基于Preisach模型的超磁致伸缩驱动器迟滞建模与位移控制研究

摘要

超磁致伸缩驱动器是利用超磁致伸缩材料作为驱动元件的新型器件，它具有输出位移和力大、响应速度快、温度范围宽等突出优点，在超精密加工、机器人、减震控制等领域呈现出良好的应用前景。然而由于超磁致伸缩材料本身存在有较强的磁滞特性，导致驱动器输出位移存在着滞回性强、重复性差、非线性严重等缺点，大大限制了驱动器的定位精度，影响了其更广泛的应用。因此，超磁致伸缩驱动器迟滞建模和控制研究具用重要的理论和现实意义。 本文对超磁致伸缩材料及其应用进行了介绍，对超磁致伸缩驱动器模型和控制技术进行了细致分析。针对超磁致伸缩驱动器的迟滞非线性，采用Preisach理论建立驱动器的迟滞模型。对Preisach模型基本思想、几何解释、基本属性和数学执行式进行了深入细致的讨论和归纳，形成了完备的Preisach模型迟滞理论，推导并发展了Preisach模型的离散递归表示式。详细地研究了Preisach迟滞模型的擦除属性，得到了迟滞预测的擦除算法。结合擦除算法，建立了一个改进的Preisach迟滞模型。该Preisach模型能够对驱动器在任意条件下的输入进行迟滞预测。对一个实际的超磁致伸缩驱动器系统的一阶回转曲线进行了测试，并编写了改进Preisach模型的迟滞预测程序。为保证改进Preisach模型对驱动器迟滞建模的精确性与有效性，研究了各种输入条件下模型的迟滞预测情况，仿真结果表明本文建立的驱动器迟滞模型能够准确的描述驱动器的迟滞非线性。采用了基于改进Preisach模型的前馈控制方法对迟滞非线性进行补偿。在前馈控制的基础上，设立了一种前馈与反馈相结合的复合控制。在各种条件下的仿真结果表明该前馈控制器可以大幅度地补偿驱动器的迟滞非线性，大大提高了驱动器的控制精度。