弯曲型超磁致伸缩执行器温度控制装置设计及实验

论文摘要

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)是一种新型智能材料,具有大行程、低压驱动、大功率、大承载等优点,在精密加工、主动降噪减振、流体控制、水声换能器等领域具有很广阔的应用前景。本文中研究的弯曲型超磁致伸缩执行器(Giant Magnetostrictive Actuators,GMA)是由激励线圈驱动的,执行器在大电流长时间工作下热量聚积,内部温升会严重影响执行器输出。因而,超磁致伸缩执行器恒温控制的意义极为重要。超磁致伸缩材料的伸缩系数及热膨胀等,都与温度有关。所以,工作温度对超磁致伸缩材料十分重要,必须给超磁致伸缩材料提供恒定而且能够精确调整的工作温度。超磁致伸缩执行器中超磁致伸缩材料处在驱动线圈围成的封闭型区域内,因而其温控较难实现。目前,解决方法可归结为被动补偿和主动温控两大类。被动补偿方式主要有:软件控制补偿、热膨胀抵消补偿、柔性支撑机构补偿等方法。主动温控方式主要包括:半导体温控、相变温控、强制恒温水冷温控等方法。其中被动补偿法,不能应用于弯曲型GMA执行器。主动温控方法中,半导体制冷温控因制冷片的结构局限性,致使仅能从GMA端部进行控制,GMA内部温度难于保证;单纯的强制水冷控制难度较大,动态不稳定性难于消除;单纯的相变温控不能进行长时间连续工作。针对以上难题本文提出了基于弯曲型GMA的相变水冷组合温控新方法。该方法使相变温控和水冷温控两者的优势互补,即突破了相变温控的工作时长局限性,又消除了水冷温控的动态不稳定性。采用有限元分析方法,对弯曲型超磁致伸缩执行器进行了温度场建模,对其结构装置进行了设计;并分别对其在无温控装置和有温控装置两种状态下进行了稳态热分析;同时采用参数自整定模糊PID控制算法进行控制;对控制器硬件进行设计;并对各种加载条件进行实验研究。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 弯曲型超磁致伸缩执行器温度控制的研究背景
• 1.1.1 现代执行器的发展
• 1.1.2 超磁致伸缩材料的性能优势
• 1.1.3 超磁致伸缩执行器的开发与应用
• 1.1.4 超磁致伸缩执行器热产生机理及影响
• 1.2 国内外超磁致伸缩执行器热补偿研究概况
• 1.2.1 热膨胀抵消补偿法
• 1.2.2 柔性支撑机构补偿法
• 1.2.3 GMA强制水冷温控法
• 1.2.4 GMA相变温控
• 1.2.5 组合热误差补偿法
• 1.2.6 GMA半导体制冷温控
• 1.3 相变水冷组合温控的提出
• 1.4 选题的意义和主要工作
• 2 弯曲型GMA热传导模型建立及装置结构设计
• 2.1 弯曲型GMA温控工况分析
• 2.2 弯曲型GMA温控系统设计思路
• 2.2.1 温度控制系统原理
• 2.2.2 温控系统组成
• 2.3 弯曲型GMA热传导模型的建立
• 2.3.1 基于有限元的温度场建模
• 2.4 装置具体结构设计
• 2.4.1 弯曲型GMA机械结构设计
• 2.4.2 相变水冷装置设计
• 2.5 装置仿真比较
• 2.6 本章小结
• 3 控制策略研究
• 3.1 弯曲型GMA温度特性研究
• 3.1.1 温度控制系统特性
• 3.1.2 温度量控制分析
• 3.2 控制算法研究
• 3.2.1 PID算法的研究
• 3.2.2 Smith预估算法
• 3.2.3 Dahlin算法
• 3.2.4 模糊控制算法
• 3.3 弯曲型GMA温度控制器算法设计
• 3.3.1 参数自整定模糊PID控制结构
• 3.3.2 控制器参数自整定模糊PID控制
• 3.4 本章小结
• 4 控制器硬件设计
• 4.1 单片机控制系统总体方案设计
• 4.1.1 单片机控制系统的工作原理
• 4.1.2 单片机控制系统实现的功能
• 4.2 硬件电路设计
• 4.2.1 单片机的选择及存储器扩展
• 4.2.2 温度输入电路设计
• 4.2.3 控制量输出电路
• 4.3 硬件电路抗干扰设计
• 4.4 本章小结
• 5 实验
• 5.1 实验装置及设备
• 5.1.1 弯曲型超磁致伸缩执行器
• 5.1.2 加热器和水箱
• 5.1.3 换热器和冷却扇
• 5.1.4 数字温度表
• 5.1.5 直流稳压稳流电源
• 5.2 实验方法及结果讨论
• 5.2.1 裸机实验
• 5.2.2 相变温控实验
• 5.2.3 水冷温控实验
• 5.2.4 相变水冷组合温控实验
• 5.3 原有温度传感器及变送器标定
• 5.3.1 标定方法
• 5.3.2 标定过程
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 设计总结
• 6.2 设计展望
• 参考文献
• 附表
• 附图
• 作者简历