应用于精密定位的超磁致伸缩执行器的控制研究

论文摘要

精密工程技术在众多领域的快速发展和应用，促进了精密定位技术的发展，并对精密定位技术提出了更高的要求。微位移执行器作为精密定位系统的关键部分，其重要性自然不言而喻。超磁致伸缩材料（GMM）具有应变大、输出力大、功率密度高、响应速度快和可靠性高等优点，是制作微位移执行器的良好材料，利用GMM制作的超磁致伸缩执行器（GMA）在精密定位领域有着良好的应用前景。本文以GMA为对象，对GMA的动静态特性、磁滞特性及控制方法进行了研究，并根据建立的数学模型和研究的控制方法进行了实验验证。本论文的主要研究内容包括：第一章介绍了精密定位技术研究的意义，分析了用于精密定位的微位移执行器类型，阐述了GMM的特点、GMA及其控制方法的国内外研究现状，并给出了本论文的主要研究内容。第二章介绍了磁致伸缩机理及GMM的基本特性；根据设计的GMA结构，建立了GMA的动静态数学模型，并对GMA的动态模型进行了辨识和实验研究。第三章通过分析Jiles-Atherton磁滞模型，给出了需要辨识的模型参数；介绍了模型辨识所需数据源的获取方法，并用遗传算法实现了模型参数辨识；同时，根据辨识得到的磁滞模型，建立了非对称的minor loop磁滞模型。第四章介绍了GMA的基本控制方法，在此基础上建立了磁滞模型的逆模型，设计了模糊自适应PID控制器，并对模型参数a进行了初步的在线辨识研究。第五章介绍了GMA的结构和控制系统原型，重点阐述了恒流源的设计。在此基础上进行了GMA的位置控制实验，包括阶跃响应、位置跟踪和轨迹跟踪实验，对几种不同的控制方法的实验效果进行了比较，并分析了影响测量精度的主要因素。第六章对全文进行总结，并对后续研究作了展望。

论文目录

• 全文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 精密定位技术研究的意义
• 1.2 用于精密定位的执行器类型
• 1.3 超磁致伸缩材料的特点
• 1.4 超磁致伸缩执行器的国内外研究现状
• 1.5 超磁致伸缩执行器控制技术的研究现状
• 1.6 论文的主要研究内容
• 1.7 本章小结
• 第二章 GMM的基本特性及GMA的动静态模型
• 2.1 磁致伸缩的机理
• 2.2 GMM的基本特性
• 2.3 GMM的本构方程
• 2.4 GMA的动静态模型
• 2.4.1 静态数学模型
• 2.4.2 动态数学模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 GMA的磁滞模型建立
• 3.1 磁滞模型的建立
• 3.1.1 Jiles-Atherton模型
• 3.1.2 基于遗传算法的模型参数辨识的基本理论
• 3.1.3 模型数据获取及其辨识
• 3.2 非对称的Minor loop磁滞模型
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于磁滞逆模型的GMA控制方法研究
• 4.1 GMA的基本控制方法
• 4.2 磁滞逆模型
• 4.2.1 部分逆模型
• 4.2.2 磁滞全逆模型
• 4.3 模糊PID控制
• 4.3.1 模糊PID控制器的基本组成
• 4.3.2 模糊PID自适应控制器设计
• 4.4 模型参数α的在线辨识初步研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 GMA控制系统实现及实验研究
• 5.1 GMA的总体结构
• 5.2 GMA的控制系统原型
• 5.3 GMA驱动恒流源设计
• 5.3.1 GMA驱动恒流源的要求
• 5.3.2 恒流源设计
• 5.3.3 恒流源性能测试
• 5.4 GMA位置控制实验
• 5.4.1 GMA阶跃响应实验
• 5.4.2 GMA位置跟踪实验
• 5.4.3 GMA轨迹跟踪实验
• 5.5 实验误差分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