超磁致伸缩执行器的本征非线性研究及其补偿控制

摘要

超磁致伸缩执行器具有反应快、位移大、输出力强、可以大功率、高效率地实现电磁能和机械能或电磁信息与机械位移信息之间相互转换等优点，是微位移驱动器、线性马达和振动主动控制的重要驱动组元。但超磁致伸缩执行器存在着本征非线性和磁滞特性，严重阻碍了超磁致伸缩执行器的应用。本文研究超磁致伸缩执行器非线性及补偿控制方法，为提高执行器的性能和扩大执行器的应用范围提供了理论基础，具有重要的理论价值。 虽然超磁致伸缩执行器的应用价值早已被肯定，但是其本征非线性和磁滞特征严重影响其实际应用，许多学者对超磁致伸缩执行器非线性研究与控制进行了深入的理论和实验研究，但过去所进行的研究主要是针对Preisach磁滞模型和Jiles-Athenon磁滞模型所进行的，自由能磁滞模型作为近年来所提出的一种磁滞模型，具有引入的参数与系统有关、参数数目少以及能模拟次磁滞环等优点。基于此自由能磁滞模型来对超磁致伸缩执行器进行比较全面的研究国内外还未有报道。 本文的研究目标是：在已有的文献基础上，继续在理论上深入研究超磁致伸缩执行器本征非线性和磁滞特性，主要以自由能磁滞模型为基础，包括探讨影响超磁致伸缩执行器自由能磁滞模型计算精度和实现效率的因素、建立能用于非准静态的动态自由能磁滞模型、构建动态自由能磁滞模型的逆补偿模型以及研究对此本征非线性和磁滞特性进行补偿的控制方法。目的是建立研究超磁致伸缩执行器本征非线性理论体系，寻求补偿此本征非线性控制方法。 本文采用理论建模、数字仿真与实验研究相结合的研究路线，以自由能磁滞模型为基础，研究了考虑涡流损失的动态磁滞模型，建立了补偿非线性和磁滞的控制方法，本文的主要内容如下： 1．总结了超磁致伸缩执行器自由能磁滞模型，研究了影响超磁致伸缩执行器自由能磁滞模型计算精度和实现效率的因素。针对超磁致伸缩执行器自由能模型的特点，解决了积分离散化与核函数实现两个关健性问题，提出了该自由能磁滞模型不同的数值实现算法，最后通过对比计算精度和计算效率，得出近似Gauss-Legendre积分法进行积分离散化与矩阵表示法实现核函数相结合的方法在保证计算精度同时，缩短了运算时间，是超磁致伸缩执行器的自由能磁滞模型数值实现方法中的最优算法。 2．超磁致伸缩执行器自由能磁滞模型由于没有考虑涡流损失的影响，只能用于低频和低强度工作条件下。本文根据涡流损失能量原理，提出了动态自由能磁滞模型。提出根据不同频率范围估计动态磁滞模型中的参数一等效电阻R<,eddy>，使得所建动态自由能磁滞模型在整个所讨论的操作频率范围均合理。采用实验验证了此模型的有效性。 3．建立了超磁致伸缩执行器动态自由能磁滞模型的逆补偿模型，并用逆补偿模型进行补偿控制。进而提出采用逆补偿器同PID控制器相结合的控制方法，在前馈环中，逆补偿器同PID控制器并连，得到控制输出信号，此控制输出信号驱动超磁致伸缩执行器。以跟踪控制为例，来验证此控制系统的控制效果，结果显示：带前馈逆补偿的PID反馈跟踪控制比仅仅单独用前馈或反馈控制取得更好的跟踪特性。 4．建立执行器的动力学模型，描述了有输入电流作用时执行器的位移及力的关系式。运用力的平衡原理建立了由一偏微分方程(PDE)表征的动力学模型，在此模型中计及了结构动态性和磁滞。分析此动力学模型时，采用了有限元方法对此动力学模型进行空间离散，得到常微分方程系统，为此后建立控制系统提供了模型基础。 5．以跟踪控制为控制目标，基于所建结构动力学模型，采用最优控制理论，设计控制器，采用模拟仿真来显示系统输出对系统输入的跟踪精度，检验此补偿控制方法补偿超磁致伸缩执行器本征非线性和磁滞的有效性。最后对比了最优跟踪控制与带有逆补偿器的PID反馈跟踪控制两种补偿控制方法。 6．根据超磁致伸缩材料特性探讨了超磁致伸缩执行器的制作方法，进而自行研制了超磁致伸缩执行器。通过以下两个模型实验对理论模型进行了检验：实验一：低频操作条件下自由能磁滞模型验证，实验二：不同操作频率下动态自由能磁滞模型验证实验。几次实验结果都和理论计算结果吻合较好，充分验证了理论模型的可行性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号一览表

