超磁致伸缩致动器非线性动力学的分数阶时滞反馈控制

设计了一种分数阶时滞反馈控制器,用于控制单自由度的超磁致伸缩致动器(GMA)的非线性动态响应。考虑到预压碟形弹簧机构引入的几何非线性因素影响,建立了GMA系统的非线性数学模型。利用平均法求解系统在含分数阶时滞反馈控制策略下主共振的幅频响应方程,根据Routh-Hurwitz准则得到系统的稳定性条件。通过数值模拟研究GMA系统中关键结构参数对幅频响应特性的影响,以及主共振峰值和系统稳定性随每个时滞反馈参数变化的特性规律;通过分岔图和Lyapunov指数图得到外激励幅值对系统混沌运动的影响;最后调节时滞反馈增益和分数阶次抑制系统的混沌运动。结果表明,时滞反馈增益和分数阶次能够有效抑制系统的主共振峰值和不稳定区域,可以将系统响应从混沌运动调整为稳定的周期运动,提高系统的稳定性。

多刺激响应型高强度复合材料柔性致动器研究进展

复合材料柔性致动器兼具灵活性、适应性和结构可设计性等特点,能够响应外界刺激而改变结构、形状和宏观性质,具有广阔的应用前景。本文总结了近几年复合材料柔性致动器在多刺激响应性与力学强度提高方面的研究进展,介绍了该类致动器的成型制备方法,分析了致动原理。从填料的维度出发,总结了各类填料在致动器响应速度、机械性能、多刺激响应能力方面的影响,总结了该类致动器在柔性机器人、微型医疗器械、精密传感器、折叠电子器件等方面的现状。最后,对多刺激响应型高强度复合材料致动器的发展前景进行展望,以期为设计制备具有新颖功能和更有挑战性的致动器提供借鉴和参考。

基于位移放大的压电致动器设计与仿真

压电叠堆致动器广泛用于驱动智能变形装置,由于压电叠堆输出位移小,需要放大结构增大位移输出。设计了一种椭圆形位移放大结构,分析了椭圆长轴、壳体厚度、X方向位移和压电叠堆宽度等结构参数对Y方向的位移输出、应力强度和放大倍数等性能的影响规律,优化了结构参数,并制作了样品。测试数据表明,位移放大结构实现了5.3倍以上的位移放大;分析了放大结构在高频电压驱动下的瞬态响应,模拟了驱动信号频率对位移输出的影响,结果表明,在周期0.01 s的交变电压驱动下,结构的位移输出未出现失真。

压电致动器非线性特征的控制策略研究进展

压电致动器具有位移分辨率高、体积小、响应快、驱动负载能力强、可多自由度输出以及不受电磁干扰等优点,被广泛应用在微纳加工、微机电系统封装、生物医学以及航空航天等领域。然而,由于压电致动器自身存在的迟滞、蠕变等非线性特征,使得输出的稳定性以及精确度受到一定的影响,需采取恰当的控制策略解决上述问题。本文首先对压电致动器的非线性特征进行概述;其次,重点回顾了迟滞模型和蠕变模型的发展历程;然后,介绍了压电致动器的控制补偿策略及研究进展;最后对压电致动器控制技术的未来发展方向进行了讨论与展望。

基于压电致动器的水下柔性推进结构振动特性研究

压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动器因其柔韧性好、致动力大、防水性能优异等特点越来越受到人们的关注,并在智能传感/致动、能量采集、水下仿生机器人等领域得到了广泛的应用。本文旨在研究MFC驱动水下柔性结构的振动特性与动力学响应。计算得到MFC致动器驱动力,根据莫里森半经验公式推导得到流体附加惯性力和附加阻尼力。基于欧拉-伯努利梁理论、假设模态法和第二类拉格朗日方程,建立MFC致动的水下柔性结构耦合非线性动力学模型,采用谐波平衡法将非线性阻尼线性化。数值仿真和实验结果表明:粘贴了MFC致动器的柔性梁结构局部刚度增大,实测模态振型与仿真模态振型基本一致;受周围流体水动力的影响,MFC致动悬臂梁水下前两阶共振频率与动态响应下降明显;模型预测的幅频响应曲线与实测曲线吻合较好,证实了所建耦合动力学模型的有效性。本研究可为基于智能材料的水下仿生推进装置提供参考。

基于ABAQUS的气动软体弯曲致动器仿真分析

软体机器人的性能主要取决于致动器,但现有软体机器人致动器存在结构欠优等问题。基于此,提出了一种结构简单、易于控制的气动软体弯曲致动器,其内部腔室为四圆柱直腔,外部约束为O形圈;并基于ABAQUS有限元分析,采用控制变量法研究气动软体弯曲致动器的壁厚、长度、气腔半径、气腔偏心距等9个几何参数对其弯曲性能的影响,得到了较优的几何参数。当致动器对单腔施加压力为200 kPa时,可得最大弯曲角124.22°,弯曲性能提高了51.65%。

