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超磁致伸缩微位移执行器的系统建模与控制方法研究

王晓煜  
【摘要】: 超磁致伸缩材料(GMM)作为一种极有发展前途的智能材料,依靠其大磁致伸缩系数,高磁机耦合效率,极快的响应速度,以及驱动容易,结构性能优良等显著的优点,在执行器领域显示出极其广阔的应用前景。但GMM本身的强非线性,受外部环境影响,及制成的器件开环精度低等问题是影响超磁致伸缩材料器件工程应用的技术瓶颈。本论文以超磁致伸缩微位移执行器在精密、超精密领域的应用为背景,以超磁致伸缩微位移执行器的系统计算,仿真,建模及控制为主要研究内容,旨在揭示GMM制成器件本身及受工作条件影响的非线性规律,建立超磁致伸缩微位移执行器的控制模型,研究执行器的精确控制问题。为超磁致伸缩微位移执行器在精密超精密领域的应用提供理论基础。 论文针对GMM的特性,分析了外部应力、磁场、磁机耦合、温度等因素对超磁致伸缩材料特性的影响。给出了GMM执行器应用中相关的力学,磁学及热学系统的解析计算方法,并利用有限元分析方法对实验室开发的超磁致伸缩微位移执行器的预紧机构力学特性、模态特性及执行器永磁磁路和电磁磁路进行了有限元模拟。为超磁致伸缩微位移执行器的分析,建模与控制提供理论基础。 针对超磁致伸缩微位移执行器的磁特性,从研究GMM的磁化过程入手,对超磁致伸缩微位移执行器的动力学参数及磁化参数进行辨识,建立受外部应力影响的磁化模型。根据JILES等提出的铁磁磁滞模型和磁机效应理论,结合能量守恒的观点,经过对JILES模型的推导变换,采用最小二乘辨识方法,提出了一种简便的辨识磁化参数和动力学参数的方法。考虑外部压应力对超磁致伸缩微位移执行器的影响,引用均质能量场模型和磁机耦合理论,利用磁机耦合理论中求取的平均磁化强度作为均质能量场模型中的磁滞算子,并引入应力对矫顽场密度函数及交互场密度函数的影响,建立了超磁致伸缩微位移执行器应力耦合磁化模型。并计算了求逆算法与模型的误差。模型能较好的反应系统受应力影响的磁化过程。 针对超磁致伸缩微位移执行器的动力学特性和电学特性,从研究超磁致伸缩微位移执行器系统特性的角度出发,以动力学角度和机电能量转换角度分别建立了执行器的系统模型。将GMM棒作为粘弹性杆连续系统,将GMM棒在磁场驱动下产生的应变等效为磁-机械转换等效力,建立了执行器系统的一维波动方程,并采用有限元解法求解。建立的动力学模型与实验值吻合的较好。应用线性压磁方程,机电换能方程和阻抗分析理论建立超磁致伸缩微位移执行器的矢量阻抗分析模型。模型中将执行器系统的矢量阻抗分为机械导纳和电气阻抗两部分,在机械导纳中引入负载影响,将压磁系数定义为复常数,模拟磁滞效应;在电气阻抗中,通过在求解的超磁致伸缩材料内部磁场引入涡流影响项来模拟系统的非线性特性;两部分之和得出超磁致伸缩微位移执行器系统的矢量阻抗。从模型计算与实验结果比较,模型能够较好的描述系统电特性。 针对超磁致伸缩微位移执行器的轨迹追踪控制问题,分别建立了应用于线性近似系统的PID控制律和非线性近似系统的自适应离散滑模变结构控制律,并进行了控制策略的仿真研究。利用系统辨识方法建立了线性近似系统,并应用Ziegler-Nichols方法和SRS(Step Response Specification)模块分别整定了PID控制参数。利用指数趋近率,使控制系统的抖振幅度正比于切换函数,设计了自适应离散滑模变结构控制律,采用模型参考前馈逆补偿的方法,应用均质能量场模型和粘弹性分布参数系统模型模拟磁化过程和动力学过程,对执行器实施离散滑模变结构控制。两种控制策略都得到了较好的轨迹追踪仿真结果。 搭建了xPC Target系统的实时控制软硬件平台,并应用此实验平台对GMM执行器进行了PID控制策略和离散滑模变结构控制策略的实时控制实验。在实时控制实验中,整定了PID控制器参数和离散滑模控制器参数,测试了两种控制方法下超磁致伸缩微位移执行器对方波信号,正弦信号和混合信号的轨迹追踪效果,总结了两种控制方法各自的优缺点。实验表明,PID控制器具有较好的方波信号追踪精度,适用于低成本的静态、准静态的精确定位与进给场合。离散滑模变结构控制的控制精度远好于PID控制,适合于高精度的实时控制应用。


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