磁致伸缩执行器数学建模与仿真分析

针对设计的磁致伸缩执行器的输出特性及其内部复杂物理现象,基于电磁学理论、Jiles-Atherton模型、能量守恒理论、结构动力学理论提出了更为准确的执行器动力学行为描述模型并分析。上述模型考虑输入电流、磁导率、动态损耗、电磁力等多种因素间的关系及其对输出特性的影响,以Jiles-Atherton模型定义磁致伸缩材料并通过maxwell软件对以磁致伸缩材料为核心的执行器进行有限元仿真分析,将仿真结果与数学解析模型结合并加以修正,得到更加准确的系统动力学模型。最终在MATLAB/Simulink中搭建系统动力学模型仿真分析发现,由电磁场所产生的交变电磁力导致磁致伸缩棒预压力偏置现象对执行器输出性能较大,而电流、动态损耗及磁导率通过影响磁场进而影响执行器输出。

超磁致伸缩执行器磁滞非线性建模与控制

针对超磁致伸缩执行器的磁滞非线性问题,应用Priesach理论模型建立了执行器的磁滞模型,并根据其逆模型设计了前馈补偿器,同时设计了磁滞模型的自适应算法和动态调整前馈补偿器的参数,最终实现对执行器磁滞非线性进行补偿和控制。仿真和试验结果表明该模型能够很好的描述执行器的磁滞非线性,采用自适应算法有效地改善了执行器输出位移的磁滞非线性,减小了系统的非线性误差,提高了执行器的控制精度。

射流伺服阀用超磁致伸缩执行器磁场建模与分析

提出了射流伺服阀用超磁致伸缩执行器结构,采用磁场有限元法分析了超磁致伸缩执行器结构参数对超磁致伸缩棒内磁场分布的影响机理,给出了超磁致伸缩执行器结构设计的原则。推导出考虑超磁致伸缩棒内磁场分布不均匀时驱动磁场与执行器输出位移的关系方程式,并通过仿真与实验研究揭示了超磁致伸缩棒内磁场分布不均匀性对超磁致伸缩执行器位移输出的影响规律,最后求出所设计超磁致伸缩执行器漏磁系数约为1.4.

基于功率MOSFET的超磁致伸缩执行器驱动电源

在分析超磁致伸缩材料的驱动特性及超磁致伸缩执行器驱动电源特点的基础上 ,采用连续调整型恒流源的原理 ,并选用功率 MOSFET作为功率放大元件 ,研制出 - 3～ +3A连续可调的高精度超磁致伸缩执行器驱动电源。实际测试的结果表明其性能良好 。

超磁致伸缩执行器的三维非线性动态有限元模型

超磁致伸缩执行器工作时超磁致伸缩材料的磁导率会随着应力变化而变化,并存在磁滞损失和涡流损失等非线性问题,同时磁场、电场、温度场及机械应力场之间存在耦合.建立了超磁致伸缩执行器电场、磁场和机械应力场3场耦合的三维非线性动态有限元模型,考虑了超磁致伸缩执行器Terfenol-D棒质量、预压应力、偏置磁场、磁滞和涡流损失.使用Jile-Autherton磁化模型计算磁滞损失,在商业有限元软件FEMLAB中实现了有限元模型.模型仿真结果和实验结果相一致,验证了所建立模型的正确性.

超磁致伸缩执行器位移模型的参数辨识

准确辨识模型参数是提高超磁致伸缩执行器位移控制精度的关键,针对单一算法难以实现对超磁致伸缩磁滞非线性模型参数准确识别的问题,将遗传算法与模拟退火算法融合,首先利用遗传算法的快速搜索能力得到一个较优群体,再利用模拟退火算法的突跳能力对整个群体进行优化调整,并在算法中引入最优保留策略和动态步长搜索方法,提出一种改进的遗传模拟退火算法,并将其应用于对超磁致伸缩执行器位移磁滞非线性模型参数辨识。该算法兼具遗传算法和模拟退火算法的优点,既有较快的收敛速度,又提高了辨识精度和最优解质量。通过试验验证,超磁致伸缩棒伸长量的模型计算结果与测量值符合程度较好,平均相对误差为3.85%,该方法能方便有效地辨识模型参数。

超磁致伸缩执行器驱动磁场理论分析与实验研究

在分析超磁致伸缩材料的驱动原理和超磁致伸缩执行器结构的基础上 ,重点对执行器内部的驱动磁场进行了理论分析和实验研究 ,得出了超磁致伸缩执行器驱动电流与超磁致伸缩棒的驱动磁场之间存在一定的非线性和滞回的结论 ,并分析了其产生原因 。