基于PPy致动器的网状扩散模型与有限元分析

【目的】导电聚合物材料合成简单,驱动应变力大,循环稳定性好,但目前很少应用于致动器中,因此开展基于导电聚合物致动器的研究具有重要的现实意义。【方法】基于聚吡咯(Polypyrrde,PPy)的优点,建立了一种基于PPy致动器的网状扩散耦合模型,确定的模型有助于评估在实际应用中的潜力。电化学和机械领域采用低阶网状结构建模,电气和机械领域之间的耦合采用了一个双端口电容储能元件,对其进行分析,并利用有限元法将分析结果与已发表的分析结果进行了比较。【结果】该模型更加便于实时控制,而且能预测整个工作频率范围内的导纳动态。【结论】基于PPy的导电聚合物在致动器的应用中,可控性较好、响应速度快,具有较高的可靠性,为开发软致动器或人工肌肉记忆制动提供了一个很有前景的材料平台。

基于电荷泵的压电致动器迟滞非线性改善研究

压电致动器在精密定位、微纳米测量等领域得到了广泛的应用,然而迟滞和非线性现象严重影响了其定位精度和性能。虽然电荷驱动的方法可以降低大部分迟滞,但仍存在较为明显的残余迟滞,尤其是电压工作范围较大时,压电致动器的迟滞呈现增大的趋势。基于残余迟滞的分析和计算,提出了一种用于电荷泵驱动的残余迟滞改进方法,研究了校正参数的推导方法,改善了经典电荷泵驱动的迟滞非线性。通过实验发现,在驱动电压范围为0~100 V、驱动频率为0.1~2 Hz时,相比经典电荷泵驱动的2.79%迟滞,改进后的电荷泵驱动方法可以将迟滞进一步降低至0.47%以下,比经典的电荷泵驱动方法降低了83%左右。所提方法在精密测量等领域具有较好的应用价值。

空间引力波望远镜超前瞄准机构致动器电荷驱动位移行为研究

超前瞄准机构(PAAM)是空间引力波探测望远镜的关键部件,其主要通过给压电致动器输入电压或电荷精确控制位移量,实现对望远镜高精度角度控制。因此,压电陶瓷致动器位移响应直接影响超前瞄准机构指向控制性能。本文提出等效电容量计算方法定量分析压电致动器在电荷驱动下的位移响应特性,并通过数值模拟仿真和实验验证等方式验证了计算方法的准确性和可行性。结果表明:在使用幅值5 V、频率0.05 Hz~5 Hz的正弦波信号控制的电荷放大器驱动某型号压电致动器时,采用本文方法分析结果与实验结果相比,二者位移响应最大偏差小于1.35%,为空间引力波探测望远镜超前瞄准机构的高精度指向控制提供了可能的分析方法和实现途径。

压电纤维致动器的率相关偏置迟滞建模及补偿

为了克服传统压电陶瓷韧性不足,利用压电宏纤维(macro fiber composite,简称MFC)换能效率高且变形能力强的优点,提出了一种MFC致动的柔性结构,建立了描述MFC动态偏置迟滞非线性的率相关双极性偏置PI(rate-dependent bipolar bias PI,简称RDBBPI)迟滞模型,并进行了前馈补偿控制研究。首先,针对MFC致动柔性结构的静态偏置迟滞特性,利用Prandtl-Ishlinskii(PI)模型描述系统的对称迟滞特性,并通过叠加死区算子来捕捉其双极性偏置特性,建立了MFC致动器的静态双极性偏置PI(bipolar bias PI,简称BBPI)模型;其次,确立迟滞环斜率与驱动信号速率之间的线性关系,得到描述MFC致动器动态迟滞特性的RDBBPI模型;最后,进行了实验验证。实验结果表明:所提出的RDBBPI模型能够很好地捕捉不同频率下MFC致动柔性结构的动态迟滞特性;在基于RDBBPI模型的前馈补偿下,MFC致动柔性梁构件的实测振动位移与期望跟踪位移基本重合,补偿后结构实测位移与期望轨迹之间的线性度误差为4.62%,证实了所提RDBBPI模型对MFC致动器驱动控制和位移跟踪精度的改善效果。

具有大行程的步进型压电致动器研究综述

为了克服单个压电元件工作行程有限的不足,学者们提出了各种步进运动原理,并据此设计了各种结构的步进型压电致动器。重点介绍了步进型压电致动器的3种主要类型,即尺蠖型压电致动器、超声型压电致动器和粘滑型压电致动器,分别阐述了这3种压电致动器的运动原理和发展现状,指出了存在的问题与不足。

