超磁致伸缩驱动器精密位移驱动控制研究

论文摘要

随着精密工程技术的发展,精密定位技术在越来越多的领域得到应用。超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material,GMM）具有应变大、可控精度高等优点,是研制精密驱动器的理想材料。但是,由于GMM存在非线性、磁滞回等特性,普通的PID控制会出现超调量大、调节时间长等问题。超磁致伸缩材料是超磁致伸缩驱动器的核心部件,本文以超磁致伸缩驱动器（Giant Magnetostrictive Actuator,GMA）为研究对象,进行了一系列实验测试和相关研究,并基于实验数据建立磁滞模型和前馈逆补偿控制方法。论文主要内容包括:第一章介绍了精密定位研究的意义,总结了精密驱器的类型和应用领域,大行程精密驱动器的发展现状。阐述了GMM特点、GMA的应用领域和控制方法。第二章介绍了永磁偏置GMA和无永磁偏置GMA的结构以及性能测试的实验过程。基于试验结果,分析了在不同预应力、磁场强度下,驱动器位移输出和滞回的变化趋势。通过感应线圈测定材料的磁感应强度和动态磁导率。第三章基于Jiles-Atherton （J-A）模型,建立了GMA滞回位移输出模型,给出了需要辨识的模型参数。针对传统辨识方法容易过早收敛的问题,提出采用分层遗传算法辨识模型参数,并对不同条件下的辨识数据进行了分析。第四章介绍了基于GMA位移输出逆模型的前馈补偿控制,基于Ziegler-Nichols （Z-N）法确定PID控制器的参数。对前馈控制和无前馈控制的调节时间、定位精度进行了比较,验证了前馈逆补偿控制方法的有效性。第五章介绍了基于GMA的大行程精密驱动器的结构和性能测试。在前文单个驱动器控制方法的基础上,提出了组合驱动器的控制方法,并进行了控制实验,并分析了影响精度的因素。第六章对全文的工作内容进行总结,并对后续研究进行展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 精密驱动器研究现状
• 1.2.1 精密位移驱动器
• 1.2.2 精密位移驱动器类型
• 1.2.3 精密大行程驱动器
• 1.3 超磁致伸缩驱动器研究现状
• 1.3.1 超磁致伸缩材料概述
• 1.3.2 超磁致伸缩材料磁滞建模
• 1.3.3 超磁致伸缩驱动器应用
• 1.4 超磁致伸缩驱动器控制技术现状
• 1.5 论文主要研究内容
• 第二章 超磁致伸缩驱动器特性及实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 超磁致伸缩原理和特性
• 2.2.1 超磁致伸缩机理
• 2.2.2 超磁致伸缩特性
• 2.3 超磁致伸缩驱动器实验研究
• 2.3.1 超磁致伸缩驱动器结构及工作原理
• 2.3.2 实验原理及测试平台
• 2.3.3 实验结果分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 超磁致伸缩驱动器建模及参数识别
• 3.1 引言
• 3.2 基于Jiles-Atherton 的驱动器位移模型
• 3.2.1 磁滞模型选择
• 3.2.2 Jiles-Atherton 模型
• 3.2.3 基于J-A 模型的驱动器位移输出模型
• 3.3 模型参数辨识
• 3.3.1 参数辨识介绍
• 3.3.2 分层遗传算法及评价方法
• 3.3.3 模型参数辨识及分析
• 3.4 模型预测
• 3.5 本章小结
• 第四章 超磁致伸缩驱动器位移控制系统研究
• 4.1 引言
• 4.2 超磁致伸缩驱动器控制模型
• 4.3 PID 控制器设计
• 4.3.1 PID 控制器原理
• 4.3.2 PID 控制器设计
• 4.4 前馈逆补偿控制器设计
• 4.5 精密定位控制实验
• 4.5.1 实验硬件、软件介绍
• 4.5.2 GMA 定位控制实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 大行程超磁致伸缩驱动器位移控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 大行程超磁致伸缩驱动器性能研究
• 5.2.1 大行程超磁致伸缩驱动器结构介绍
• 5.2.2 大行程超磁致伸缩驱动器性能测试
• 5.3 大行程超磁致伸缩驱动器控制模型
• 5.4 大行程超磁致伸缩驱动器控制实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用论文
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目