超磁致伸缩执行器全耦合非线性动态有限元模型

超磁致伸缩执行器在高频率下工作时,能量损失不仅包括磁滞损失、Terfenol-D棒涡流损失,还包括执行器导磁回路的附加涡流损失,同时执行器上存在磁场、电场、温度场及机械应力场四场之间的耦合。本文考虑超磁致伸缩执行器Terfenol-D棒质量、预压应力、偏置磁场、磁滞和涡流损失,从电场、磁场和机械应力场三场耦合角度,建立超磁致伸缩执行器三维非线性动态有限元模型。超磁致伸缩材料磁滞特性由Berqvist和Engdahl磁滞模型来描述。应用FEMLAB建模分析并与实验结果对比,发现模型与实验结果吻合较好,验证了所建立三维动态FEM模型的正确性。

考虑附加涡流损失的超磁致伸缩执行器动态模型

超磁致伸缩执行器在高频下工作时,能量损失不仅包括磁滞损失、Terfenol-D棒涡流损失,还包括Terfenol-D棒附加涡流损失。该文考虑到执行器的惯性、阻尼、Terfenol-D棒涡流损失及附加涡流损失,建立了超磁致伸缩执行器的动态模型。其磁滞特性由Berqvist和Engdahl磁滞模型来描述,材料非线性由输入到模型静态实验数据体现。模型求解使用有限差分方法,在Matlab/Simulink中建立相应模型仿真结构框图。对执行器不同工作频率情况进行模型的仿真计算,并与实验结果对比,发现模型与实验吻合较好。表明所建立动态模型能较好地描述执行器输出位移与驱动电流之间的关系。该模型对优化设计超磁致伸缩执行器有指导意义。

超磁致伸缩执行器及其在流体控制元件中的应用

超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，可用于机器人、阀门、微动工具、精密加工、微机电系统和声纳系统等领域。本文介绍了超磁致伸缩执行器的原理和分类及其在流体控制元件中的应用研究现状，并对超磁致伸缩执行器在流体机械中的应用前景进行了展望。

基于遗传算法的超磁致伸缩执行器优化

提出了超磁致伸缩执行器(GMA)优化设计模型,并应用多目标遗传算法对超磁致伸缩执行器进行优化设计.模型优化目标包括:减少执行器导磁回路磁阻使Terfenol-D棒上磁场强度高;空心线圈产生的磁场强度高;Terfenol-D棒上磁场均匀;线圈的效率系数大和线圈与Terfenol-D棒间气隙小.优化变量包括:Terfenol-D棒的尺寸、执行器导磁回路结构尺寸、导磁回路材料的磁导率和线圈结构.根据设计要求选取变量范围,利用非支配排序遗传算法(NSGA)在整个参数空间内搜索,得到执行器的主要参数,应用有限元软件ANSYS分析验证了该结构设计的合理性,并试制了执行器.

超磁致伸缩执行器热误差补偿及抑制方法研究

超磁致伸缩执行器是典型的物性型现代执行器,在精密、超精密加工领域有着广阔的应用前景.对超磁致伸缩执行器的热误差实施有效的补偿或抑制等措施,可以消除或抑制由于温升带来的不利影响,提高执行器的输出精度,这是超磁致伸缩执行器的关键技术之一.针对这一问题,提出了6种热误差补偿及抑制方法,并介绍了这些方法的实现原理,分析了它们的特点及适用场合,同时,对自行研制的相变水冷组合温控系统进行了试验,取得满意的效果.提出的热误差补偿与抑制方法可用于指导各种场合的超磁致伸缩执行器的研究和开发.

超磁致伸缩执行器的动力学参数及磁滞模型参数的辨识方法

根据JILES等提出的铁磁磁滞模型和JILES建立的磁机效应理论,结合能量守恒的观点,对超磁致伸缩执行器(GMT)的动力学参数及磁化参数进行辨识。针对JILES方法确定磁滞磁化模型所需磁性材料参数多,且在执行器工作条件下不易测量的缺点,经过对数学模型的推导变换,提出一种基于试验数据简便易行,试验数据容易获取的参数辨识方法,参数的估计可采用最小二乘类的辨识方法。给出低频试验下的辨识结果,此辨识方法可以为超磁致伸缩执行器的离线优化或在线控制提供可靠的参数。