喷油器用超磁致伸缩致动器结构设计及输出特性实验研究

根据非直驱式高压共轨电控喷油器的驱动需求,设计了喷油器用超磁致伸缩致动器(GMA),完成了GMA样机制作和输出性能测试。首先,采用GMM筒与“T”形输出杆嵌套配合的结构形式,设计了喷油器用GMA,通电时可输出上行位移;然后,将GMA划分为三个功能模块,依据设计需求,计算了各模块主要部件结构参数的约束条件,确定了GMA的主要尺寸参数;最后,对GMA输出特性进行了试验测试。结果表明:设计的GMA稳态位移大于40μm,在工作频率范围内,输出位移较为稳定,位移-电流迟滞较小;在专用电源驱动下,响应时间短于1 ms,满足预期设计需求。

三相对称绕组的多自由度磁性致动器设计

针对基于机械弹簧的多自由度致动器存在系统复杂、运动精度低的问题,设计了一种采用铁氧体永磁体的新型谐振致动器。首先,所提致动器的基本结构主要包括1个定子、1个动子和1个三相对称绕组,其中动子部分包括6个永磁铁氧体和1个动铁芯;其次,对磁阻特性和推力特性进行了理论研究;然后,在动力学模型分析的基础上,提出了无需位置传感器的运动估计方法;最后,通过有限元分析验证了所提致动器的特性,并与样机上的测量结果进行了比较。研究结果表明:样机的磁阻力误差和力常数误差分别仅为6%和2%,且在无机械弹簧的条件下产生相对于移动距离的对中力,从而可以在X-Y平面上实现各种可控的高精度谐振运动。所提致动器有效降低了系统成本和复杂性,可用于需要精确受控运动的机械领域,在微型机器人、医疗设备和光学仪器等。

微型热致动器研究

微致动技术是微型机电系统(MEMS)设计制造的重要技术基础。本论文围绕微型热致动器的研制开发,对热致动方式进行较为深入研究,利用硅微细加工工艺制造出多种微型热致动器,并进行了理论分析和实验测试。

新型纳米级微位移致动器的设计

磁致伸缩型微位移致动器通常采用多晶或孪晶结构材料作为驱动单元 ,由于晶界和孪晶界对畴壁的移动具有阻碍作用 ,其低场下的位移输出较小 ,调控精度受到较大影响。采用Tb Dy Fe单晶材料可以有效解决这一问题 。

纳米致动器研究现状与工程应用的进展

纳米致动器是能够以0．1-100mm的步距驱动或移动被控对象的各种装置或器件．根据特征尺寸分为毫米尺度以上的宏机械纳米致动器、制作在芯片上的微米尺度纳米致动器及分子尺度的纳机械致动器，它们的共同特征是可以实现纳米级精度的机械驱动和定位．该文综述了纳米致动器国内外研究状况和主要研究成果，特别对近几年出现的典型的微机械纳米致动器的驱动机理进行了分析，讨论了纳米致动器在工程实际中的应用，指出了其发展的关键技术、存在问题及未来发展前景和趋势．

高密度硬磁盘用小型压电致动器

利用宽度弯曲振动模式，制成了平面分割电极型片状压电致动器．分析、测试了致动器的位移－驱动电压特性和谐振频率．典型结果是１２Ｖ驱动电压下可获得０．４６μｍ的位移量，谐振频率为１０．７ｋＨｚ．

超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型

超磁致伸缩致动器的输入磁场与输出应变存在着磁滞非线性。为了控制及使用致动器,必须建立其准确的数学模型。该文基于Jiles—Atherton磁滞模型、二次畴转模型、非线性压磁方程和致动器结构动力学原理,建立了超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型。应用该模型对致动器的输出应变进行计算,计算结果与实验结果符合较好,验证了模型的正确性和实用性。

超磁致伸缩致动器的磁-机械强耦合模型

稀土-铁超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料,其应用越来越受到人们的关注。为了有效地设计、开发超磁致伸缩材料的器件,必须建立材料器件的输入输出模型。利用能量变分原理,针对研制的超磁致伸缩致动器,建立了系统的磁-机械强耦合模型,并应用有限元法计算了致动器的输入电流与输出位移的关系曲线。计算值与实验值比较吻合,表明所建立的模型能够反映致动器的输入输出关系,模型对于设计超磁致伸缩器件、优化设计方案具有重要意义。

磁致伸缩致动器的输出位移与输入电流频率关系实验研究

针对设计的超磁致伸缩致动器(Terfenol-D棒φ10mm×85mm)进行了实验研究,主要考虑具有偏置磁场和无偏置磁场时交流输入电流频率与位移输出特性之间的变化关系。通过对致动器建立纵向振动方程,计算得到谐振频率应在1.026～3.078kHz和1.660～4.980kHz范围内。同时实验结果表明谐振频率在2.2kHz附近,与理论分析一致。谐振时致动器的位移输出最大可达68μm,且输入输出为倍频关系。实验研究揭示了超磁致伸缩致动器的频率域输入输出特性,为致动器的优化与应用奠定了基础。