4A、2A时GMA的输出位移分别为81.6μm、54.1μm;2A交流条件下,GMA的最佳工作频率为500Hz。研究结果对GMA的温度控制及其热致变形提供一种有效的新方法,同时对提高GMA的工作精度、推进其在精密与超精密加工领域的进一步应用具有重要意义。
胡爱娣[7]2007年在《超磁致伸缩致动器的输出特性模型与虚拟测试技术研究》文中研究表明超磁致伸缩致动器具有大位移、强力、响应快、可靠性高、漂移量小、驱动电压低等优点,因而在超精密加工、微马达、振动控制以及流体机械等工程领域均显示输出良好的应用前景,是一种很有潜力的新型智能驱动元件。由于缺少合适的建模工具,致动器的设计一直基于经典的工程方法:需要样机和测试,严重影响了其应用。此外,实验条件的落后已成为影响超磁致伸缩致动器应用研究的重要因素之一。对于超磁致伸缩致动器的实验研究方面,国内外大都采用传统的实验思路,使用多种专用的测试仪器,不仅成本高,而且功能不易扩展。因此开展致动器的模型及测试技术工作,具有很好的应用价值。本论文首先介绍了致动器的分类,以及超磁致伸缩材料的特点和超磁致伸缩致动器的应用,集中对致动器的模型以及虚拟仪器技术做了分析。随后,基于Jiles-Atherton磁化强度模型、二次畴转模型、非线性压磁方程和致动器的应变模型,建立了致动器的非线性静态模型。应用集总参数法,基于第叁类压磁方程建立了致动器的线性动态模型,应用该模型,对致动器的输出阶跃响应和频率响应进行了研究。应用实验室的传统仪器对致动器的静态和动态输出特性进行了研究。采用了应变法、微位移传感器法和千分表法测试了致动器的输出位移特性;研究了不同频率的驱动电流对致动器的输出应变的变化。研制了致动器输出特性虚拟测试系统。设计并制作了即插即用快速PCI数据采集卡;应用VC++与MATLAB混合编程的方法开发了测试系统的软件,把MATLAB在数值计算、算法设计以及数据可视化等领域的优势与VC++应用系统集成,提高了系统处理的效率和稳定性,缩短了软件开发的周期。对致动器输出特性虚拟测试系统进行联合调试,对其测试结果进行分析,并与传统仪器的测试结果进行了比较。本系统运行稳定可靠,基本达到预期目标。
张成明[8]2013年在《超磁致伸缩致动器的电—磁—热基础理论研究与应用》文中研究表明超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material-简称GMM）是一种具有双向可逆能量转换特性的智能材料。基于超磁致伸缩材料的致动器（GiantMagnetostrictive Actuator-简称GMA）相比传统结构型致动器，具有高精度、高速度、高可靠等特点。在精密运动控制、主动减振、精密流体控制等技术领域具有广阔的应用前景。本文以基于超磁致伸缩材料的致动器为研究对象，对超磁致伸缩材料基本电磁参数耦合规律、等效电路模型以及超磁致伸缩致动器的高均匀驱动磁场设计方法和动态损耗理论进行了研究。研制了不同结构的致动器原理样机，搭建了综合实验平台。研制了超磁致伸缩流量控制阀门（GiantMagnetostrictive Valve-简称GMV）并进行了试验测试。研究成果对超磁致伸缩材料致动器的设计和应用具有普遍指导意义，研制的超磁致伸缩阀门微流量控制领域具有现实应用价值。以磁致伸缩材料的线性压磁方程为出发点，基于自由能极小原理和磁畴偏转理论，推导了简化的超磁致伸缩材料应力-应变线性关系数学方程，直观表达出材料的电磁参数与输入激励之间的耦合规律，并定性地进行了试验分析验证。建立了超磁致伸缩材料的集总参数等效电路模型闭合磁回路下GMA等效电路模型，直观的表达了材料工作过程中宏观位移输出与外电路激励参数之间的耦合规律。在分析总结超磁致伸缩材料致动器磁路结构特点的基础上，利用等效磁路法对不同磁路结构螺线管线圈的驱动磁场变化规律进行了研究分析，得到了螺线管几何尺寸和磁路结构对驱动磁场均匀性和驱动效率的影响制约关系。研究结果表明：闭合磁路结构下，驱动线圈与磁致伸缩材料棒轴向长度一致时，材料棒的轴向磁场分布均匀性最好。导磁块的接触面直径对材料棒端部径向磁场分布规律影响最大。