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

1、超磁致伸縮材料具有應變大、輸出力大、功率密度高、響應速度快和可靠性高等優(yōu)點，基于超磁致伸縮材料研制的致動器在精密加工、精密定位、主動振動控制、機器人以及微型機電系統(tǒng)等領域顯示出良好的應用前景。但是，超磁致伸縮材料本身所固有的磁滯回特性使得致動器存在強烈的非線性特性，這使得致動器難以精確控制，限制了超磁致伸縮致動器的發(fā)展和應用。如何解決超磁致伸縮致動器系統(tǒng)的非線性問題，進一步提高致動器系統(tǒng)的輸出精度，已成為當前研究的熱點。
　　超磁

2、致伸縮致動器驅(qū)動系統(tǒng)既是驅(qū)動超磁致伸縮材料完成伸縮動作的功率源，又是實時控制伸縮量大小的控制器，是超磁致伸縮致動器系統(tǒng)的核心，驅(qū)動系統(tǒng)的性能對致動器的系統(tǒng)輸出具有重要影響?；诖?，本文深入分析了超磁致伸縮致動器驅(qū)動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，指出了驅(qū)動系統(tǒng)在功率驅(qū)動、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器功率驅(qū)動、系統(tǒng)建模及非線性控制的基礎上，將功率驅(qū)動技術(shù)、非線性動態(tài)模型的建立及其線性化、高階模型的降階以及系統(tǒng)辨識應用于超

3、磁致伸縮致動器驅(qū)動裝置，研制了一套超磁致伸縮致動器驅(qū)動系統(tǒng)。并采用廣義預測控制策略實現(xiàn)了對系統(tǒng)輸出的精確跟蹤，提高了致動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器的工作原理，在考慮超磁致伸縮致動器電-磁-機耦合特性的基礎上基于分層建模原理建立了超磁致伸縮致動器非線性動態(tài)模型:
　　采用多項式擬合超磁致伸縮材料的磁化強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、減小運算時間，以達到快速、實時控制的目的;對含有非線性彈性材料——超磁致伸縮材料的致動器機構(gòu)采用帶耗散力的拉格朗日方程對該機構(gòu)的Terfenol-D棒和廣義負載進行動力學特性分析，建立超磁致伸縮致動器的結(jié)構(gòu)動力學模型。
　　2、分析了磁致伸縮致動器非線性動態(tài)模型，獲得了各個子模塊間的關(guān)系，在此基礎上對該非線性模型進行了線性化并采用平衡實現(xiàn)理論對該高階

5、線性模型進行降階:
　　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)動模塊、線圈磁場模塊、磁場驅(qū)動模塊和結(jié)構(gòu)動力學模塊組成線性環(huán)節(jié)，實現(xiàn)磁致伸縮致動器非線性模型到線性模型的轉(zhuǎn)換;利用平衡實現(xiàn)理論對磁致伸縮致動器系統(tǒng)線性模型進行降階研究，提出了磁致伸縮致動器系統(tǒng)線性模型平衡實現(xiàn)算法，分析了平衡截斷和平衡殘差兩種降階方法的各降階系統(tǒng)的誤差，說明了磁致伸縮致動器系統(tǒng)模型降為二階

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

7、識。
　　4、針對超磁致伸縮致動器驅(qū)動系統(tǒng)的精確控制問題，采用了廣義預測控制策略對超磁致伸縮致動器系統(tǒng)進行跟蹤控制:
　　研究了廣義預測控制理論中多步預測、滾動優(yōu)化和反饋校正的控制策略，應用Diophantine方程推導了廣義預測控制的最優(yōu)輸出預測，通過求解其目標函數(shù)得到了廣義預測控制的控制律，并分析了廣義預測控制算法參數(shù)的選擇策略;仿真分析了不同設定信號下，設定值與輸出值的仿真曲線、誤差曲線及控制電壓曲線，驗證了基于廣義預

8、測控制算法的超磁致伸縮致動器控制器設計的合理性。
　　5、研制了超磁致伸縮致動器驅(qū)動系統(tǒng)原型機，詳細介紹超磁致伸縮致動器驅(qū)動系統(tǒng)的設計開發(fā)和性能測試過程，驗證了本文提出的超磁致伸縮致動器驅(qū)動系統(tǒng)的可行性和有效性:
　　(1)利用傅里葉級數(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，推導了帶感性負載條件下的LCCR濾波器參數(shù)設

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