超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、超磁致伸縮材料具有應(yīng)變大、輸出力大、功率密度高、響應(yīng)速度快和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，基于超磁致伸縮材料研制的致動(dòng)器在精密加工、精密定位、主動(dòng)振動(dòng)控制、機(jī)器人以及微型機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。但是，超磁致伸縮材料本身所固有的磁滯回特性使得致動(dòng)器存在強(qiáng)烈的非線性特性，這使得致動(dòng)器難以精確控制，限制了超磁致伸縮致動(dòng)器的發(fā)展和應(yīng)用。如何解決超磁致伸縮致動(dòng)器系統(tǒng)的非線性問題，進(jìn)一步提高致動(dòng)器系統(tǒng)的輸出精度，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
　　超磁

2、致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既是驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮材料完成伸縮動(dòng)作的功率源，又是實(shí)時(shí)控制伸縮量大小的控制器，是超磁致伸縮致動(dòng)器系統(tǒng)的核心，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能對(duì)致動(dòng)器的系統(tǒng)輸出具有重要影響?；诖耍疚纳钊敕治隽顺胖律炜s致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，指出了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在功率驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)建模和控制策略等方面存在的不足，在深入研究超磁致伸縮致動(dòng)器功率驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)建模及非線性控制的基礎(chǔ)上，將功率驅(qū)動(dòng)技術(shù)、非線性動(dòng)態(tài)模型的建立及其線性化、高階模型的降階以及系統(tǒng)辨識(shí)應(yīng)用于超

3、磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)裝置，研制了一套超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。并采用廣義預(yù)測控制策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)輸出的精確跟蹤，提高了致動(dòng)器寬范圍輸入下的控制精度。主要研究內(nèi)容如下:
　　1、分析了超磁致伸縮致動(dòng)器的工作原理，在考慮超磁致伸縮致動(dòng)器電-磁-機(jī)耦合特性的基礎(chǔ)上基于分層建模原理建立了超磁致伸縮致動(dòng)器非線性動(dòng)態(tài)模型:
　　采用多項(xiàng)式擬合超磁致伸縮材料的磁化強(qiáng)度與電流的非線性關(guān)系，建立了磁滯模型，該模型區(qū)別于以往Preisach模型、

4、Jile-Atheton模型或自由能遲滯模型，使非線性曲線更加平滑、減少噪聲影響、減小運(yùn)算時(shí)間，以達(dá)到快速、實(shí)時(shí)控制的目的;對(duì)含有非線性彈性材料——超磁致伸縮材料的致動(dòng)器機(jī)構(gòu)采用帶耗散力的拉格朗日方程對(duì)該機(jī)構(gòu)的Terfenol-D棒和廣義負(fù)載進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析，建立超磁致伸縮致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型。
　　2、分析了磁致伸縮致動(dòng)器非線性動(dòng)態(tài)模型，獲得了各個(gè)子模塊間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對(duì)該非線性模型進(jìn)行了線性化并采用平衡實(shí)現(xiàn)理論對(duì)該高階

5、線性模型進(jìn)行降階:
　　根據(jù)分層建模原理依據(jù)各子模塊的特性將模塊重新排序，采用純時(shí)滯環(huán)節(jié)代替磁化滯回模塊的非線性環(huán)節(jié)，結(jié)合功率驅(qū)動(dòng)模塊、線圈磁場模塊、磁場驅(qū)動(dòng)模塊和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模塊組成線性環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)磁致伸縮致動(dòng)器非線性模型到線性模型的轉(zhuǎn)換;利用平衡實(shí)現(xiàn)理論對(duì)磁致伸縮致動(dòng)器系統(tǒng)線性模型進(jìn)行降階研究，提出了磁致伸縮致動(dòng)器系統(tǒng)線性模型平衡實(shí)現(xiàn)算法，分析了平衡截?cái)嗪推胶鈿埐顑煞N降階方法的各降階系統(tǒng)的誤差，說明了磁致伸縮致動(dòng)器系統(tǒng)模型降為二階

6、模型的合理性。
　　3、根據(jù)超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廣義預(yù)測控制的需求，對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型的參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)研究:
　　確定了超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中功率驅(qū)動(dòng)器、致動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)以及致動(dòng)器磁滯非線性等影響因素的參數(shù)作為辨識(shí)對(duì)象，提出了基于遺忘因子遞推最小二乘法的超磁致伸縮致動(dòng)器系統(tǒng)參數(shù)的在線辨識(shí)策略，建立了超磁致伸縮致動(dòng)器系統(tǒng)的離散辨識(shí)參數(shù)模型，并依據(jù)遺忘因子遞推最小二乘法理論對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器系統(tǒng)進(jìn)行在線參數(shù)辨

7、識(shí)。
　　4、針對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制問題，采用了廣義預(yù)測控制策略對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤控制:
　　研究了廣義預(yù)測控制理論中多步預(yù)測、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正的控制策略，應(yīng)用Diophantine方程推導(dǎo)了廣義預(yù)測控制的最優(yōu)輸出預(yù)測，通過求解其目標(biāo)函數(shù)得到了廣義預(yù)測控制的控制律，并分析了廣義預(yù)測控制算法參數(shù)的選擇策略;仿真分析了不同設(shè)定信號(hào)下，設(shè)定值與輸出值的仿真曲線、誤差曲線及控制電壓曲線，驗(yàn)證了基于廣義預(yù)

8、測控制算法的超磁致伸縮致動(dòng)器控制器設(shè)計(jì)的合理性。
　　5、研制了超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原型機(jī)，詳細(xì)介紹超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)和性能測試過程，驗(yàn)證了本文提出的超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可行性和有效性:
　　(1)利用傅里葉級(jí)數(shù)理論分析了半橋斬波逆變電路輸出電壓諧波的頻譜分布，比較了LC濾波器和LCCR濾波器的特性，指出LC濾波器存在的不足，提出采用LCCR濾波器的方案，推導(dǎo)了帶感性負(fù)載條件下的LCCR濾波器參數(shù)設(shè)

9、計(jì)公式;
　　(2)基于半橋斬波逆變電路設(shè)計(jì)了超磁致伸縮致動(dòng)器功率驅(qū)動(dòng)器，采用I2控制方法，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度;設(shè)計(jì)了超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，開發(fā)了超磁致伸縮致動(dòng)器非線性系統(tǒng)廣義預(yù)測控制算法庫，并設(shè)計(jì)了控制器端圖形化用戶應(yīng)用程序用于超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制和調(diào)試。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的超磁致伸縮致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置的可行性和有效性。
　　本研究的成功實(shí)施為超磁致伸縮致動(dòng)器非線性控制提供了一條新的有效的途