超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的系統(tǒng)建模與控制方法研究.pdf

1、超磁致伸縮材料(GMM)作為一種極有發(fā)展前途的智能材料，依靠其大磁致伸縮系數(shù)，高磁機耦合效率，極快的響應(yīng)速度，以及驅(qū)動容易，結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良等顯著的優(yōu)點，在執(zhí)行器領(lǐng)域顯示出極其廣闊的應(yīng)用前景。但 GMM 本身的強非線性，受外部環(huán)境影響，及制成的器件開環(huán)精度低等問題是影響超磁致伸縮材料器件工程應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。本論文以超磁致伸縮微位移執(zhí)行器在精密、超精密領(lǐng)域的應(yīng)用為背景，以超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的系統(tǒng)計算，仿真，建模及控制為主要研究內(nèi)容，旨在揭

2、示 GMM 制成器件本身及受工作條件影響的非線性規(guī)律，建立超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的控制模型，研究執(zhí)行器的精確控制問題。為超磁致伸縮微位移執(zhí)行器在精密超精密領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。 論文針對 GMM 的特性，分析了外部應(yīng)力、磁場、磁機耦合、溫度等因素對超磁致伸縮材料特性的影響。給出了 GMM 執(zhí)行器應(yīng)用中相關(guān)的力學(xué)，磁學(xué)及熱學(xué)系統(tǒng)的解析計算方法，并利用有限元分析方法對實驗室開發(fā)的超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的預(yù)緊機構(gòu)力學(xué)特性、模態(tài)特性及

3、執(zhí)行器永磁磁路和電磁磁路進行了有限元模擬。為超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的分析，建模與控制提供理論基礎(chǔ)。 針對超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的磁特性，從研究 GMM 的磁化過程入手，對超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的動力學(xué)參數(shù)及磁化參數(shù)進行辨識，建立受外部應(yīng)力影響的磁化模型。根據(jù) JILES 等提出的鐵磁磁滯模型和磁機效應(yīng)理論，結(jié)合能量守恒的觀點，經(jīng)過對JILES 模型的推導(dǎo)變換，采用最小二乘辨識方法，提出了一種簡便的辨識磁化參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)的方法。

4、考慮外部壓應(yīng)力對超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的影響，引用均質(zhì)能量場模型和磁機耦合理論，利用磁機耦合理論中求取的平均磁化強度作為均質(zhì)能量場模型中的磁滯算子，并引入應(yīng)力對矯頑場密度函數(shù)及交互場密度函數(shù)的影響，建立了超磁致伸縮微位移執(zhí)行器應(yīng)力耦合磁化模型。并計算了求逆算法與模型的誤差。模型能較好的反應(yīng)系統(tǒng)受應(yīng)力影響的磁化過程。 針對超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的動力學(xué)特性和電學(xué)特性，從研究超磁致伸縮微位移執(zhí)行器系統(tǒng)特性的角度出發(fā)，以動力學(xué)角度和機

5、電能量轉(zhuǎn)換角度分別建立了執(zhí)行器的系統(tǒng)模型。將 GMM 棒作為粘彈性桿連續(xù)系統(tǒng)，將 GMM 棒在磁場驅(qū)動下產(chǎn)生的應(yīng)變等效為磁-機械轉(zhuǎn)換等效力，建立了執(zhí)行器系統(tǒng)的一維波動方程，并采用有限元解法求解。建立的動力學(xué)模型與實驗值吻合的較好。應(yīng)用線性壓磁方程，機電換能方程和阻抗分析理論建立超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的矢量阻抗分析模型。模型中將執(zhí)行器系統(tǒng)的矢量阻抗分為機械導(dǎo)納和電氣阻抗兩部分，在機械導(dǎo)納中引入負(fù)載影響，將壓磁系數(shù)定義為復(fù)常數(shù)，模擬磁滯效應(yīng)

6、；在電氣阻抗中，通過在求解的超磁致伸縮材料內(nèi)部磁場引入渦流影響項來模擬系統(tǒng)的非線性特性；兩部分之和得出超磁致伸縮微位移執(zhí)行器系統(tǒng)的矢量阻抗。從模型計算與實驗結(jié)果比較，模型能夠較好的描述系統(tǒng)電特性。針對超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的軌跡追蹤控制問題，分別建立了應(yīng)用于線性近似系統(tǒng)的 PID 控制律和非線性近似系統(tǒng)的自適應(yīng)離散滑模變結(jié)構(gòu)控制律，并進行了控制策略的仿真研究。利用系統(tǒng)辨識方法建立了線性近似系統(tǒng)，并應(yīng)用 Ziegler-Nichols 方

7、法和SRS(Step Response Speciflcation)模塊分別整定了 PID 控制參數(shù)。利用指數(shù)趨近率，使控制系統(tǒng)的抖振幅度正比于切換函數(shù)，設(shè)計了自適應(yīng)離散滑模變結(jié)構(gòu)控制律，采用模型參考前饋逆補償?shù)姆椒?，?yīng)用均質(zhì)能量場模型和粘彈性分布參數(shù)系統(tǒng)模型模擬磁化過程和動力學(xué)過程，對執(zhí)行器實施離散滑模變結(jié)構(gòu)控制。兩種控制策略都得到了較好的軌跡追蹤仿真結(jié)果。 搭建了 xPC Target 系統(tǒng)的實時控制軟硬件平臺，并應(yīng)用此實驗

8、平臺對 GMM 執(zhí)行器進行了 PID 控制策略和離散滑模變結(jié)構(gòu)控制策略的實時控制實驗。在實時控制實驗中，整定了 PID 控制器參數(shù)和離散滑?？刂破鲄?shù)，測試了兩種控制方法下超磁致伸縮微位移執(zhí)行器對方波信號，正弦信號和混合信號的軌跡追蹤效果，總結(jié)了兩種控制方法各自的優(yōu)缺點。實驗表明，PID 控制器具有較好的方波信號追蹤精度，適用于低成本的靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)的精確定位與進給場合。離散滑模變結(jié)構(gòu)控制的控制精度遠(yuǎn)好于PID控制，適合于高精度的實時控制