采用分段电流驱动的方式可以有效的改善材料棒轴向磁场均匀性，但是实现起来较困难。结合超磁致伸缩材料致动器的等效电路模型，推导了致动器电感参数的解析表达式。考虑磁致伸缩材料工作过程中磁导率变化特性，利用有限元方法分析了GMA电感参数的变化规律。进一步建立完善了GMA高均匀性驱动磁场和稳定电磁参数的优化设计准则。针对超磁致伸缩致动器中的基础热问题展开研究。基于磁畴偏转理论建立完善了超磁致伸缩材料磁化曲线的数值计算方法。对超磁致伸缩材料动态励磁条件下的磁场建立过程和损耗进行了分析计算，明确了超磁致伸缩致动器动态励磁下的各种损耗分配规律并进行仿真计算和分析。在此基础上，研究总结了超磁致伸缩致动器中的热传递、热平衡以及温升特性规律。研究结果表明：超磁致伸缩致动器的驱动频率将影响材料中的磁能损耗，导致超磁致伸缩致动器内部温度分布规律发生改变。低频下，磁致伸缩材料棒的端部温度高于中间位置；而高频下，材料棒中间位置的温度高于端部温度。最后，研制了基于超磁致伸缩材料的致动器。设计了专用驱动电流源，构建了GMA综合测试平台。针对GMA静态、动态位移输出特性进行了试验测试分析。结果表明GMA的动态响应取决于驱动电流源的响应时间，由于动态磁滞和涡流效应的影响，随着驱动电流频率的增加，GMA输出位移略有降低。研制了两种采用不同形状GMM棒的超磁致伸缩阀门。测试结果表明在稳态流量相同的情况下，具有位移放大机构的GMV较传统电磁阀的响应时间提高了近15倍；内部冷却型GMV单次开关的流量仅为0.0099g/s，结合PWM控制技术，非常适合在高压、高速、高精度的流量控制系统中应用。
段玉兵, 李庆民, 吴明雷, 娄杰, 吕婷婷[9]2007年在《磁致功能材料在新型电工执行机构中的应用研究进展》文中进行了进一步梳理利用超磁致伸缩材料和形状记忆合金等新型功能材料制成的电工执行机构,具有响应速度快、机电转换效率高和易于控制等优良特性。针对超磁致伸缩材料和磁性形状记忆合金,本文详细介绍并比较了两种功能材料的重要特性及其应用范围;对新型电工执行机构的研究进展进行了总结,指出材料磁滞非线性的动态建模、致动器物理结构和控制系统的优化设计等,是新型电工执行机构研究的热点和难点;文中还展望了高性能电工执行机构在高压电力系统的潜在应用价值。
翁玲, 王博文, 孙英, 黄文美[10]2005年在《超磁致伸缩致动器动态特性分析与实验研究》文中进行了进一步梳理基于超磁致伸缩材料磁滞非线性,结合其致动器结构,推导了致动器的动态应变模型.为了验证模型的准确性,进行了致动器动态特性测试,测试结果和理论仿真结果基本一致,为致动器的实际使用打下了基础.
参考文献：
[1]. 超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型与控制技术[D]. 曹淑瑛. 河北工业大学. 2004
[2]. 超磁致伸缩致动器驱动系统关键技术研究[D]. 李永. 山东大学. 2013
[3]. 超磁致伸缩致动器的神经网络控制与动态模型及实验研究[D]. 孙英. 河北工业大学. 2007
[4]. 超磁致伸缩致动器的先进PID控制研究[D]. 董桉吉. 沈阳工业大学. 2013
[5]. 超磁致伸缩致动器的数学模型和控制技术[J]. 王博文, 曹淑瑛, 黄文美, 孙英. 河北工业大学学报. 2013
[6]. 超磁致伸缩致动器热特性分析及热形变补偿方法研究[D]. 王汉玉. 沈阳工业大学. 2017
[7]. 超磁致伸缩致动器的输出特性模型与虚拟测试技术研究[D]. 胡爱娣. 河北工业大学. 2007
[8]. 超磁致伸缩致动器的电—磁—热基础理论研究与应用[D]. 张成明. 哈尔滨工业大学. 2013
[9]. 磁致功能材料在新型电工执行机构中的应用研究进展[J]. 段玉兵, 李庆民, 吴明雷, 娄杰, 吕婷婷. 电气应用. 2007
[10]. 超磁致伸缩致动器动态特性分析与实验研究[J]. 翁玲, 王博文, 孙英, 黄文美. 河北工业大学学报. 2005
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