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1超磁致伸缩执行器研究发展状况

1.2.2超磁致伸缩执行器本征特性研究

1.2.3超磁致伸缩执行器非线性控制方法综述

1.3本论文的研究思路和主要内容

1.3.1研究思路

1.3.2研究内容

参考文献

第二章超磁致伸缩执行器自由能磁滞模型

2.1弓I言

2.2超磁致伸缩执行器自由能磁滞模型

2.2.1均匀材料磁滞模型

2.2.2非均匀材料磁滞模型

2.3超磁致伸缩执行器自由能磁滞模型的数值实现

2.4超磁致伸缩执行器自由能磁滞模型的优化计算

2.4.1超磁致伸缩执行器自由能磁滞模型的数值计算方法

2.4.2超磁致伸缩执行器自由能磁滞模型的数值计算方法优化

2.5本章小结

参考文献

第三章超磁致伸缩执行器动态自由能磁滞模型

3.1引言

3.2超磁致伸缩执行器动态自由能磁滞模型

3.3超磁致伸缩执行器的磁滞动态模型性能分析

3.4动态自由能磁滞模型的数值实现

3.4.1动态自由能磁滞模型数值实现方法分析

3.4.2参数估计

3.4.3数值计算结果分析

3.5本章小结

参考文献

第四章超磁致伸缩执行器动态自由能磁滞模型逆补偿模型

4.1引言

4.2超磁致伸缩执行器动态自由能磁滞模型逆补偿模型

4.3计算结果与分析

4.3.1不同输入信号的逆补偿模型计算结果

4.3.2求逆补偿模型时不同步长对计算结果的影响

4.4带有逆补偿的控制器

4.4.1控制结构设计

4.4.2控制结果分析

4.5本章小结

参考文献

第五章超磁致伸缩执行器最优控制

5.1引言

5.2超磁致伸缩执行器动力学模型

5.3超磁致伸缩执行器最优控制

5.4超磁致伸缩执行器线性最优跟踪控制

5.4.1超磁致伸缩执行器线性跟踪最优控制数值模拟

5.5超磁致伸缩执行器非线性最优跟踪控制

5.5.1超磁致伸缩执行器非线性跟踪最优控制数值模拟结果

5.6最优跟踪控制与PID反馈跟踪控制比较

5.7本章总结

参考文献

第六章超磁致伸缩执行器和实验验证

6.1引言

6.2超磁致伸缩材料基本特性

6.3超磁致伸缩执行器设计

6.3.1交流通电线圈设计

6.3.2偏置磁场的大小及实现

6.3.3预压弹簧的选择

6.3.4执行器实物图

6.4实验系统设计

6.5超磁致伸缩执行器实验

6.5.1执行器设计效果实验研究

6.5.2超磁致伸缩执行器自由能磁滞模型实验

6.5.3动态自由能磁滞模型验证实验

6.6本章小结

参考文献

第七章研究总结与展望

7.1全文工作总结

7.2本文的主要创新点

7.3研究展望

致谢

攻读博士学位期间完成的学术论文及其它成果