超磁致伸缩执行器磁滞建模与控制技术研究

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1、摘要超磁致伸缩执行器是以新型功能材料——超磁致伸缩材料作为致动元件的一类微位移执行器，具有输出位移和力大、响应速度快、温度范围宽、低压可操作等突出优点，已在精密、超精密加工、流体控制机械、微调节与微补偿机构、微机电系统以及纳米技术等领域呈现出良好的应用前景。然而超磁致伸缩材料是铁磁性材料，由于该材料自身以及组成驱动磁路的其它元件存在较强的磁滞特性，导致执行器输出位移存在着滞回性强、重复性差、非线性严重等缺点，严重限制了执行器的定位精度，影响了该材料及其执行器更广泛的应用。论文在深入研究了国内外关于超磁致伸缩材料及其执行器的建模理论与

2、控制方法的基础上，针对超磁致伸缩执行器的磁滞非线性，应用Priesach理论建立了执行器的磁滞模型，根据该模型推导出了执行器的逆磁滞模型，设计了前馈控制器对磁滞非线性进行补偿。在前馈控制的基础上，论文提出了利用执行器的实际输出与指令输入之间的偏差信号的大小来设计自适应控制器和自适应算法，充分利用前馈“及时”和反馈“消除偏差”的优点，动态调整控制器的参数，进一步提高执行器的控制精度。建立了以单片机为核心的执行器闭环控制系统，包括驱动电源的研制、传感变送器的设计与实现、单片机控制单元、模拟量输入输出通道的设计以及系统监控、驱动软件的设计

3、与编程实现。在此基础上对执行器的前馈和反馈两种控制方案进行了实验研究，实测了执行器在不同幅值下的阶跃响应曲线、执行器的轨迹跟踪曲线。实验结果表明本文建立的执行器的磁滞模型能够准确的描述执行器的磁滞非线性，根据此模型设计的两种控制方案大幅度的补偿了执行器的磁滞非线性，提高了执行器的控制精度。最后，在对论文的研究内容进行了总结的基础上，对该领域的研究方向以及进一步的工作提出了建议。关键词：超磁致伸缩执行器：磁滞非线性；Preisach理论；磁滞模型：前馈控制；自适应控制ABSTRACTGiantMagnetostrictiveActua

4、tor(GMA)iSakindofmicro-displacementactuatorwhoseactuationcomponentiSanovelfunctionalmaterial-GiantMagnetostrictiveMaterial(GMM)．Withtheadvantagesoflargedisplacement，highforce，rapidresponse，widerangeoftemperaturesandlowvoltageoperation，itisappliedinpreciseandultra-preci

5、semachining，liquidcontrolmechanics，micro—adjustingandcompensationmechanics，MEMS，nano-technologies．etc．However,GMMiSferromagneticmaterial．Thei血erenthysteresisinsuchmaterialandothercomponentsofthedrivingmagneticcircuit1cadstostronghysteresis，poorrepeatability,andsevereno

6、nlinearityinGMA'sdisplacement，whichrestrictthepositioningprecisionofGMAandhamperitswiderapplicationsinmanyfields．BasedondeepstudiesofthemodelingandcongoltechnologiesofGMA'shysteresisnonlinearity,anovelhysteresismodelofGMAisputforwardaccordingtoPreisachtheory．Theinverse

7、modelofGMAiSdeducedandafeed—forwardcontrolleriSdesignedtocompensatethehysteresisnonlinearity．Onthebasisoffeed—forwardcontrol，anadaptivecontrolleranditsalgorithmsarealsodesigned，accordingtothedeviationsignalofsetvalueandrealoutputofGMA，totakefulladvantagesoffeed—forward

8、andfeedbackcontrolandtOmakeGMAmoreprecise．Theclose—loopcontrolsystemofGMAisdesignedandimplemented，includingtheconstan