超磁致伸缩执行器率相关迟滞混合模型研究

超磁致伸缩执行器的迟滞具有率相关特性。提出一种混合建模方法用于率相关迟滞建模。首先,在低频激励下,建立系统的率不相关PI迟滞模型;其次,在高频激励下,提出率不相关PI迟滞模型求逆与拟合相结合的方法,将系统响应解耦,进而建立系统线性环节模型;然后,在上述基础上,提出并建立系统迟滞环节的率相关PI迟滞模型;最后,通过系统线性环节模型和率相关PI迟滞模型串联得到率相关迟滞混合模型。实验结果显示:相对于率不相关迟滞模型或率不相关迟滞混合模型,率相关迟滞混合模型具有更高的精度,从而验证了所提模型的有效性和精确性。

超磁致伸缩执行器自适应离散滑模控制

超磁致伸缩材料具有滞回和本构强非线性特性,由其制成的微位移执行器的快速、精确控制问题亟待解决。分别应用均质能量场模型和粘弹性分布参数系统模型建立磁化模型和动力学模型,采用模型参考前馈逆补偿的方法,在控制过程中使用卡尔曼自适应滤波器降低干扰,对执行器实施离散滑模变结构控制。利用指数趋近率设计了自适应离散滑模变结构控制率,使控制系统的抖振幅度正比于切换函数,加快趋近滑模面速度,减小抖振。对所设计的控制率进行了的抖振分析并证明了其稳定性。在MatlabR2006a上进行了仿真,仿真结果表明所设计的控制率能够快速的收敛到滑模面,抖振幅度很小,能够很好的追踪输入轨迹。

超磁致伸缩执行器驱动的新型射流伺服阀

论述了超磁致伸缩材料在电液控制元件中的应用研究现状,基于超磁致伸缩材料的特点和未来航空航天领域对高频大流量伺服阀的迫切需求,提出了一种由超磁致伸缩执行器驱动的新型射流伺服阀的结构,分析了其工作原理与特点,同时对该新结构伺服阀涉及的温度控制、热补偿、预压力施加与零位调节与驱动磁场均匀化等关键技术进行了详细分析并给出了具体实施方法。

弯曲型超磁致伸缩执行器温控系统设计

弯曲型超磁致伸缩执行器(GMA)是为应用于异形孔精密镗削加工而研制的新型执行器。文章对以往的一些GMA温控方法进行了比较分析,提出了基于弯曲型GMA的相变水冷组合温度控制新方法;该方法实现了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。同时控制器采用参数自整定模糊PID控制算法,并介绍了控制系统的结构及原理。该系统使温控精度进一步提高,达到调节时间短、超调量小且稳定误差小的技术要求。

超磁致伸缩执行器的P-模糊PID控制

在微加工领域应用超致伸缩材料的研究中,为提高超磁致伸缩执行器控制系统的定位精度,根据压磁方程和超磁滞伸缩执行器的动力学特性建立了执行器的数学模型,为加快系统响应速度,提出了将模糊理论及PID理论相结合的控制方案,利用MATLAB模糊逻辑工具箱设计了P-模糊PID控制器。在simulink图形仿真环境下,利用P-模糊PID控制方法和常规PID控制方法进行控制实验。经仿真比较和分析,采用P-模糊PID控制方法优于常规PID控制方法,并且P-模糊PID控制下的系统响应迅速,无超调,调节精度高,可为设计提供参考。

超磁致伸缩执行器的自由能磁滞模型的优化算法研究

介绍了超磁滞伸缩执行器的自由能磁滞模型,对该自由能磁滞模型的数值计算进行了具体分析,由此提出了该自由能磁滞模型的四种数值实现方法;比较了四种数值实现方法的计算精度和计算效率,并与已有文献的实验结果和计算结果对比,得出近似Gauss-Legendre积分法进行积分离散化与矩阵表示法实现核函数相结合的方法在保证计算精度的同时,大大缩短了运算时间,是超磁致伸缩执行器的自由能磁滞模型的四种数值实现方法中的最优算法。

超磁致伸缩执行器应力耦合磁化模型及求逆算法

超磁致伸缩执行器在其工作过程中易受环境影响,尤其在精密定位与进给应用中,执行器最易受外部应力的影响。将工作在压应力影响下的超磁致伸缩执行器作为研究对象,引用均质能量场模型和磁机耦合理论,利用磁机耦合理论中求取的平均磁化强度作为均质能量场模型中的磁滞算子,并引入应力对均质能量场模型中矫顽场密度函数及交互场密度函数的影响,提出了超磁致伸缩执行器应力耦合磁化模型。对模型进行了离散化处理,并根据离散模型给出了求逆算法。对执行器在受0、10、20、100MPa压应力下进行了仿真,计算且图示了求逆算法与模型的误差,仿真结果证明了模型和求逆算法的有效性。